Electronic Design

Fra koncept til virkelighed

Electronic Design

Fra koncept til virkelighed
Elektronisk design - fra koncept til virkelighed, 4th elektronisk udgave

Elektronisk design - fra koncept til virkelighed
Af Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter og William R. Wieserman
4th Electronic edition

Denne fremragende bog giver ingeniørstuderende og praktiserer fagfolk fra det 21 århundrede de nødvendige værktøjer til at analysere og designe effektive elektroniske kredsløb og systemer. Den indeholder mange kredsløbseksempler, som nu er tilgængelige i TINA med et klik med musen fra den elektroniske udgave af bogen udgivet af DesignSoft.

INDHOLDSFORTEGNELSE

Kapitel 1: GRUNDLÆGGENDE BEGRÆNSNINGER

Kapitel 2: IDEAL OPERATIONAL FORSTÆRKERE

Kapitel 3: SEMICONDUCTOR DIODE CIRCUIT ANALYSE

Kapitel 4: BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR CIRCUITS

Kapitel 5: BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR FORSTÆRKERE

Kapitel 6: FIELD-EFFECT TRANSISTOR AMPLIFIERS

Kapitel 7: BIAS STABILITET FOR TRANSISTORFORSTÆRKERE

Kapitel 8: STRØMFORSTERKERE OG STRØMFORSYNING

Kapitel 9: PRAKTISKE OPERATIONALE FORSTYRERE

Kapitel 10: FREQUENCY BEHAVIOR OF TRANSISTOR AMPLIFIERS

Kapitel 11: FEEDBACK OG STABILITET

Kapitel 12: AKTIVE FILTER

Kapitel 13: QUASI-LINEAR CIRCUITS

Kapitel 14: PULSED WAVEFORMS OG TIMING CIRCUITS

Kapitel 15: DIGITALE LOGISKE FAMILIER

Kapitel 16: DIGITAL INTEGREREDE KRINGER

KAPITEL 1 - GRUNDLÆGGENDE BEGRÆNSNINGER
1.0 Indledning
1.1 History, 1
1.2 Solid State Circuit Modeller, 3
1.3 lineære og ikke-lineære kredsløbselementer, 4
1.4 Analog vs Digital Signals, 6
1.5 afhængige kilder, 7
1.6 Frekvenseffekter, 8
1.7 Analyse og Design, 10
1.7.1 Sammenligning af Design og Analyse, 10
1.7.2 Oprindelse Krav Design, 10
1.7.3 Hvad betyder "Open-Ended" og "Trade Off"? 11
1.8 Computer Simulations, 13
1.9-komponenter i designprocessen, 14
1.9.1 Principper for Design, 15
1.9.2 Problem Definition, 16
1.9.3 opdele problemet, 17
1.9.4-dokumentation, 17
1.9.5 Det skematiske diagram, 18
1.9.6 Dele listen, 18
1.9.7 Running Lists og anden dokumentation, 19
1.9.8 Brug af dokumenter, 20
1.9.9 Design Checkliste, 20
1.9.10 Prototyping Circuit, 21
Sammenfatning, 23
KAPITEL 2 - IDEEL OPERATIONALE FORSTYRERE
2.0 Introduktion, 24
2.1 Ideal Op-Amps, 25
2.1.1 afhængige kilder, 25
2.1.2 Operationsforstærker Equivalent Circuit, 27
2.1.3-analysemetode, 30
2.2 Den omvendte forstærker, 30
2.3 Den ikke-inverterende forstærker, 33
2.4 Input Resistance of Op-Amp Circuits, 41
2.5 kombineret inverterende og ikke-inverterende indgange, 44
2.6 Design af Op-Amp-kredsløb, 46
2.7 Andre Op-Amp-applikationer, 52
2.7.1 Negative Impedance Circuit, 52
2.7.2 afhængig strømgenerator, 53
2.7.3 Current-to-Voltage Converter, 54
