Electronic Design

Fra konsept til virkelighet

Electronic Design

Fra konsept til virkelighet
Elektronisk design - fra konsept til virkelighet, 4th elektronisk utgave

Elektronisk design - fra konsept til virkelighet
Av Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter og William R. Wieserman
4th Elektronisk utgave

Denne utmerkede boken gir ingeniørstuderende og praktiserer fagfolk fra det 21ste århundre de nødvendige verktøyene for å analysere og designe effektive elektroniske kretser og systemer. Den inneholder mange kretseksempler som nå er tilgjengelige i TINA med et museklikk fra den elektroniske utgaven av boka utgitt av DesignSoft.

INNHOLDSFORTEGNELSE

Kapittel 1: GRUNNLEGGENDE BEGRENSNINGER

Kapittel 2: IDEAL OPERATIONAL AMPLIFIERS

Kapittel 3: SEMICONDUCTOR DIODE CIRCUIT ANALYSE

Kapittel 4: BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR CIRCUITS

Kapittel 5: BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR FORSTYRERE

Kapittel 6: FIELD-EFFECT TRANSISTOR AMPLIFIERS

Kapittel 7: BIAS STABILITET AV TRANSISTORFORSTYRERE

Kapittel 8: STRØMFORSTERKERE OG STRØMFORSYNING

Kapittel 9: PRAKTISK OPERASJONSFORSTYRERE

Kapittel 10: FREQUENCY BEHAVIOR OF TRANSISTOR AMPLIFIERS

Kapittel 11: FEEDBACK OG STABILITET

Kapittel 12: AKTIVE FILTER

Kapittel 13: QUASI-LINEAR CIRCUITS

Kapittel 14: PULSED WAVEFORMS OG TIMING CIRCUITS

Kapittel 15: DIGITALE LOGISKE FAMILIER

Kapittel 16: DIGITAL INTEGRERTE KRINGER

KAPITTEL 1 - GRUNNLEGGENDE BEGRENSNINGER
1.0 Innledning
1.1 History, 1
1.2 Solid State Circuit Modeller, 3
1.3 lineære og ikke-lineære kretselementer, 4
1.4 Analog vs Digital Signals, 6
1.5 Avhengige Kilder, 7
1.6 Frekvenseffekter, 8
1.7 analyse og design, 10
1.7.1 Sammenligning av design og analyse, 10
1.7.2 Opprinnelse til designkrav, 10
1.7.3 Hva betyr "Open-Ended" og "Trade Off" Mean ?, 11
1.8 Computer Simulations, 13
1.9-komponenter i designprosessen, 14
1.9.1 prinsipper for design, 15
1.9.2 Problemdefinisjon, 16
1.9.3 Deler opp problemet, 17
1.9.4-dokumentasjon, 17
1.9.5 Det skjematiske diagrammet, 18
1.9.6 Delelisten, 18
1.9.7 Running Lists og annen dokumentasjon, 19
1.9.8 Bruke Dokumenter, 20
1.9.9 Design sjekkliste, 20
1.9.10 Prototyping Circuit, 21
Oppsummering, 23
KAPITTEL 2 - IDEAL OPERATIONAL FORSTYRERE
2.0 Introduksjon, 24
2.1 Ideal Op-Amps, 25
2.1.1 Avhengige Kilder, 25
2.1.2 Operational Amplifier Equivalent Circuit, 27
2.1.3-analysemetode, 30
2.2 Inverteringsforsterkeren, 30
2.3 Den ikke-inverterende forsterkeren, 33
2.4 Input Resistance of Op-Amp-kretser, 41
2.5 Kombinert invertering og ikke-inverterende innganger, 44
2.6 Design av Op-Amp-kretser, 46
2.7 Andre Op-Amp-applikasjoner, 52
2.7.1 Negative Impedance Circuit, 52
