introduction to electronics

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    14-Nov-2014
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Transcript of introduction to electronics

RCRCib2ib1rrib2ib1REB(+1)ib2(+1)ib1vid /2 vid /2vod vo1 vo2 ++++ +--- --vXRCRCib2ib1rrib2ib1REB(+1)ib2(+1)ib1vid /2 vid /2vod vo1 vo2 ++++ +--- --vXIntroduction toElectronicsAn Online TextBob ZulinskiAssociate Professorof Electrical EngineeringMichigan Technological UniversityVersion 2.0Introduction to Electronics iiDedicationHuman beings are a delightful and complex amalgam ofthe spiritual, the emotional, the intellectual, and the physical.This is dedicated to all of them; especially to thosewho honor and nurture me with their friendship and love.Introduction to Electronics iiiTable of ContentsPreface xviPhilosophy of an Online Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviNotes for Printing This Document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviiiCopyright Notice and Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviiiReview of Linear Circuit Techniques 1Resistors in Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Resistors in Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Product Over Sum 1Inverse of Inverses 1Ideal Voltage Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Ideal Current Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Real Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Voltage Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Current Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4A quick exercise 4Whats missing from this review??? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Youll still need Ohms and Kirchoffs Laws 5Basic Amplifier Concepts 6Signal Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Ground Terminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7To work with (analyze and design) amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Voltage Amplifier Model 8Signal Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Amplifier Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Amplifier Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Open-Circuit Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Current Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Introduction to Electronics ivPower Supplies, Power Conservation, and Efficiency 11DC Input Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Conservation of Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Amplifier Cascades 13Decibel Notation 14Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Cascaded Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Current Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Using Decibels to Indicate Specific Magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Voltage levels: 15Power levels 16Other Amplifier Models 17Current Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Transconductance Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Transresistance Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Amplifier Resistances and Ideal Amplifiers 20Ideal Voltage Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Ideal Current Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Ideal Transconductance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Ideal Transresistance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Uniqueness of Ideal Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Frequency Response of Amplifiers 24Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Magnitude Response 24Phase Response 24Frequency Response 24Amplifier Gain 24The Magnitude Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Causes of Reduced Gain at Higher Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Causes of Reduced Gain at Lower Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Introduction to Electronics vDifferential Amplifiers 27Example: 27Modeling Differential and Common-Mode Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Amplifying Differential and Common-Mode Signals . . . . . . . . . . . . . . . . 28Common-Mode Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Ideal Operational Amplifiers 29Ideal Operational Amplifier Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Op Amp Operation with Negative Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Slew Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Op Amp Circuits - The Inverting Amplifier 31Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Input Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Op Amp Circuits - The Noninverting Amplifier 33Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Input and Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Op Amp Circuits - The Voltage Follower 34Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Input and Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Op Amp Circuits - The Inverting Summer 35Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Op Amp Circuits - Another Inverting Amplifier 36Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Op Amp Circuits - Differential Amplifier 38Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Op Amp Circuits - Integrators and Differentiators 40The Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40The Differentiator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Introduction to Electronics viOp Amp Circuits - Designing with Real Op Amps 42Resistor Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Source Resistance and Resistor Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Graphical Solution of Simultaneous Equations 43Diodes 46Graphical Analysis of Diode Circuits 48Examples of Load-Line Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Diode Models 50The Shockley Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Forward Bias Approximation 51Reverse Bias Approximation 51At High Currents 51The Ideal Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52An Ideal Diode Example 53Piecewise-Linear Diode Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55A Piecewise-Linear Diode Example 57Other Piecewise-Linear Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Diode Applications - The Zener Diode Voltage Regulator 59Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Load-Line Analysis of Zener Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Numerical Analysis of Zener Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Circuit Analysis 62Zener Regulators with Attached Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Example - Graphical Analysis of Loaded Regulator 64Diode Applications - The Half-Wave Rectifier 66Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66A Typical Battery Charging Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67The Filtered Half-Wave Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Relating Capacitance to Ripple Voltage 70Introduction to Electronics viiDiode Applications - The Full-Wave Rectifier 72Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721st (Positive) Half-Cycle 722nd (Negative) Half-Cycle 72Diode Peak Inverse Voltage . . . . . . . . .