ebook img

Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits Solutions to Exercises and Problems PDF

605 Pages·2001·2.65 MB·English
by  
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits Solutions to Exercises and Problems

Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits Solutions to Exercises and Problems Anant Agarwal and Jeffrey H. Lang Department of Electrical Engineering and Computer Science Massachusetts Institute of Technology (cid:0) c 1998 Anant Agarwal and Jeffrey H. Lang July 3, 2005 Chapter 1 The Circuit Abstraction Exercises Exercise 1.1 Quartz heaters are rated according to the average power drawn from a 120 volt AC 60 Hz voltage source. Estimate the resistance (when operating) a 1200 watt quartzheater. NOTE: Thevoltage waveformfora120voltAC 60Hzwaveformis (cid:0)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:8)(cid:7)(cid:10)(cid:9) (cid:11)(cid:13)(cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:16)(cid:15)(cid:18)(cid:17)(cid:20)(cid:19)(cid:16)(cid:21)(cid:22)(cid:1)(cid:23)(cid:11)(cid:25)(cid:24)(cid:27)(cid:26)(cid:28)(cid:15)(cid:25)(cid:3)(cid:6)(cid:5) Thefactorof (cid:9) (cid:11) inthepeakamplitudecancelswhentheaveragepoweriscomputed. One result is that the peak amplitude of the voltage from a 120 volt wall outlet is about 170volts. Solution: Power (cid:7)(cid:13)(cid:12)(cid:29)(cid:11)(cid:30)(cid:15)(cid:28)(cid:15) watts (cid:7) (cid:31)"!(cid:29)(cid:0)#(cid:7)$(cid:31)&%’!(cid:14)( (cid:7)*)(cid:6)+ , (cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:30)(cid:15)(cid:28)(cid:15)(cid:18)(cid:7)*) + ;where (cid:0) is averagevalueofsinusoidalvoltage, , (cid:0)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:8)(cid:7)-(cid:9) (cid:11).!(cid:30)(cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:30)(cid:15)/(cid:17)0(cid:19)(cid:16)(cid:21)1(cid:1)2(cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:16)(cid:15)(cid:16)(cid:24)3(cid:3)(cid:6)(cid:5) Averagevalueofasinusoidallyoscillatingsignalis thepeakvaluedividedby (cid:9) (cid:11) . Therefore (cid:0)4(cid:7)(cid:13)(cid:12)(cid:29)(cid:11)(cid:30)(cid:15) (cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:30)(cid:15) % (5(cid:7) (cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:30)(cid:15)(cid:28)(cid:15) Therefore ( (cid:7)(cid:13)(cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:30)6 1 2 CHAPTER1. THECIRCUITABSTRACTION ANS:: (5(cid:7)-(cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:30)6 Exercise 1.2 a) Thebatteryonyourcarhasaratingstatedinampere-hourswhichpermitsyoutoes- timatethelengthoftimeafullychargedbatterycoulddeliveranyparticularcurrent before discharge. Approximately how much energy is stored by a 50 ampere-hour 12voltbattery? b) Assuming 100% efficient energy conversion, how much water stored behind a 30 meterhighhydroelectricdamwouldberequiredtocharge the battery? Solution: a) (cid:0) (cid:19)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5).