2.7.4 Spænding til Strøm Omformer, 55
2.7.5 inverterende forstærker med impedanser, 56
2.7.6 Analog Computer Applications, 57
2.7.7 ikke-inverterende Miller Integrator, 59
Sammenfatning, 60
Problemer, 60
KAPITEL 3 - SEMICONDUCTOR DIODE CIRCUIT ANALYSE
3.0 Introduktion, 70
3.1 Theory of Semiconductors, 71
3.1.1-ledning i materialer, 73
3.1.2-ledning i halvledermaterialer, 75
3.1.3 krystallinsk struktur, 76
3.1.4 Generation and Recombination of Electrons and Holes, 78
3.1.5 Doped Halvledere, 79
3.1.6 n-type Semiconductor, 80
3.1.7 p-type Semiconductor, 80
3.1.8-bærerkoncentrationer, 80
3.1.9 overskydende bærere, 82
3.1.10-rekombination og generering af overskydende bærere, 82
3.1.11 Transport af elektrisk strøm, 83
3.1.12 diffusion af bærere, 83
3.1.13 Drift i et elektrisk felt, 84
3.2 Semiconductor Diodes, 87
3.2.1 Diode Construction, 89
3.2.2 Forholdet mellem Diode Current og Diode Voltage, 90
3.2.3 Diode Operation, 92
3.2.4 Temperatur Effects, 93
3.2.5 Diode Equivalent Circuit Models, 95
3.2.6 Diode Circuit Analysis, 96
Grafisk analyse, 96
Stykke-lineær tilnærmelse, 99
3.2.7 Power Handling Capability, 103
3.2.8 Diode Kapacitans, 104
3.3-korrektion, 104
3.3.1 Half-Wave Correction, 105
3.3.2 Full-Wave Correction, 106
3.3.3 filtrering, 107
3.3.4 Spænding Doubling Circuit, 110
3.4 Zener Diodes, 112
3.4.1 Zener Regulator, 113
3.4.2 Practical Zener Diodes and Percent Regulation, 117
3.5 Clippers og Clampers, 119
3.5.1 Clippers, 119
3.5.2 Clampers, 124
3.6 Op-Amp-kredsløb med dioder, 127
3.7 Alternative typer af dioder, 129
3.7.1 Schottky Diodes, 129
3.7.2 lysemitterende dioder (LED), 130
3.7.3 Photo Diodes, 131
3.8 Producenters Specifikationer, 132
Sammenfatning, 133
Problemer, 134
KAPITEL 4 - BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR CIRCUITS
4.0 Introduktion, 149
4.1 struktur af bipolære transistorer, 149
4.2 Large-Signal BJT Model, 153
4.3-afledning af små signaler ac Modeller, 154
4.4 to-ports lille signal ac Modeller, 156
4.5 karakteristiske kurver, 158
4.6 Producenters Datablade til BJT'er, 160
4.7 BJT-modeller til computersimuleringer, 161
4.8 En-Stages Forstærker Konfigurationer, 164
4.9 Biasing of single-stage forstærkere, 166
4.10 Power Overvejelser, 169
4.10.1 Derivation af Power Equations, 170
4.11 Analyse og Design af Spændingsforstærker Bias Circuits, 172
4.11.1-analysemetode, 172
4.11.2 Design Procedure, 177
4.11.3 Forstærker Strømkilder, 183
4.11.4 udvælgelse af komponenter, 184
4.12 analyse og design af nuværende forstærkere Bias kredsløb, 184
4.13 nonlineariteter af bipolære Junction Transistors188
4.14 On-Off-egenskaber ved BJT-kredsløb, 190
4.15 Integrated Circuit Fabrication, 192
4.15.1 Transistor og Dioder, 192
4.15.2-modstande, 193
4.15.3 kondensatorer, 193
4.15.4 Lateral Transistor, 194
Sammenfatning, 194
Problemer, 195

