Introduction to Electronics - An Online Text

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    Introduction toElectronics

    An Online Text

    Bob ZulinskiAssociate Professor

    of Electrical EngineeringMichigan Technological University

    Version 2.0

  • Introduction to Electronics ii

    Dedication

    Human 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 iii

    Table of Contents

    Preface xviPhilosophy of an Online Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviNotes for Printing This Document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviiiCopyright Notice and Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii

    Review of Linear Circuit Techniques 1Resistors in Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Resistors in Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    Product Over Sum 1Inverse of Inverses 1

    Ideal Voltage Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Ideal Current Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Real Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Voltage Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Current Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    A quick exercise 4Whats missing from this review??? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    Youll still need Ohms and Kirchoffs Laws 5

    Basic Amplifier Concepts 6Signal Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Ground Terminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7To work with (analyze and design) amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    Voltage Amplifier Model 8Signal Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Amplifier Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Amplifier Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Open-Circuit Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Current Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

  • Introduction to Electronics iv

    Power Supplies, Power Conservation, and Efficiency 11DC Input Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Conservation of Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    Amplifier Cascades 13

    Decibel Notation 14Power Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Cascaded Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Current Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Using Decibels to Indicate Specific Magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    Voltage levels: 15Power levels 16

    Other Amplifier Models 17Current Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Transconductance Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Transresistance Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    Amplifier Resistances and Ideal Amplifiers 20Ideal Voltage Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Ideal Current Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Ideal Transconductance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Ideal Transresistance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Uniqueness of Ideal Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    Frequency Response of Amplifiers 24Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    Magnitude Response 24Phase Response 24Frequency Response 24Amplifier Gain 24

    The Magnitude Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Causes of Reduced Gain at Higher Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Causes of Reduced Gain at Lower Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

  • Introduction to Electronics v

    Differential Amplifiers 27Example: 27

    Modeling Differential and Common-Mode Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Amplifying Differential and Common-Mode Signals . . . . . . . . . . . . . . . . 28Common-Mode Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    Ideal Operational Amplifiers 29Ideal Operational Amplifier Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Op Amp Operation with Negative Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Slew Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    Op Amp Circuits - The Inverting Amplifier 31Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Input Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    Op Amp Circuits - The Noninverting Amplifier 33Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Input and Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    Op Amp Circuits - The Voltage Follower 34Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Input and Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    Op Amp Circuits - The Inverting Summer 35Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    Op Amp Circuits - Another Inverting Amplifier 36Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    Op Amp Circuits - Differential Amplifier 38Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    Op Amp Circuits - Integrators and Differentiators 40The Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40The Differentiator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

  • Introduction to Electronics vi

    Op Amp Circuits - Designing with Real Op Amps 42Resistor Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Source Resistance and Resistor Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    Graphical Solution of Simultaneous Equations 43

    Diodes 46

    Graphical Analysis of Diode Circuits 48Examples of Load-Line Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    Diode Models 50The Shockley Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    Forward Bias Approximation 51Reverse Bias Approximation 51At High Currents 51

    The Ideal Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52An Ideal Diode Example 53

    Piecewise-Linear Diode Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55A Piecewise-Linear Diode Example 57

    Other Piecewise-Linear Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    Diode Applications - The Zener Diode Voltage Regulator 59Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Load-Line Analysis of Zener Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Numerical Analysis of Zener Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    Circuit Analysis 62Zener Regulators with Attached Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    Example - Graphical Analysis of Loaded Regulator 64