Analog Circuit Design

1194 Pages·2009·14.26 MB·English

by  Peter Hiscocks

Analog Circuit Design
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0 2 4 6 8 10 12 14
Time
Second Edition
Peter D. Hiscocks
Analog Circuit Design
Peter D.Hiscocks
ProfessorEmeritus
DepartmentofElectrical and ComputerEngineering
Ryerson University
CEO
SyscompElectronicDesignLimited
Email: [email protected]
First Edition 14September, 2010
Second Edition 1March, 2011
c PeterD. Hiscocks,2010
(cid:13)
ISBN 978-0-9867235-0-6
Understanding(ananalogdesign)islikeunderstandingalanguage.Itdoesn’ttakelongtolookata
schematicandknowwhatitisallaboutifyouknowthelanguage.
BobDobkin,VicePresident,Engineering,MaximIntegratedCircuits
DesigneroftheLM118OpAmp
Quotedin[1]
CONTENTS iii
Contents
TableofContents iii
ListofFigures xx
1 Introduction 43
1.1 OutlineoftheMaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.2 ConvertingUnitsofMeasurement:ASystematicMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2 BasicDCCircuits 50
2.1 Voltage,CurrentandResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2 ElectronFlowandConventionalCurrent:TheUnluckyGuessofBenjaminFranklin . . . . . . . 50
2.3 ElectronicCharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4 Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.1 ExampleVoltages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.2 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.3 VoltageStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5.1 CurrentMeter(Ammeter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.2 CurrentStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.3 ExampleCurrents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.4 ElectronConductionPhysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.5 VelocityofElectroninaVacuumTube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6 ResistanceandOhm’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.6.1 ExampleResistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.6.2 ResistanceStandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.3 StandardValues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.4 Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.5 DesigningResistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6.6 EuropeanStyleNotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7 IdealVoltageSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.8 IdealCurrentSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.9 Kirchhoff’sVoltageLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.10 Kirchhoff’sCurrentLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.11 KVL,KCLandCircuitAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.12 GroundedandFloatingComponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.13 ResistorsinSeries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.14 ResistorsinParallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.15 ResistorNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.16 MetersforVoltage,CurrentandResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.16.1 MovingCoilMeterMovement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.16.2 CharacterisinganUnknownMeterMovement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.16.3 MovingCoilVoltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.16.4 MovingCoilAmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.16.5 MovingCoilOhmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.17 PracticalVoltageSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.18 InternalResistance:CaseHistories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
iv CONTENTS
2.19 PracticalCurrentSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.20 MeasuringInternalResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.21 TheLoadLine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.22 VoltageandCurrentSource,Compared. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.23 PowerDissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.24 BatteryTester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.25 TheCapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.25.1 CapacitorConstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.25.2 EnergyStorageinaCapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.25.3 EnergyStorage:BatteryandCapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.25.4 CommonMisconception:Kirchhoff’sCurrentLawandTheCapacitor . . . . . . . . . . . 88
2.26 TheCapacitor:TimeDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.26.1 DefectiveCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.26.2 EnergyStorageinaCapacitor:Reprise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.26.3 Application:RampGenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.27 CapacitancesinSeriesandParallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.28 TheInductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.28.1 VoltageInduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.28.2 MovingMagnetInduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.28.3 Faraday’sLawandLenz’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.28.4 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.28.5 EnergyStorageinanInductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.29 InductanceandMagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.29.1 TheElectricCircuitAnalogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.29.2 Reluctance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.29.3 Example:VariableReluctanceSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.29.4 DerivingtheInductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.29.5 Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.29.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.29.7 SolenoidInductanceonFerriteRod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.30 TheAmplifierConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.31 SwitchesandRelays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.32 MarxGenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.33 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3 ToolsforCircuitAnalysis: Part1 119
3.1 Thevenin’sTheorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.2 Norton’sTheorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.3 TheVoltageDivider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.4 VoltageDividerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.1 ExactMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.2 SimpleMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.4.3 GraphicalMethod:DividerDesignwithStandard5%Resistors . . . . . . . . . . . . . . 130
3.4.4 LargeRatioDividerShortcut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.5 DerivationoftheNomogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.5 TheCurrentDivider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.5.1 CurrentDividerApplication:MeterCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.6 TheSuperpositionTheorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
CONTENTS v
3.6.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.6.2 SuperpositionandPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.7 ThePassiveAdder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.8 TheWheatstoneBridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.9 LoadLineApplication:DigitalLogicInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.10 ComponentTolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.11 CumulativeTolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.12 ComplexCases: SpreadsheettotheRescue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3.13 LargerProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.14 ErrorBudgetAnalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.15 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4 ToolsforCircuitAnalysis: Part2 154
4.1 AlternatingCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.1.1 WaveformsinGeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.1.2 SinusoidalWaveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2 VectorNotationandSineWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3 Reactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.4 ComplexNumbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.5 CapacitiveReactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.5.1 CapacitiveReactanceinVectorNotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.5.2 Example:CapacitiveReactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.5.3 Example:CurrentinaCapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.6 InductiveReactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.7 ReactanceCalculators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.7.1 ReactanceChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.7.2 ReactanceSlideRule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.7.3 GnuplotRoutineforCapacitiveReactanceChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.8 RCLowpassNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.8.1 Example:ChargingCapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.9 RCHighpassNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.10 Resonance,anIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.11 SeriesResonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.11.1 FrequencyResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.11.2 VoltagesandCurrentsintheSeriesResonantCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.12 ParallelResonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.12.1 FrequencyResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.13 BoingvsThud:theQFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