2.7.2 Avhengige Strøm Generator, 53
2.7.3 Current-to-Voltage Converter, 54
2.7.4 Spenning-til-Strøm-omformer, 55
2.7.5 inverterende forsterker med impedanser, 56
2.7.6 Analog Computer Applications, 57
2.7.7 ikke-inverterende Miller Integrator, 59
Oppsummering, 60
Problemer, 60
KAPITTEL 3 - SEMICONDUCTOR DIODE CIRCUIT ANALYSE
3.0 Introduksjon, 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 Generering og Rekombinering av elektroner og hull, 78
3.1.5 Doped Halvledere, 79
3.1.6 n-type Semiconductor, 80
3.1.7 p-type Semiconductor, 80
3.1.8 Carrier Concentrations, 80
3.1.9 Overflødig bærere, 82
3.1.10 Rekombinasjon og Generering av overskytende bærere, 82
3.1.11 Transport av elektrisk strøm, 83
3.1.12 diffusjon av 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 mellom Diodestrøm og Diodespenning, 90
3.2.3 Diode Operation, 92
3.2.4 Temperatur Effekter, 93
3.2.5 Diode Equivalent Circuit Models, 95
3.2.6 Diode Circuit Analysis, 96
Grafisk analyse, 96
Stykke-lineær tilnærming, 99
3.2.7 Power Handling Capability, 103
3.2.8 Diode Kapasitans, 104
3.3-korreksjon, 104
3.3.1 Half-Wave Correction, 105
3.3.2 Full-Wave Correction, 106
3.3.3 filtrering, 107
3.3.4 Spenningsdoblingskrets, 110
3.4 Zener Diodes, 112
3.4.1 Zener Regulator, 113
3.4.2 Practical Zener Diodes and Procent Regulation, 117
3.5 Clippers og Clampers, 119
3.5.1 Clippers, 119
3.5.2 Clampers, 124
3.6 Op-Amp-kretser som inneholder dioder, 127
3.7 Alternative typer dioder, 129
3.7.1 Schottky Diodes, 129
3.7.2 lysemitterende dioder (LED), 130
3.7.3 Photo Diodes, 131
3.8 Produsentens spesifikasjoner, 132
Oppsummering, 133
Problemer, 134
KAPITTEL 4 - BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR CIRCUITS
4.0 Introduksjon, 149
4.1 struktur av bipolare transistorer, 149
4.2 stor signal BJT modell, 153
4.3-avledning av små signaler ac Modeller, 154
4.4 To-Port Small Signal ac Modeller, 156
4.5 karakteristiske kurver, 158
4.6 produsenters dataark for BJTs, 160
4.7 BJT-modeller for datasimuleringer, 161
4.8 en-trinns forsterker konfigurasjoner, 164
4.9-forkobling av engangsforsterkere, 166
4.10 Power Considerations, 169
4.10.1-avledning av kraftekvasjoner, 170
4.11 analyse og design av spenningsforsterker Bias kretser, 172
4.11.1 analyseprosedyre, 172
4.11.2 Design Prosedyre, 177
4.11.3 forsterker strømkilder, 183
4.11.4 utvalg av komponenter, 184
4.12 analyse og design av nåværende forsterker Bias kretser, 184
4.13 nonlinearities av bipolære krysstransistorer188
4.14 On-Off Egenskaper for BJT-kretser, 190
4.15 Integrated Circuit Fabrication, 192
4.15.1 Transistor og Diodes, 192
4.15.2 Resistors, 193
4.15.3 kondensatorer, 193
4.15.4 Lateral Transistor, 194
Oppsummering, 194
Problemer, 195