(cid:7) (cid:31)"!(cid:29)(cid:0)4(cid:7)(cid:8)(cid:7)(cid:10)(cid:18)(cid:20)(cid:9)(cid:6)(cid:19)(cid:22)(cid:21)(cid:11)(cid:13)(cid:12)(cid:15)(cid:14)(cid:17)(cid:16) (cid:11) (cid:23)(cid:25)(cid:24) (cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:2)(cid:26)(cid:28)(cid:27) (cid:7) (cid:31)’! (cid:0) ! (cid:1) (cid:3) (cid:31)(cid:30)(cid:29)(cid:31)(cid:3)(cid:14)(cid:5)#(cid:7) (cid:1)! (cid:30)(cid:15)#"$(cid:29)&%(cid:10)(cid:3)(cid:6)(cid:5)’(cid:3)(cid:25)(*) (cid:19)(cid:2)+,(cid:5)(cid:28)(cid:21)(cid:14)(cid:5)0(cid:1)2(cid:12)(cid:14)(cid:11) (cid:0)(cid:22)(cid:19).- (cid:3)(cid:6)(cid:21)(cid:14)(cid:5)4(cid:7) (cid:26)(cid:28)(cid:15)(cid:28)(cid:15)/"0(cid:29)&%,(cid:3)(cid:6)(cid:5)1(cid:3)2( ) (cid:19)(cid:2)+3(cid:5)4( (cid:0)(cid:22)(cid:19)1- (cid:3)(cid:6)(cid:21) (cid:26)(cid:28)(cid:15)(cid:30)(cid:15)5"0(cid:29)&%,(cid:3)(cid:6)(cid:5)’(cid:3)6(7) (cid:19).+,(cid:5)4( (cid:0) (cid:19).- (cid:3)(cid:6)(cid:21) !(cid:2)8(cid:28)(cid:26)(cid:30)(cid:15)(cid:28)(cid:15)/(cid:21)9(cid:3)(cid:29)(cid:17)0(cid:19) (cid:24);: (cid:21)(cid:2)<5) (cid:19).+,(cid:5)/(cid:7) (cid:11)(cid:28)= (cid:12)(cid:29)(cid:26)?> (cid:12)(cid:29)(cid:15)’@BA"(cid:19)(cid:2)+3-(cid:13)(cid:3)(cid:14)(cid:21) b) PotentialEnergy (DC ElectricalEnergy;assume (cid:12)(cid:29)(cid:15)(cid:28)(cid:15)0E efficiency (cid:29)*!(cid:6)(cid:26) !(cid:2)) (cid:7)5(cid:11)(cid:28)= (cid:12)(cid:29)(cid:26)F> (cid:12)(cid:29)(cid:15)’@GA3(cid:19).+3-H(cid:3)(cid:14)(cid:21) (cid:29) (cid:7) (cid:11)(cid:28)= (cid:12)(cid:29)(cid:26)?>JI(cid:13)KML (cid:14)ONP (cid:21) (cid:26)FQ I(cid:13)K R + ) (cid:7)*8(cid:28)(cid:15)’(cid:29) ,heightofwater,assumingthatthereisenoughwaterinthedamsuchthat the heightdoes notchangeassomeofthe wateristakenout (cid:29)(cid:31)"(cid:22)(cid:21)(cid:14)(cid:21) (cid:7)(cid:13)(cid:12)GSUTVS (cid:15)(cid:28)(cid:15)XW$(cid:26)4(cid:19)1YZ(cid:1)["(cid:28)(cid:3)\(cid:3)(cid:6)(cid:5) ANS:: (a) (cid:11)(cid:28)=(cid:11)F> (cid:12)(cid:29)(cid:15) @ Joules,(b)7200kg,orabout8 tons. Exercise 1.3 In the circuit in Figure 1.1, R is a linear resistor and (cid:0) (cid:7)^];_a‘ a constant (DC) voltage. Whatis thepowerdissipatedin theresistor,in termsof ( and ];_a‘ ? Solution: (cid:0) (cid:19)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5).(cid:7) (cid:31)(cid:27)! (cid:0) But (cid:31) (cid:7) (cid:0)(cid:28)<(cid:30)( (Ohm’sLaw),so (cid:0) ],_a‘ % (cid:0) (cid:19).(cid:1)[(cid:3)(cid:6)(cid:5).(cid:7) !