4.13.1 DefiningQFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
4.13.2 QFactorandEnergyDissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.13.3 QFactorandVoltageMagnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.13.4 QFactor,BandwidthandFilterShape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.14 BandwidthofaResonantCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.14.1 BandwidthandQFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.15 TheCompensatedAttenuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.16 TheIdealTransformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.17 Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.17.1 Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
vi CONTENTS
4.17.2 UsingImpedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
4.17.3 ImpedanceMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
4.18 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5 TheLaplaceTransform 195
5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.1.1 LaplaceNotationasShorthand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.1.2 ASimpleExample:CapacitorChargingEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.1.3 InductorDifferentialEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.1.4 CapacitiveReactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.2 TransferFunctionandFrequencyResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.2.1 TransferFunctionofLowPassRCFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.2.2 MagnitudeandPhaseofTheLowpassRCFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.2.3 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.2.4 TransferFunctionofLowPassLRFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.2.5 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.2.6 TransferFunctionofaSecondOrderRLCLowpassFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.2.7 AmplitudeandPhaseoftheLowpassRLCFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.2.8 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.2.9 TransferFunctionoftheTwoStage(SecondOrder)RCLowpassFilter . . . . . . . . . . 210
5.3 TimeDomainResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.3.1 ComputerAlgebra:UsingMaxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.3.2 TableofTransforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.3.3 TableofTransforms,Quadratic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.3.4 ForcingFunction:UnitImpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.3.5 ForcingFunction:UnitStep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
5.3.6 ForcingFunction:UnitRamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
5.3.7 UnitStepandRCLowpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
5.3.8 UnitRampandRCLowpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.3.9 CapacitorwithInitialCharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
5.3.10 LCResonantCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.3.11 RLCResonantCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.3.12 TwoStage(SecondOrder)Lowpass,ImpulseResponse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.3.13 ComparingtheFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.4 ArbitraryWaveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.4.1 LinearityProperty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.4.2 TimeShiftProperty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.4.3 Example:SquarePulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.4.4 Example:TriangularPulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.5 Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.5.1 LaplaceTransformofUnitImpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.5.2 LaplaceTransformoftheUnitStep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
5.5.3 GnuplotMagnitudeandPhasePlottingRoutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
5.5.4 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
CONTENTS vii
6 TheSemiconductorDiode 246
6.1 SemiconductorDiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.2 DiodeLogicORGate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
6.3 DiodeLogicANDGate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
6.4 HalfWaveRectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.5 FullWaveRectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.6 DiodeBridgeRectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.7 DiodeClamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
6.8 DiodeClippingCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
6.9 Bi-DirectionalClipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.10 TheFlybackDiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.11 DiodeTypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.12 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7 TheZenerDiode 259
7.1 TheZenerDiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.2 ZenerRegulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.3 ZenerImpedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.4 ZenerRegulatorAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.5 ZenerCurrentDrive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.6 TheIntegratedCircuitShuntRegulator(ICZener) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
8 ActiveDevices 266
8.1 TheBJT:BipolarJunctionTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
8.2 TheJFET:JunctionFieldEffectTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
8.3 TheMOSFET:MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.4 ApplicationCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
8.5 TheMOSFETSwitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
8.6 TheBJTSwitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.7 BJTLogicDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
8.8 TheBJTFlipFlop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9 MotorsandGenerators 280
9.1 DCMotorandGenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.1.1 TheIdealDCMotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.1.2 RealDCGeneratorBehaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.1.3 SpeedControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.1.4 TorqueControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.1.5 Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10 NegativeFeedback 284
10.1 NegativeFeedbackandAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.2 NegativeFeedbackandtheOperationalAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
10.3 MinimizingDisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
10.4 NegativeFeedbackGoesBad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10.5 Application:TemperatureController . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
viii CONTENTS
11 ReactanceandBodePlots 300
11.1 ReactancePlot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
11.2 TheBodePlot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
11.3 Constant,IntegratorandDifferentiatorFactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
11.4 FirstOrderLeadandLagFactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
11.5 First-orderLead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
11.6 First-orderLag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
11.7 Example:PID(Proportional,Integral,Differential)Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
11.8 QuadraticFactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
11.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12 TheOperationalAmplifier: Basics 315
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
12.2 TheOp-AmpComparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.3 TheBuffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
12.4 TheNon-InvertingAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
12.5 TheInvertingAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
12.6 FormalAnalysisoftheInvertingAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
12.7 TheRulesofOp-AmpBehaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.8 SingleSupplyOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