KAPITEL 5 - BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR FORSTÆRKERE
5.0 Introduktion, 207
5.1 Common-Emitter Forstærker, 208
5.1.1 Gain Impedance Formula, 208
5.1.2 Input Resistance, Rin, 209
5.1.3 Nuværende Gevinst, Ai, 210
5.1.4 Spændingsgevinst, Av, 210
5.1.5 Output Resistance, Ro, 211
5.2. Common-Emitter med Emitter Resistor (Emitter-Resistor Forstærker), 213
5.2.1 Input Resistance, Rin, 213
5.2.2 Nuværende Gevinst, Ai, 215
5.2.3 Spændingsgevinst, Av, 215
5.2.4 Output Resistance, Ro, 215
5.3 Common-Collector (Emitter-Follower) Forstærker, 224
5.3.1 Input Resistance, Rin, 224
5.3.2 Nuværende Gevinst, Ai, 225
5.3.3 Spændingsgevinst, Av, 225
5.3.4 Output Resistance, Ro, 226
5.4 Common-Base Forstærker, 230
5.4.1 Input Resistance, Rin, 231
5.4.2 Nuværende Gevinst, Ai, 231
5.4.3 Spændingsgevinst, Av, 232
5.4.4 Output Resistance, Ro, 232
5.5 Transistor Forstærker Applikationer, 236
5.6 Phase Splitter, 237
5.7 forstærkerkobling, 238
5.7.1 Kapacitiv Kobling, 238
5.7.2 Direct Coupling, 238
5.7.3 Transformer Coupling, 241
5.7.4 optisk kobling, 243
5.8 Multistage Forstærker Analyse, 245
5.9 Cascode Configuration, 250
5.10 aktuelle kilder og aktive belastninger, 252
5.10.1 En simpel strømkilde, 252
5.10.2 Widlar Nuværende Kilde, 253
5.10.3 Wilson nuværende kilde, 256
5.10.4 flere aktuelle kilder ved hjælp af aktuelle spejle, 258
Sammenfatning, 259
Problemer, 262
KAPITEL 6 - FIELD-EFFECT TRANSISTOR AMPLIFIERS
6.0 Introduktion, 277
6.1 Fordele og ulemper ved FETs, 278
6.2 Metal-Oxid Semiconductor FET (MOSFET), 279
6.2.1 Enhancement-Mode MOSFET Terminal Egenskaber, 281
6.2.2 Depletion-Mode MOSFET, 284
6.2.3 Large-Signal Equivalent Circuit, 287
6.2.4 Small Signal Model af MOSFET, 287
6.3 Junction Field Effect Transistor (JFET), 290
6.3.1 JFET Gate-to-Source Spændingsvariation, 293
6.3.2 JFET Transfer Egenskaber, 293
6.3.3 JFET Small Signal ac Model, 296
6.4 FET forstærkerkonfigurationer og biasing, 299
6.4.1 Discrete-Component MOSFET Biasing, 299
6.5 MOSFET Integrated Circuits, 302
6.5.1 Biasing of MOSFET Integrated Circuits, 303
6.5.2 Body Effect, 305
6.6 Sammenligning af MOSFET til JFET, 306
6.7 FET-modeller til computersimuleringer, 308
6.8 FET forstærkere - Canonical Configurations, 312
6.9 FET Forstærker Analyse, 314
6.9.1 Forstærkeren CS (og Source Resistor), 314
6.9.2 CG-forstærkeren, 319
6.9.3 CD (SF) Forstærker, 323
6.10 FET Forstærker Design, 326
6.10.1 CS forstærkeren, 326
6.10.2 CD-forstærkeren, 336
6.10.3 SF Bootstrap Forstærker, 340
6.11 Andre enheder, 343
6.11.1 Metal Halvleder Barrier Junction Transistor, 343
6.11.2 VMOSFET, 344
6.10.3 Andre MOS-enheder, 344
Sammenfatning, 345
Problemer, 346
KAPITEL 7 - BIAS STABILITET FOR TRANSISTORFORSTÆRKERE
7.0 Introduktion, 358
7.1 Typer af biasing, 358
7.1.1 Aktuel Feedback Biasing, 359
7.1.2 Spænding og Aktuel Biasing, 360
7.2 Virkninger af Parameterændringer - Bias Stabilitet, 362
7.2.1 CE-konfiguration, 363
7.2.2 EF-konfiguration, 369
7.3 diode kompensation, 372
7.4 Design for BJT Forstærker Bias Stabilitet, 374
7.5 FET-temperatureffekter, 375
7.6 reducerende temperaturvariationer, 377
Sammenfatning, 379
Problemer, 380