KAPITTEL 5 - BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR FORSTYRERE
5.0 Introduksjon, 207
5.1 Common-Emitter Forsterker, 208
5.1.1 Gain Impedance Formula, 208
5.1.2 Input Resistance, Rin, 209
5.1.3 nåværende gevinst, Ai, 210
5.1.4 Spenningsforbedring, Av, 210
5.1.5 Output Resistance, Ro, 211
5.2. Common-Emitter med Emitter Resistor (Emitter-Motistor Forsterker), 213
5.2.1 Input Resistance, Rin, 213
5.2.2 nåværende gevinst, Ai, 215
5.2.3 Spenningsforbedring, Av, 215
5.2.4 Output Resistance, Ro, 215
5.3 Common-Collector (Emitter-Follower) Forsterker, 224
5.3.1 Input Resistance, Rin, 224
5.3.2 nåværende gevinst, Ai, 225
5.3.3 Spenningsforbedring, Av, 225
5.3.4 Output Resistance, Ro, 226
5.4 Common-Base forsterker, 230
5.4.1 Input Resistance, Rin, 231
5.4.2 nåværende gevinst, Ai, 231
5.4.3 Spenningsforbedring, Av, 232
5.4.4 Output Resistance, Ro, 232
5.5 Transistorforsterkerprogrammer, 236
5.6 Phase Splitter, 237
5.7 forsterkerkobling, 238
5.7.1 Kapasitiv Kobling, 238
5.7.2 Direct Coupling, 238
5.7.3 Transformer Coupling, 241
5.7.4 optisk kopling, 243
5.8 multistage forsterker analyse, 245
5.9 Cascode Configuration, 250
5.10 Aktuelle kilder og aktive belastninger, 252
5.10.1 En enkel nåværende kilde, 252
5.10.2 Widlar Nåværende Kilde, 253
5.10.3 Wilson Current Source, 256
5.10.4 flere strømkilder som bruker nåværende speil, 258
Oppsummering, 259
Problemer, 262
KAPITTEL 6 - Felt-EFFEKT TRANSISTORFORSTYRERE
6.0 Introduksjon, 277
6.1 Fordeler og ulemper med FET, 278
6.2 Metal-Oxid Semiconductor FET (MOSFET), 279
6.2.1 Enhancement-Mode MOSFET Terminal Egenskaper, 281
6.2.2 Depletion-Mode MOSFET, 284
6.2.3 Large-Signal Equivalent Circuit, 287
6.2.4 Small Signal Model av MOSFET, 287
6.3 Junction Field Effect Transistor (JFET), 290
6.3.1 JFET Gate-to-Source spenningsvariasjon, 293
6.3.2 JFET Transfer Egenskaper, 293
6.3.3 JFET Small Signal ac Modell, 296
6.4 FET forsterker konfigurasjoner og biasing, 299
6.4.1 Diskret-komponent 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 av MOSFET til JFET, 306
6.7 FET-modeller for datasimuleringer, 308
6.8 FET forsterkere - Canonical Configurations, 312
6.9 FET forsterker analyse, 314
6.9.1 CS (og Source Resistor) forsterker, 314
6.9.2 CG-forsterkeren, 319
6.9.3 CD (SF) forsterker, 323
6.10 FET forsterker design, 326
6.10.1 CS forsterker, 326
6.10.2 CD-forsterkeren, 336
6.10.3 SF Bootstrap Forsterker, 340
6.11 Andre enheter, 343
6.11.1 Metal Semiconductor Barrier Junction Transistor, 343
6.11.2 VMOSFET, 344
6.10.3 Andre MOS-enheter, 344
Oppsummering, 345
Problemer, 346
KAPITTEL 7 - BIAS STABILITET AV TRANSISTORFORSTYRERE
7.0 Introduksjon, 358
7.1 Typer av biasing, 358
7.1.1 Aktuell tilbakemelding, 359
7.1.2 spenning og strømforspenning, 360
7.2 Effekter av Parameterendringer - Bias Stabilitet, 362
7.2.1 CE-konfigurasjon, 363
7.2.2 EF-konfigurasjon, 369
7.3 Diode Compensation, 372
7.4 Design for BJT forsterker Bias Stability, 374
7.5 FET-temperatureffekter, 375
7.6 redusere temperaturvariasjoner, 377
Oppsummering, 379
Problemer, 380