12.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
13 TheOperationalAmplifier: Applications 333
13.1 MillerEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
13.2 TheOp-AmpAdder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
13.3 Non-InvertingAdder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
13.4 SignChanger(Inverter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
13.5 SwitchableSignChanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.6 TheSubtractor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.7 TheInstrumentationAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.8 UniversalAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.9 CurrenttoVoltageConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.10 Integrator,Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
13.11 Integrator,NonInverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
13.12 Differentiator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.13 Application:Spring-MassSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.14 BoosterStage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
13.15 CurrentGenerator,FloatingLoad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.16 CurrentGenerator,GroundedLoad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
13.17 ChargeAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
13.18 AC-CoupledInvertingAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
13.19 AC-CoupledInvertingAmplifier,FrequencyResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
13.20 AC-CoupledNon-InvertingAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.21 AC-CoupledNon-InvertingAmplifier,FrequencyResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
13.22 AC-CoupledAmplifier,MiscellaneousIssues(Advanced) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
13.23 InputandOutputResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
13.24 SummaryofAmplifierCircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.25 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
CONTENTS ix
14 TheSchmittTrigger 401
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
14.2 SchmittTrigger,Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
14.3 SchmittTrigger,Non-Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
14.4 SchmittTriggerDesignEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
14.5 InvertingSchmittTrigger,DesignEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
14.6 Non-InvertingSchmittTrigger,DesignEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
14.7 SummaryofDesignEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
14.8 FanThermostat,DesignExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
14.9 Appendix:ConfirmingtheSchmittTriggerLeverDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
14.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
15 PowerSupplies 416
15.1 ACPowerDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
15.2 PowerSupplyConfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
15.3 Rectifier-FilterConfigurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
15.4 SeriesandShuntVoltageRegulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
15.5 FeedbackVoltageRegulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
15.6 Three-terminalLinearRegulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
15.7 TheACAdaptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
15.8 SwitchingRegulator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
15.9 SwitchingRegulator,DesignExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
15.10 ChargePump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
15.11 VoltageMultiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
15.12 TransformerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
15.13 TransformerDesignParameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
15.14 Application:TransformerIsolatedInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
15.15 Example:TransformerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
15.16 SummaryofPowerSupplyDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
15.17 Appendix:TheTransformerVoltageEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
15.18 Appendix:TransformerPowerEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
15.19 WireTable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
15.20 Appendix:CalculatingtheEffective(RMS)ValueofaWaveform. . . . . . . . . . . . . . . . . 483
15.21 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
16 PrecisionRectifiers 495
16.1 PrecisionDiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
16.2 PrecisionHalf-WaveRectifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
16.3 PrecisionFull-WaveRectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
16.4 Full-WaveMeterDriver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
16.5 Phase-SensitiveRectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
16.6 RMSConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
16.6.1 ObviousImplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
16.6.2 TheImplicitMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
16.7 ThermalMethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
16.8 PeakDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
16.8.1 ImprovedPeakDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.9 Sample-HoldCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
x CONTENTS
16.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
17 ActiveFilters 513
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
17.1.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
17.1.2 Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
17.1.3 Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
17.1.4 Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
17.1.5 Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
17.1.6 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
17.1.7 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
17.1.8 RoadmaptotheSection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
17.2 First-OrderFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
17.2.1 First-OrderPassiveFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
17.2.2 FirstOrderActiveFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
17.3 Example:ASimpleBandpassFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
17.4 Second-OrderLow-PassFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
17.4.1 TransferFunctionoftheFirstOrderCascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
17.5 Second-OrderBand-PassFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
17.6 Second-OrderHigh-PassFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
17.7 Second-OrderBand-Reject(Notch)Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
17.8 Summary,Second-OrderFilters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
17.9 TheBronziteCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
17.10 TheSallen-KeyLowpassCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
17.11 TheSallen-KeyHighpassCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
17.12 TheStateVariableCircuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
17.13 NotchFilterCircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
17.14 StateVariableNotch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
17.15 TheTwin-TeeNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
17.15.1TuneablePassiveNotchFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
17.16 HigherOrderFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
17.17 TheButterworthCharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
17.18 DesigningAButterworthFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
17.19 TheChebyschevCharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
17.20 TheBesselCharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
17.21 PlottingHigh-OrderFilterCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
17.22 First-OrderTransientResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
17.23 Second-OrderTransientResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
17.24 FilterTables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
17.25 DesignMethodOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
17.26 TheComplexFrequencyPlane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
17.26.1PolesandZeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
17.26.2TheSecond-OrderLowpassFilter,Normalized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
17.26.3DiagramoftheComplexFrequencyPlane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
17.26.4ZerosatInfinity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
17.26.5TheMembraneModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
17.26.6AmplitudeandPhaseResponsefromtheComplexFrequencyPlane . . . . . . . . . . . . 578
17.26.7GeneralizingtheAmplitudeandPhaseResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580