Linear Integrated Circuits : For Anna University

496 Pages·2012·4.003 MB·English

by  Lal Kishore

Linear Integrated Circuits
K. Lal Kishore
Professor in Electronics and Communication Engineering
and
Registrar JNTU, Hyderabad
(cid:38)(cid:82)(cid:83)(cid:92)(cid:85)(cid:76)(cid:74)(cid:75)(cid:87)(cid:3)(cid:139)(cid:3)(cid:21)(cid:19)(cid:20)(cid:21)(cid:3)(cid:39)(cid:82)(cid:85)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:3)(cid:46)(cid:76)(cid:81)(cid:71)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:79)(cid:72)(cid:92)(cid:3)(cid:11)(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:68)(cid:12)(cid:3)(cid:51)(cid:89)(cid:87)(cid:17)(cid:3)(cid:47)(cid:87)(cid:71)
(cid:47)(cid:76)(cid:70)(cid:72)(cid:81)(cid:86)(cid:72)(cid:72)(cid:86)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:51)(cid:72)(cid:68)(cid:85)(cid:86)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:40)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:54)(cid:82)(cid:88)(cid:87)(cid:75)(cid:3)(cid:36)(cid:86)(cid:76)(cid:68)
(cid:49)(cid:82)(cid:3)(cid:83)(cid:68)(cid:85)(cid:87)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:69)(cid:72)(cid:3)(cid:88)(cid:86)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:83)(cid:85)(cid:82)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:81)(cid:81)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:90)(cid:75)(cid:68)(cid:87)(cid:86)(cid:82)(cid:72)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:90)(cid:76)(cid:87)(cid:75)(cid:82)(cid:88)(cid:87)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:83)(cid:88)(cid:69)(cid:79)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:182)(cid:86)(cid:3)
(cid:83)(cid:85)(cid:76)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:90)(cid:85)(cid:76)(cid:87)(cid:87)(cid:72)(cid:81)(cid:3)(cid:70)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:17)
(cid:55)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:81)(cid:82)(cid:87)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:70)(cid:79)(cid:88)(cid:71)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:79)(cid:79)(cid:3)(cid:68)(cid:86)(cid:86)(cid:72)(cid:87)(cid:86)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:68)(cid:87)(cid:3)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:72)(cid:3)(cid:83)(cid:68)(cid:85)(cid:87)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:83)(cid:85)(cid:76)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:17)(cid:3)(cid:55)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:83)(cid:88)(cid:69)(cid:79)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:3)
(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:72)(cid:85)(cid:89)(cid:72)(cid:86)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:85)(cid:76)(cid:74)(cid:75)(cid:87)(cid:3)(cid:87)(cid:82)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:80)(cid:82)(cid:89)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:76)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:83)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:3)(cid:68)(cid:87)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:87)(cid:76)(cid:80)(cid:72)(cid:17)
(cid:44)(cid:54)(cid:37)(cid:49)(cid:3)(cid:28)(cid:26)(cid:27)(cid:27)(cid:20)(cid:22)(cid:20)(cid:26)(cid:25)(cid:26)(cid:26)(cid:21)(cid:25)