KAPITEL 8 - STRØMFORSTERKERE OG STRØMFORSYNING

8.0 Introduktion, 384
8.1 Klasser af Forstærkere, 384
8.1.1 klasse-A-drift, 385
8.1.2 klasse-B drift, 385
8.1.3 klasse-AB drift, 387
8.1.4 klasse-C drift, 388
8.2 Power Amplifier Circuits - Klasse-A Operation, 389
8.2.1 induktivt koblet forstærker, 389
8.2.2 Transformer-koblet strømforstærker, 391
8.3 Power Amplifier Circuits - Klasse B-drift, 395
8.3.1 Supplementary Symmetry Class-B og -AB Power Amplifier, 395
8.3.2 diode-kompenseret komplementær-symmetri klasse-B strømforsyninger (CSDC), 398
8.3.3 Power Beregnelser for Klasse B Push-pull Forstærker, 401
8.4 Darlington Circuit, 408
8.5 strømforsyning ved hjælp af strømtransistorer, 413
8.5.1 strømforsyning ved hjælp af diskrete komponenter, 413
8.5.2 Strømforsyning Brug IC Regulator (Tre-Terminal Regulator), 417
8.5.3 strømforsyning ved hjælp af tre-terminal justerbar regulator, 421
8.5.4 Højere-strømregulator, 422
8.6 Switch Regulators, 423
8.6.1 Effektivitet af Switching Regulators, 425
Sammenfatning, 425
Problemer, 426