(cid:29)(cid:0)4(cid:7) ( ( ANS:: ce+ d b , 3 + v R - Figure1.1: Exercise 1.4 In the circuit of the previous exercise (Figure 1.1), (cid:0) (cid:7) ] (cid:1) ‘ (cid:17)0(cid:19)(cid:16)(cid:21)(cid:3)(cid:2) (cid:3) , a sinu- soidal(AC) voltagewithpeakamplitude ] (cid:1) ‘ andfrequency(cid:2) ,inradians/sec. a) Whatisthe averagepowerdissipatedinR? b) What is the relationship between ]D_a‘ and ] (cid:1) ‘ in Figure 1.1 when the average powerin ( isthe sameforbothwaveforms? Solution: v V = 2V = peak AC DC V DC t Figure1.2: a) Ifpeakvoltageis ] (cid:1) ‘ ,then ] (cid:1) ‘ (cid:7) (cid:9) (cid:11)X],_a‘ where ]3_a‘ isthe averageamplitudeofthe voltagesignal. (cid:4) (cid:0)e(cid:3)(cid:6)(cid:5)’"5(cid:26)(cid:28)(cid:3) (cid:0) (cid:19)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5) (cid:7) (cid:1)(cid:30)](cid:6)(cid:5) ) (cid:11)(cid:13)(cid:12) (cid:5) (cid:14)\(cid:11) (cid:5) % (cid:7) ],_a‘ % (cid:7) (cid:1)(cid:30)] (cid:1) ‘a< (cid:9) (cid:11)(cid:28)(cid:5) % (cid:7) ] (cid:1) ‘ % ( ( ( (cid:11)(cid:30)( b) Ifpeakvoltageis ] (cid:1) ‘ ,then ] (cid:1) ‘ (cid:7) (cid:9) (cid:11)X],_a‘ where ]3_a‘ isthe averageamplitudeofthe voltagesignal. 4 CHAPTER1. THECIRCUITABSTRACTION ANS:: (a) ] (cid:1)% ‘ <(cid:28)(cid:11)(cid:30)( (b) ] (cid:1) ‘ (cid:7) (cid:9) (cid:11)X],_a‘ Problems Problem1.1 Determinetheresistanceofacubewithsidesoflength - cmsandresistivity (cid:12)(cid:29)(cid:15) Ohm-cms,whenapairofoppositesurfaces arechosenastheterminals. Problem1.2 Sketch the (cid:0)Z( (cid:31) characteristic of a battery rated at 10V with an internal resistanceof10Ohms. Problem1.3 A battery rated at 7.2V and 10000 joules is connected across a lightbulb. Assume that the internal resistance of the battery is zero. Further assume that the resis- tanceofthe lightbulbis (cid:12) (cid:15)(cid:28)(cid:15)(cid:28)6 . 1. Draw the circuit containing the battery and the lightbulb and label the terminal variablesforthebatteryandthelightbulbaccordingtothe associatedvariablesdis- cipline. 2. Whatisthe powerintothe lightbulb? 3. Determinethe powerintothe battery. 4. Showthatthesumofthepowerintothebatteryandthepowerintothebulbiszero. 5. Howlongwillthe batterylastin thecircuit? Problem1.4 Asinusoidalvoltage source (cid:24) (cid:0)4(cid:7) (cid:12)(cid:29)(cid:15) (cid:21) (cid:31) (cid:2) (cid:3) isconnectedacrossa1k resistor. 1. Makeasketchof% (cid:1) (cid:3)(cid:6)(cid:5) ,the instantaneouspowersuppliedbythe source. 2. Determinethe averagepowersuppliedby thesource. 3. Now,supposethatasquarewavegeneratorisusedasthesource. Ifthesquarewave signal has a peak-to-peak of 20V and a zero average value, determine the average powersuppliedbythe source. 4. Next,ifthesquarewavesignalhasapeak-to-peakof20Vanda10Vaveragevalue, determinethe averagepowersuppliedbythe source. Chapter 2 Resistive Networks Exercises Exercise 2.1 Find the equivalent resistance from the indicated terminal pair of the net- worksin Figure2.1. 