KAPITTEL 8 - STRØMFORSTERKERE OG STRØMFORSYNING

8.0 Introduksjon, 384
8.1 Klasser av forsterkere, 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 Strømforsterkerkretser - Klasse-A-drift, 389
8.2.1 induktivt koblet forsterker, 389
8.2.2 Transformer-koblet kraftforsterker, 391
8.3 Strømforsterkerkretser - Klasse B-drift, 395
8.3.1 Komplementær Symmetry Class-B og -AB Power Amplifier, 395
8.3.2 diode-kompensert komplementær-symmetri klasse B-effektforsterker (CSDC), 398
8.3.3 Kraftberegninger for Klasse B Push-Pull Amplifier, 401
8.4 Darlington Circuit, 408
8.5 strømforsyning ved hjelp av strømtransistorer, 413
8.5.1 strømforsyning ved hjelp av diskrete komponenter, 413
8.5.2 Strømforsyning Ved hjelp av IC Regulator (Tre-Terminal Regulator), 417
8.5.3 strømforsyning ved hjelp av tre-terminal justerbar regulator, 421
8.5.4 høyere strømregulator, 422
8.6 Switching Regulators, 423
8.6.1 Effektivitet for bytteregulatorer, 425
Oppsummering, 425
Problemer, 426

KAPITTEL 9 - PRAKTISK OPERASJONSPROGRAMMER
9.0 Introduksjon, 437
9.1 Differensialforsterkere, 438
9.1.1 dc Overfør Egenskaper, 438
9.1.2 Common-Mode og Differential-Mode gevinster, 439
9.1.3 differensialforsterker med konstant strømkilde, 442
9.1.4 Differensialforsterker med enkeltsidig inngang og utgang, 445
9.2 Level Shifters, 451
9.3 Den typiske Op-Amp, 454
9.3.1 Emballasje, 455
9.3.2 Power Requirements, 456
9.3.3 741 Op-Amp, 456
Bias kretser, 457
Kortslutning, 457
Inngangstrinn, 458
Mellomstadiet, 458
Utgangstrinn, 458
9.4 Produsentens spesifikasjoner, 459
9.5 Praktiske Op-Amps, 459
9.5.1 Open-Loop Voltage Gain (G), 460
9.5.2 Modifisert Op-Amp-modell, 461
9.5.3 Input Offset Spenning (Vio), 461
9.5.4 Input Bias Current (Ibias), 463
9.5.5 Common-Mode-avvisning, 467
9.5.6 Strømforsyningsforhold, 467
9.5.7 Output Resistance, 468
9.6-datasimulering av op-amp-kretser, 471
9.7 ikke-inverterende forsterker, 473
9.7.1 Input og Output Resistance, 473
9.7.2 Spenningsforbedring, 475
9.7.3-flerinngangsforsterker, 478
9.8 inverterende forsterker, 479
9.8.1 Input og Output Resistance, 479
9.8.2 Spenningsforbedring, 480
9.8.3 flere inngangsforsterkere, 482
9.9 Differensial Summing, 485
9.10 forsterkere med balansert innganger eller utganger, 489
9.11-kobling mellom flere innganger, 492
9.12 Power Audio Op-Amps, 493
9.12.1 Bridge Power Op-Amp, 494
9.12.2 Intercom, 495
Oppsummering, 496
Problemer, 496
KAPITTEL 10 - FREQUENCY BEHAVIOR OF TRANSISTOR AMPLIFIERS
10.0 Introduksjon, 509
10.1 lavfrekvensrespons av forsterkere, 513
10.1.1 lavfrekvensrespons av emitter-motstand forsterker, 513
10.1.2 Design for en gitt frekvens karakteristikk, 518
10.1.3 lavfrekvensrespons av felles-emitterforsterker, 522
10.1.4 lavfrekvensrespons av fellesforsterker, 525
10.1.5 lavfrekvensrespons av common-base forsterker, 528
10.1.6 lavfrekvensrespons av emitter-følgerforsterker, 529
10.1.7 lavfrekvensrespons av Source-Follower forsterker, 530
10.2 High-Frequency Transistor Modeller, 532
10.2.1 Miller Theorem, 533