KAPITEL 9 - PRAKTISKE OPERATIONALE FORSTYRERE
9.0 Introduktion, 437
9.1 Differentialforstærkere, 438
9.1.1 dc Overfør Egenskaber, 438
9.1.2 Common-Mode og Differential-Mode gevinster, 439
9.1.3 Differential forstærker med konstant strømkilde, 442
9.1.4 Differential forstærker med single-ended input og output, 445
9.2 Level Shifters, 451
9.3 Den Typiske Op-Amp, 454
9.3.1 Emballage, 455
9.3.2 Power Requirements, 456
9.3.3 741 Op-Amp, 456
Bias Circuits, 457
Kortslutningsbeskyttelse, 457
Input Trin, 458
Intermediate Stage, 458
Output Stage, 458
9.4 Producenters Specifikationer, 459
9.5 Practical Op-Amps, 459
9.5.1 Open-Loop Spændingsforøgelse (G), 460
9.5.2 Modificeret Op-Amp Model, 461
9.5.3 Input Offset Spænding (Vio), 461
9.5.4 Input Bias Current (Ibias), 463
9.5.5 Common-Mode-afvisning, 467
9.5.6 Power Supply Refjection Ratio, 467
9.5.7 Output Resistance, 468
9.6-computersimulering af op-amp-kredsløb, 471
9.7 ikke-inverterende forstærker, 473
9.7.1 Input og Output Resistance, 473
9.7.2 Spændingsforbedring, 475
9.7.3 Multiple-Input Forstærker, 478
9.8 Inverterende Forstærker, 479
9.8.1 Input og Output Resistance, 479
9.8.2 Spændingsforbedring, 480
9.8.3 Multiple Input Forstærkere, 482
9.9 Differential Summing, 485
9.10 forstærkere med balancerede indgange eller udgange, 489
9.11-kobling mellem flere indgange, 492
9.12 Power Audio Op-Amps, 493
9.12.1 Bridge Power Op-Amp, 494
9.12.2 Intercom, 495
Sammenfatning, 496
Problemer, 496
KAPITEL 10 - FREQUENCY BEHAVIOR OF TRANSISTOR AMPLIFIERS
10.0 Introduktion, 509
10.1 lavfrekvensrespons af forstærkere, 513
10.1.1 lavfrekvensrespons af emitter-modstand forstærker, 513
10.1.2 Design for en given frekvens karakteristik, 518
10.1.3 lavfrekvensrespons af common-emitter forstærker, 522
10.1.4 lavfrekvensrespons af Common-Source forstærker, 525
10.1.5 lavfrekvensrespons af common-base forstærker, 528
10.1.6 lavfrekvensrespons af emitter-følgerforstærker, 529
10.1.7 lavfrekvensrespons af Source-Follower Amplifier, 530
10.2 High-Frequency Transistor Modeller, 532
10.2.1 Miller Theorem, 533
10.2.2 High-Frequency BJT Model, 534
10.2.3 High-Frequency FET Model, 537
10.3 højfrekvensrespons af forstærkere, 538
10.3.1 højfrekvensrespons af common-emitter forstærker, 538
10.3.2 højfrekvensrespons af forstærker til fællesforstærker, 542
10.3.3 højfrekvensrespons af common-base forstærker, 544
10.3.4 højfrekvensrespons af emitter-følgerforstærker, 546
10.3.5 højfrekvensrespons af Common-Drain (SF) forstærker, 548
10.3.6 Cascode Forstærkere, 549
10.4 højfrekvent forstærker design, 550
10.5 Frekvensrespons af Op-Amp-kredsløb, 550
10.5.1 Open-Loop Op-Amp Response554
10.5.2 Phase Shift, 557
10.5.3 Slew Rate, 557
10.5.4 Designe forstærkere ved hjælp af flere op-forstærkere, 560
10.5.5 101 forstærker, 567
Sammenfatning, 570
Problemer, 571
KAPITEL 11 - FEEDBACK OG STABILITET
11.0 Introduktion, 585
11.1 Feedback Forstærker Overvejelser, 586
11.2 Typer Feedback, 587
11.3 Feedbackforstærkere, 588
11.3.1 Nuværende Tilbagemelding - Spændings Subtraktion for Diskrete Forstærkere, 588
11.3.2 Spændings Feedback - Nuværende Subtraktion for Discrete Forstærkere, 592
11.4 Multistage Feedback Forstærkere, 594
11.5 Feedback i Operationsforstærkere, 595
11.6 Stabilitet for Feedbackforstærkere, 599
11.6.1 systemstabilitet og frekvensrespons, 601
11.6.2 Bode Plots og System Stability, 605
11.7 Frekvensrespons - Feedbackforstærker, 610
11.7.1 single-pol forstærker, 610
11.7.2 topolforstærker, 611
11.8 Design af en trepolet forstærker med bly equalizer, 617
11.9 Phase-Lag Equalizer, 623
11.10 Effekter af kapacitiv indlæsning, 624
11.11 oscillatorer, 625
11.11.1 The Colpitts og Hartley Oscillators, 625
11.11.2 Wien Bridge Oscillator, 626
11.11.3 Phase Shift Oscillator, 628
11.11.4 Crystal Oscillator, 629
11.11.5 Touch-Tone Generator, 631
Sammenfatning, 631
Problemer, 633
KAPITEL 12 - AKTIVE FILTER
12.0 Introduktion, 641
12.1 Integratorer og Differentiatorer, 641
12.2 Active Network Design, 645
12.3 aktive filtre, 648
12.3.1 filteregenskaber og klassificering, 649
12.3.2 First-Order Active Filters, 655
12.4 Enforstærker - Generel Type, 666
12.5 klassiske analoge filtre, 668
12.5.1 Butterworth-filtre, 669
12.5.2 Chebyshev Filtre, 672
12.6 Transformations, 674
12.6.1 Low-Pass til High-Pass Transformation, 674
12.6.2 Low-Pass til Band-Pass Transformation, 675
12.7 Design af Butterworth og Chebyshev Filtre, 676
12.7.1 Lavpasfilterdesign, 677
12.7.2 Filter Order, 677
12.7.3 Parameter Scale Factor, 680
12.7.4 højpasfilter, 688
12.7.5 Band-Pass og Band-Stop Filter Design, 690
12.8 integrerede kredsløbsfiltre, 694
12.8.1 Switched-Capacitor Filters, 695
12.8.2 Sixth-Order Switched-Capacitor Butterworth Lavpasfilter, 697
12.9 afsluttende bemærkninger, 699
Sammenfatning, 699
Problemer, 700
KAPITEL 13 - KVASI-LINEAR CIRCUITS
13.0 Introduktion, 706
13.1 Rectifiers, 706
13.2 Feedback Limiters, 717
13.3-komparatorer, 731
13.4 Schmitt Triggers, 735
13.4.1 Schmitt udløser med grænser, 738
13.4.2 Integrated Circuit Schmitt Trigger, 744
13.5-konvertering mellem analog og digital, 746
13.5.1 Digital-til-Analog Converter, 746
13.5.2 Analog-til-Digital Converter, 747
Sammenfatning, 751
Problemer, 752