1W 2W 2W 1W 2W 2W 4W 3W (a) (b) R R R R 2R 2R 2R R (c) Figure2.1: Solution: 5 6 CHAPTER2. RESISTIVENETWORKS a) !. ( (cid:7) (cid:3)(cid:2)(cid:4)(cid:2) (cid:7) (cid:7)5(cid:11)(cid:28)= (cid:30)6 (cid:7)(cid:1)(cid:0) (cid:6)(cid:5) b) ( (cid:7) (cid:11)(cid:3)(cid:2)(cid:7)(cid:2)(cid:16)(cid:1) (cid:12)(cid:8)(cid:5) (cid:11)(cid:9)(cid:2)(cid:7)(cid:2)0(cid:11)(cid:30)(cid:5)(cid:8)(cid:7)5(cid:11)(cid:3)(cid:2)(cid:7)(cid:2)(cid:20)(cid:11)(cid:18)(cid:7) (cid:12)(cid:29)6 (cid:7)(cid:1)(cid:0) c) S(cid:28)( % (cid:11)(cid:30)((cid:10)(cid:2)(cid:7)(cid:2)(cid:20)(cid:11)(cid:16)(5(cid:7) (cid:7) ( S(cid:28)( Therefore ( (cid:7) ((cid:11)(cid:5) (5(cid:7)5(cid:11)(cid:16)( (cid:7)(cid:1)(cid:0) ANS:: (a) (cid:11)(cid:28)= (cid:30)6 (b) (cid:12)(cid:29)6 (c) (cid:11)(cid:30)( Exercise 2.2 Determine the voltages (cid:0) (cid:1) and (cid:0)(cid:13)(cid:12) (in terms of (cid:0)(cid:13)(cid:14) ) for the network shown inFigure2.2. - + 6 v 3 v + A A - v + S - + 2 v A + - v B - + v A - Figure2.2: Solution: KVL: (1) (cid:0)(cid:13)(cid:14)(cid:15)(cid:5) (cid:26)(cid:30)(cid:0) (cid:1) ( (cid:0)(cid:16)(cid:12) (cid:7) (cid:15) 7 (cid:0)(cid:13)(cid:12) (cid:7) (cid:0)(cid:13)(cid:14)(cid:15)(cid:5) (cid:26)(cid:30)(cid:0) (cid:1) (2) (cid:0)(cid:16)(cid:12) ( (cid:26)(cid:30)(cid:0) (cid:1) ( 8(cid:30)(cid:0) (cid:1) ( (cid:11)(cid:16)(cid:0) (cid:1) ( (cid:0) (cid:1) (cid:7) (cid:15) (cid:0)(cid:13)(cid:12) (cid:7) (cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:16)(cid:0) (cid:1) (cid:12)(cid:14)(cid:11)(cid:16)(cid:0) (cid:1) (cid:7) (cid:0)(cid:16)(cid:14) (cid:5) (cid:26)(cid:30)(cid:0) (cid:1) (cid:26)(cid:30)(cid:0) (cid:1) (cid:7) (cid:0)(cid:16)(cid:14) (cid:0)(cid:16)(cid:14) (cid:0) (cid:1) (cid:7) (cid:26) (cid:0)(cid:16)(cid:12) (cid:7)5(cid:11)(cid:25)(cid:0)(cid:13)(cid:14) ANS:: (cid:0) (cid:1) (cid:7)$(cid:0)(cid:13)(cid:14)e<(cid:30)(cid:26) , (cid:0)(cid:13)(cid:12) (cid:7) (cid:11)(cid:16)(cid:0)(cid:13)(cid:14) Exercise 2.3 Find the equivalent resistance between the indicated terminals (all resis- tancesinohms)in Figure2.3. 5 W 10 W 10 W 2 W 3 W 6 W (a) (b) 4 W 2 W 4 W 3 W 2 W 2 W 1 W 2 W 1 W (c) (d) Difficult Figure2.3: Solution: a) ( (cid:7) (cid:6)(cid:5) (cid:12) (cid:15) (cid:2)(cid:7)(cid:2)(cid:12)(cid:29)(cid:15)/(cid:7)(cid:13)(cid:12)(cid:29)(cid:15)(cid:28)6 (cid:7)(cid:1)(cid:0) 8 CHAPTER2. RESISTIVENETWORKS b) ( (cid:7)(cid:1)(cid:0) (cid:7) (cid:0)(cid:11)(cid:1)(cid:2)(cid:7)(cid:2)8(cid:2)(cid:1) (cid:2)(cid:7)(cid:2)(cid:26)/(cid:7) (cid:12)(cid:29)6 c) ( (cid:7) (cid:1)HS(cid:15)(cid:5) (cid:11)(cid:28)(cid:5) (cid:2)(cid:4)(cid:2) (cid:1)(cid:23)(cid:11) (cid:5) (cid:12)(cid:14)(cid:5) (cid:7) (cid:11)(cid:16)6 (cid:7)(cid:1)(cid:0) d) Applytestvoltage: ( (cid:7)(cid:1)(cid:0) (cid:7) )(cid:4)(cid:19) (cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:8)(cid:7)(cid:8)(cid:3) (cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:8)(cid:7)(cid:8)(cid:3) i test 4 2 3 + v v v test — 1 2 2 1 Figure2.4: (cid:1) (cid:0) (cid:18) (cid:11) R (cid:18) ( (cid:0) I (cid:5) (cid:5) (cid:1) (cid:15)(cid:4)( (cid:0) I (cid:5) (cid:5) (cid:1) (cid:0) % ( (cid:0) I (cid:5) (cid:7) (cid:15) S (cid:11) 8 (cid:1) (cid:0) (cid:18) (cid:11) R (cid:18) ( (cid:0) % (cid:5) (cid:5) (cid:1)(cid:4)(cid:0) I ( (cid:0) % (cid:5) (cid:5) (cid:1) (cid:15)(cid:4)( (cid:0) % (cid:5) (cid:7) (cid:15) (cid:11) 8 (cid:12) (cid:0) (cid:18) R (cid:18) (cid:0) (cid:18) R (cid:18) (cid:0) (cid:7) (cid:11) T (cid:0) (cid:7) (cid:11) I 8 % 8 Substitutetheseexpressionsintothe equationbelow: (cid:31) (cid:18) R (cid:18) (cid:5) (cid:1)(cid:4)(cid:0) I ( (cid:0) (cid:18) (cid:11) R (cid:18) (cid:5) (cid:5) (cid:1) (cid:0) % ( (cid:0) (cid:18) (cid:11) R (cid:18) (cid:5) (cid:7) (cid:15) (cid:11) S (cid:11) (cid:0) (cid:18) R (cid:18) (cid:11) (cid:7) ( (cid:7)5(cid:11)(cid:30)6 (cid:31) (cid:18) R (cid:18) (cid:7) (cid:0) (cid:11) ANS:: (a) (cid:12)(cid:29)(cid:15)(cid:28)6 (b) (cid:12)(cid:29)6 (c) (cid:11)(cid:16)6 (d) (cid:11)(cid:30)6 Exercise 2.4 Determine the indicated branch voltage or branch current in each network inFigure2.5. Solution: a) (cid:0) (cid:7) (cid:31)"!(cid:14)(5(cid:7)*8.!(cid:25)(cid:11) (cid:7) (cid:26)(cid:18)(cid:0)(cid:22)(cid:19).- (cid:3)(cid:6)(cid:21) 9 i 10 kW 3 A + + + v 2W + - 6 V 2W 30 V - V 20 kW - - (a) (b) (c) i i 1m A 2 MW 1m A 10 kW 2 MW 2 MW i + (d) 30 V - (f) 20 kW 20 kW (e) Figure2.5: b) (cid:31) (cid:7)(cid:1)(cid:0) @(cid:2) b (cid:7) ([8(cid:25)"0(cid:29)&% (cid:21) % c) KVL: 8(cid:28)(cid:15) ( (cid:31) (cid:1)2(cid:12)(cid:29)(cid:15) T (cid:15)(cid:28)(cid:15)(cid:28)(cid:15) (cid:5) (cid:11)(cid:30)(cid:15) T (cid:15)(cid:28)(cid:15)(cid:30)(cid:15) (cid:5)(cid:8)(cid:7) (cid:15) (cid:31) (cid:7) (cid:12) (cid:29) (cid:31)(cid:15)-H- (cid:31)(cid:15)"0(cid:29)&% (cid:7)(cid:13)(cid:12)(cid:6)(cid:29) (cid:4) ]-(cid:7)5(cid:11)(cid:30)(cid:15)(cid:28)T (cid:15)(cid:28)(cid:15)(cid:28)(cid:15) !(cid:29)(cid:31) (cid:7)5(cid:11)(cid:16)(cid:15)/(cid:0)(cid:22)(cid:19).- (cid:3)(cid:6)(cid:21) d) (cid:31) (cid:7)-(cid:12)(cid:4)(cid:3) (cid:4) ;current followspathof“short circuit” 10KW i i 1 30V + 20KW 20KW — i 2 Figure2.6: e) (cid:31) I (cid:7)(cid:6),(cid:8)(cid:5)MK(cid:7)(cid:10)b(cid:9) ( (cid:7) (cid:12)(cid:29)(cid:15)5W (cid:5) (cid:11)(cid:30)(cid:15)0W (cid:2)(cid:4)(cid:2)(cid:11)(cid:30)(cid:15)5W (cid:7)(cid:1)(cid:0)

Description:
Foundations of Analog and Digital. Electronic Circuits. Solutions to Exercises and Problems. Anant Agarwal and Jeffrey H. Lang. Department of
See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.