(cid:72)(cid:44)(cid:54)(cid:37)(cid:49)(cid:3)(cid:28)(cid:26)(cid:27)(cid:28)(cid:22)(cid:22)(cid:21)(cid:24)(cid:20)(cid:20)(cid:25)(cid:22)(cid:26)
(cid:43)(cid:72)(cid:68)(cid:71)(cid:3)(cid:50)(cid:73)(cid:73)(cid:76)(cid:70)(cid:72)(cid:29)(cid:3)(cid:36)(cid:16)(cid:27)(cid:11)(cid:36)(cid:12)(cid:15)(cid:3)(cid:54)(cid:72)(cid:70)(cid:87)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:25)(cid:21)(cid:15)(cid:3)(cid:46)(cid:81)(cid:82)(cid:90)(cid:79)(cid:72)(cid:71)(cid:74)(cid:72)(cid:3)(cid:37)(cid:82)(cid:88)(cid:79)(cid:72)(cid:89)(cid:68)(cid:85)(cid:71)(cid:15)(cid:3)(cid:26)(cid:87)(cid:75)(cid:3)(cid:41)(cid:79)(cid:82)(cid:82)(cid:85)(cid:15)(cid:3)(cid:49)(cid:50)(cid:44)(cid:39)(cid:36)(cid:3)(cid:21)(cid:19)(cid:20)(cid:3)(cid:22)(cid:19)(cid:28)(cid:15)(cid:3)(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:68)
(cid:53)(cid:72)(cid:74)(cid:76)(cid:86)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:50)(cid:73)(cid:73)(cid:76)(cid:70)(cid:72)(cid:29)(cid:3)(cid:20)(cid:20)(cid:3)(cid:47)(cid:82)(cid:70)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:54)(cid:75)(cid:82)(cid:83)(cid:83)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:3)(cid:38)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:85)(cid:72)(cid:15)(cid:3)(cid:51)(cid:68)(cid:81)(cid:70)(cid:75)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:72)(cid:79)(cid:3)(cid:51)(cid:68)(cid:85)(cid:78)(cid:15)(cid:3)(cid:49)(cid:72)(cid:90)(cid:3)(cid:39)(cid:72)(cid:79)(cid:75)(cid:76)(cid:3)(cid:20)(cid:20)(cid:19)(cid:3)(cid:19)(cid:20)(cid:26)(cid:15)(cid:3)(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:68)
BRIEF CONTENTS
Foreword xiii
Preface xv
1. OPERATIONAL AMPLIFIERS—BASICS 1-1
2. OP-AMP APPLICATIONS 2-1
3. ACTIVE FILTERS AND OSCILLATORS 3-1
4. TIMER AND PHASE-LOCKED LOOP ICs 4-1
5. DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTERS AND ANALOG-TO-DIGITAL
CONVERTERS 5-1
6. VOLTAGE REGULATORS 6-1
APPENDIX A A-1
APPENDIX B B-1
APPENDIX C C-1
SOLVED QUESTION PAPERS Q-1
BIBLIOGRAPHY R-1
INDEX I-1
(cid:55)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:83)(cid:68)(cid:74)(cid:72)(cid:3)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:87)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:68)(cid:79)(cid:79)(cid:92)(cid:3)(cid:79)(cid:72)(cid:73)(cid:87)(cid:3)(cid:69)(cid:79)(cid:68)(cid:81)(cid:78)(cid:17)
CONTENTS
Foreword xiii
Preface xv
1. OPERATIONAL AMPLIFIERS—BASICS 1-1
1.1 Introduction 1-1
1.2 Operational Amplifiers 1-2
1.3 Classification of Op-amps 1-3
1.4 Symbol 1-3
1.4.1 Package 1-3
1.4.2 Identification Code 1-4
1.4.3 Temperature Ranges 1-5
1.4.4 Nomenclature 1-5
1.4.5 Power Supply Connections 1-6
1.4.6 Op-amp 1-6
1.4.7 Difference Amplifier 1-7
1.5 Op-amp Parameters 1-12
1.5.1 Input Offset Voltage (V ) 1-12
io
1.5.2 Input Offset Current (I ) 1-13
io
1.5.3 Output Bias Current (I ) 1-13
B
1.5.4 Input Resistance (R) 1-13
i
1.5.5 Input Capacitance (C) 1-14
i
1.5.6 Input Offset Voltage Drift [V ] 1-14
io(drift)
1.5.7 Input Offset Current Drift [I ] 1-14
io(drift)
1.5.8 Common Mode Rejection Ratio [CMRR ((cid:82))] 1-14
1.5.9 Power Supply Rejection Ratio (PSRR) 1-15
1.5.10 Slew Rate (SR) 1-15
1.5.11 Gain BW Product (ABW) 1-15
v
1.5.12 Offset Voltage Adjustment 1-16
1.6 Frequency Roll Off 1-17
1.6.1 Octave 1-17
1.6.2 Decade 1-17
1.7 Op-amp in Open-Loop Configuration 1-17
1.8 Op-amp Going to Saturation 1-18
1.9 Virtual Ground 1-19