KAPITEL 14 - PULSED WAVEFORMS OG TIMING CIRCUITS
14.0 Introduktion, 760
14.1 High-Pass RC Netværk, 762
14.1.1 Steady State Response af High-Pass Network til Pulse Train, 766
14.2 Steady State Response Low-Pass RC Netværk til Pulse Train, 771
14.3 Dioder, 777
14.3.1 Steady State Response af Diode Circuit til Pulse Train, 777
14.4 Trigger Circuits, 781
14.4.1 Pulse Train Response, 782
14.5 555 Timer, 783
14.5.1 Relaxation Oscillator, 784
14.5.2 555 som en oscillator, 787
14.5.3 555 som et monostabelt kredsløb, 794
Sammenfatning, 796
Problemer, 797

KAPITEL 15 - DIGITALE LOGISKE FAMILIER
15.0 Introduktion, 805
15.1 Grundlæggende Concepts of Digital Logic, 805
15.1.1 State Definitioner - Positive og Negative Logic, 806
15.1.2 Time-Independent eller Unclocked Logic, 807
15.1.3 Time-Dependent eller Clocked Logic, 807
15.1.4 Elementære Logiske Funktioner, 807
15.1.5 Boolean Algebra, 811
15.2 IC Konstruktion og Emballage, 812
15.3 Praktiske overvejelser i Digital Design, 814
15.4 Digital Circuit Karakteristik af BJTs, 817
15.5 bipolære logikfamilier, 818
15.6 Transistor-Transistor Logic (TTL), 818
15.6.1 Open Collector Configurations, 820
15.6.2 Active Pull Up, 823
15.6.3 H-TTL og LP-TTL Gates, 828
15.6.4 Schottky TTL Gates, 828
15.6.5 Tri-State Gates, 829
15.6.6 Device Listings, 831
15.7 Emitter-Coupled Logic (ECL), 832
15.7.1 Device Listings, 834
15.8 Digital Circuit Karakteristik af FETs, 835
15.8.1 The n-Kanalforbedring MOSFET, 835
15.8.2 The p-Channel Enhancement MOSFET, 835
15.9 FET Transistor Families, 836
15.9.1 n-Cannel MOS, 836
15.9.2 p-Cannel MOS, 836
15.10-supplerende MOS (CMOS), 837
15.10.1 CMOS Analog Switch, 841
15.10.2 CMOS-enhedsliste og brugsregler, 843
15.11 Sammenligning af Logiske Familier, 845
Sammenfatning, 847
Problemer, 848

KAPITEL 16 - DIGITAL INTEGREREDE KRINGER
16.0 Introduktion, 856
16.1 dekodere og kodere, 857
16.1.1 Data Selector / Multiplexer, 860
16.1.2 Keyboard Encoders / Decoders, 862
16.1.3 Parity Generators / Checkers, 864
16.2-drivere og tilhørende systemer, 864
16.2.1 Liquid Crystal Display (LCD), 867
16.3 Flip-Flops, Latches og Shift Registers, 868
16.3.1 Flip-Flops, 870
16.3.2 låse og hukommelser, 875
16.3.3 Shift Registers, 877
16.4-tællere, 879
16.4.1 Frekvensmåling, 886
16.5 ure, 889
16.5.1 Spændingsstyret Oscillator, 889
16.6 Memories, 892
16.6.1 serienumre, 892
16.6.2 Random Access Memory (RAM), 895
16.6.3 ROM'er og PROM'er, 896
16.6.4 EPROM'er, 897
16.7 mere komplekse kredsløb, 899
16.7.1 Arithmetic Logic Unit (ALU), 899
16.7.2 Full Adders, 900
16.7.3 Look-Ahead Carry Generators, 900
16.7.4 Magnitude Comparator, 902
16.8 Programmerbar Array Logic (PAL), 903
16.9 Introduktion til problemer, 903
16.9.1 Generation Random Numbers, 904
16.9.2 Måling af mekanisk vinkelhastighed, 904
16.9.3 Hall-Effect Switch, 905
16.9.4 Brug af Timing Windows, 906
16.10 afsluttende bemærkninger, 907
Problemer, 908

TILLÆG
A. Micro-Cap og SPICE, 929
B. Standardkomponentværdier, 944
C. Producenters datablade, 946
D. Svar på udvalgte problemer, 985