1.10 Op-amp: A Direct Coupled High Gain Amplifier 1-20
vi Contents
1.11 Inverting Amplifier 1-21
1.11.1 Ideal Case 1-21
1.11.2 Input Impedance 1-22
1.11.3 Non-ideal Case 1-22
1.11.4 Output Impedance 1-22
1.11.5 Ideal Case: Non-inverting Amplifier 1-23
1.11.6 Input Impedance 1-24
1.11.7 Non-ideal Case: Input Impedance 1-24
1.11.8 Output Impedance 1-24
1.12 Basic Linear Circuits Using Op-amps 1-24
1.12.1 Adder Circuit 1-25
1.12.2 Buffer Circuit 1-26
1.12.3 General Analysis of Op-amp Circuits 1-26
1.13 Ideal Op-amp as a Subtractor 1-27
1.14 Ideal Op-amp as an Integrator 1-28
1.15 Ideal Op-amp as a Differentiator 1-29
1.16 Op-amp Design Techniques 1-29
1.16.1 Biasing Method 1-29
1.16.2 Improved Version of Current Mirror Circuit 1-30
1.16.3 Active Loads 1-31
1.16.4 Level Shifting 1-31
1.16.5 Output Stage 1-32
1.17 Measurement of Op-amp Parameters 1-32
1.17.1 Measurement of Offset Voltage and Current 1-32
1.17.2 Measurement of CMRR ((cid:82)) 1-33
1.17.3 Measurement of Open-loop Input and Output Impedances 1-34
1.18 Measurement of PSRR 1-35
1.19 Measurement of Slew Rate 1-35
1.20 Measurement of Open-Loop Gain 1-35
1.21 Frequency Response 1-36
Summary 1-37
Solved Examples 1-38
Additional Solved Problems 1-47
Essay-type Questions 1-59
Fill in the Blanks 1-59
Problems 1-60
Self-assessment questions 1-62
Assignment 1-64
Unsolved Problems 1-64
2. OP-AMP APPLICATIONS 2-1
2.1 Op-amp Circuits 2-1
2.2 Op-amp for Voltage and Current Measurements 2-2
2.3 Measurement of DC Voltage 2-2
2.4 Measurement of DC Current 2-4
2.5 AC Measurement 2-5
2.6 Op-amp Reference Voltage Source 2-6
2.7 Op-amp Half-Wave Rectifier (HWR) Circuit 2-7
Contents vii
2.8 Op-amp Full-Wave Rectifier 2-9
2.9 Linear Rectifier 2-10
2.10 Logarithmic Amplifier 2-11
2.11 Antilogarithmic Amplifier 2-12
2.12 Log Multipliers 2-15
2.13 Schmitt Trigger 2-16
2.13.1 Speed-Up Capacitor 2-17
2.13.2 Negative Feedback in Schmitt Trigger 2-17
2.14 Logarithmic Voltmeters 2-17
2.14.1 Principle 2-17
2.15 Texas Instruments TL441C IC 2-19
2.16 Offset Voltage-Compensating Design 2-20
2.17 Operational Amplifier Clipper Circuits 2-22
2.18 Operational Amplifier Function Generator 2-23
2.18.1 Schmitt Trigger 2-25
2.18.2 Rectangular-to-Triangular Waveform Conversion 2-26
2.19 Differential Voltage-to-Current Converter or Constant
Current Source with Grounded Lead 2-28
2.20 Constant High-Current Source, Grounded Lead Circuit 2-29
2.21 Instrumentation Amplifiers: Op-amp Applications 2-30
2.22 Analysis 2-31
2.23 Sample-and-Hold Circuits 2-33
2.24 Terminology 2-34
2.24.1 Acquisition Time 2-34
2.24.2 Aperture Time 2-35
2.24.3 Holding Time 2-35
2.25 Constant-Amplitude Phase Shifter 2-36
2.26 Voltage Series Feedback 2-37
2.27 Voltage-Shunt Feedback 2-37
2.28 Zero-Crossing Detectors (Comparators) 2-37
2.28.1 Non-Inverting Zero-Crossing Detector 2-37
2.28.2 Inverting Zero-Crossing Detector 2-38
2.28.3 Level-Detector Circuits 2-38
2.28.4 Inverting Positive-Level Detector 2-40
2.28.5 Negative-Level Detector (Non-inverting) 2-41
2.28.6 Negative-Level Detector (Inverting) 2-41
2.29 Op-amp Schmitt Trigger Circuit 2-41
2.30 Astable Multivibrator Using Op-amp 2-44
2.31 Op-amp Monostable Multivibrator 2-47
2.31.1 Op-amp Monostable Multivibrator Circuit 2-49
2.32 IC Monostable Multivibrator 2-51
2.33 Bistable Multivibrator with Op-amps 2-52
2.34 Gyrator 2-53
2.35 Waveform Generator IC 8038 2-56
2.36 V/I Converter 2-58
2.37 Bridge Amplifiers 2-58
2.38 Resistance Bridge 2-59
2.39 Dead-Zone with Positive and Negative Outputs 2-60
viii Contents
2.39.1 Dead-zone Circuit with Positive Output 2-60
2.40 Signal Polarity Separator 2-62
2.41 Charge Amplifier 2-65
Summary 2-66
Additional Solved Problems 2-67
Essay-type Questions 2-93
Fill in the Blanks 2-93
Unsolved Problems 2-93
3. ACTIVE FILTERS AND OSCILLATORS 3-1
3.1 Classification of Filters 3-1
3.2 Active Filters 3-2
3.2.1 Types of Active Filter Circuits 3-2
3.2.2 Advantages of Active Filter Circuits 3-3
3.2.3 Disadvantages of Active Filter Circuits 3-3
3.3 Passive Filters 3-3
3.3.1 Advantages of Passive Filter Circuits 3-3
3.3.2 Disadvantages of Passive Filter Circuits 3-3
3.4 Low-Pass Network (Passive Filter Circuit) 3-4
3.5 High-Pass Network (Passive Filter Circuit) 3-4
3.6 Notch Filter or BRF 3-5
3.7 Band-Pass Filter 3-6
3.8 Low-Pass Filter 3-6
3.8.1 First-Order Active LPF 3-6
3.9 High-Pass Filter 3-7
3.9.1 First-Order Active HPF 3-7
3.9.2 Second-Order LPF 3-7
3.9.3 Fourth-Order Active LPF 3-9
3.9.4 First-Order LPF Circuit 3-10
3.10 Sallen and Key Circuit 3-11
3.10.1 Second-Order Active LPF (Sallen and Key Circuit) 3-11
3.10.2 Third-Order Active LPF (Sallen and Key Circuit) 3-14
3.11 General Expression for Second-Order HPF 3-14
3.11.1 Second-Order Active HPFs (Sallen and Key Circuits) 3-14
3.12 Band-Reject Filter 3-16
3.12.1 Band-Reject Filters 3-17
3.13 Active Resonant BPF 3-17
3.14 Electrothermal (ETC) Filters: (ETH Filters) or Electrothermal Resistance and
Capacitance Filters 3-22
3.14.1 First-Order HPF 3-23
3.14.2 Second-Order HPF 3-24
3.15 Classification of Filters Based on Characteristics 3-24
3.16 Butterworth Filters 3-25
3.17 Chebyshev Filters 3-26
3.18 Bessel Filters 3-27
3.19 Elliptic Filters 3-28
3.20 All-Pass Filters 3-28
Contents ix
3.21 Resonant BPF Circuit with R and C Interchanged 3-40
3 1
3.22 Op-amp Oscillator Circuits 3-41
3.22.1 RC Phase Shift Oscillator 3-41
3.23 Window Detector or Discriminator 3-42
3.24 Op-amp Wien Bridge Oscillator 3-43
3.25 Switched Capacitor 3-43
3.25.1 Switched Capacitor Integrator 3-46
3.25.2 Stray Insensitive Integrator 3-47
3.25.3 First-Order Switched Capacitor Filter 3-48
3.25.4 Second-Order Switched Capacitor Filter 3-50
3.26 Analog Switches 3-52
3.26.1 Multiplexers 3-55
3.26.2 Multiplexer with MOSFET Switches 3-55
3.26.3 Multiplexer with JFET Switches 3-56
3.26.4 Multi-tiered Multiplexing 3-57
3.27 Line Drivers 3-58
3.27.1 Line-Driving Amplifier 3-58
3.27.2 Line Drivers and Receivers 3-62
3.27.3 Multiplexer Circuit Principle 3-63
3.27.4 Analog Switches 3-63
Summary 3-64
Additional Solved Problems 3-64
Essay-type Questions 3-75
Fill in the Blanks 3-75
Unsolved Problems 3-76
4. TIMER AND PHASE-LOCKED LOOP ICs 4-1
4.1 NE555 Timer 4-1
4.1.1 NE 555 as ASTABLE Multivibrator 4-3
4.1.2 NE 555 Astable with 50% Duty Cycle 4-5
4.1.3 NE 555 as Monostable Multivibrator 4-6
4.1.4 Specifications of NE 555 4-8
4.1.5 NE 555 Monostable Multi Applications 4-8
4.1.6 Pulse Stretcher 4-9
4.1.7 Pin Configuration Functions of 555 4-9
4.2 Phase-Locked Loop 4-10
4.2.1 Applications 4-10
4.2.2 PLL Building Blocks 4-11
4.2.3 VCO Characteristics 4-11
4.2.4 Block Diagram of PLL 4-12
4.2.5 VCO Applications 4-12
4.2.6 Mechanical Analogy 4-13
4.2.7 Frequency Shift Keying 4-14
4.2.8 PLL Terminology 4-14
4.2.9 VCO Conversion Gain (K) 4-14
0
4.2.10 AM Receiver Using PLL 4-15
4.2.11 NE/SE 565 PLL Block Diagram 4-17