10.2.2 High-Frequency BJT-modell, 534
10.2.3 High-Frequency FET-modell, 537
10.3 høyfrekvensrespons av forsterkere, 538
10.3.1 høyfrekvensrespons av felles-emitterforsterker, 538
10.3.2 høyfrekvensrespons av fellesforsterker, 542
10.3.3 høyfrekvensrespons av common-base forsterker, 544
10.3.4 høyfrekvensrespons av emitter-følgerforsterker, 546
10.3.5 høyfrekvensrespons av Common-Drain (SF) forsterker, 548
10.3.6 Cascode Forsterkere, 549
10.4 høyfrekvent forsterker design, 550
10.5 Frekvensrespons av Op-Amp-kretser, 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 forsterkere ved hjelp av flere op-forsterkere, 560
10.5.5 101 forsterker, 567
Oppsummering, 570
Problemer, 571
KAPITTEL 11 - FEEDBACK OG STABILITET
11.0 Introduksjon, 585
11.1 Feedback Forsterker Betraktninger, 586
11.2 Typer Tilbakemelding, 587
11.3 Feedback Forsterkere, 588
11.3.1 gjeldende tilbakemelding - Spennings Subtraksjon for diskrete forsterkere, 588
11.3.2 Spennings Feedback - Nåværende Subtraksjon for Diskrete Forsterkere, 592
11.4 Multistage Feedback Forsterkere, 594
11.5 tilbakemelding i operasjonsforsterkere, 595
11.6 Stabilitet av Feedback Forsterkere, 599
11.6.1 systemstabilitet og frekvensrespons, 601
11.6.2 Bode-plott og systemstabilitet, 605
11.7 Frekvensrespons - Feedbackforsterker, 610
11.7.1 Single-Pole forsterker, 610
11.7.2 topolig forsterker, 611
11.8 Design av en trepolig forsterker med blyutjevner, 617
11.9 Phase-Lag Equalizer, 623
11.10 Effekter av kapasitiv lasting, 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
Oppsummering, 631
Problemer, 633
KAPITTEL 12 - AKTIVE FILTER
12.0 Introduksjon, 641
12.1 integratorer og differensiatorer, 641
12.2 Active Network Design, 645
12.3 Active Filters, 648
12.3.1-filteregenskaper og klassifisering, 649
12.3.2 First-Order Active Filters, 655
12.4 Enforsterker - Generell 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 av Butterworth og Chebyshev Filtre, 676
12.7.1 Lavpassfilterdesign, 677
12.7.2 Filter Order, 677
12.7.3 Parameter Scale Factor, 680
12.7.4 høypassfilter, 688
12.7.5 Band-Pass og Band-Stop Filter Design, 690
12.8 Integrated Circuit Filters, 694
12.8.1 Switched-Capacitor Filters, 695
12.8.2 Sixth-Order Switched-Capacitor Butterworth Lavpassfilter, 697
12.9 avsluttende merknader, 699
Oppsummering, 699
Problemer, 700
KAPITTEL 13 - KVASI-LINEAR CIRCUITS
13.0 Introduksjon, 706
13.1-likerettere, 706
13.2 Feedback Limiters, 717
13.3-komparatorer, 731
13.4 Schmitt Triggers, 735
13.4.1 Schmitt utløser med grenser, 738
13.4.2 Integrated Circuit Schmitt Trigger, 744
13.5-konvertering mellom analog og digital, 746
13.5.1 Digital-til-Analog Converter, 746
13.5.2 Analog-til-Digital Converter, 747
Oppsummering, 751
Problemer, 752

KAPITTEL 14 - PULSED WAVEFORMS OG TIMING CIRCUITS
14.0 Introduksjon, 760
14.1 High-Pass RC Nettverk, 762
14.1.1 Steady State Response av High-Pass Network til Pulse Train, 766
14.2 Steady State Response Low-Pass RC Nettverk til Pulse Train, 771
14.3 Diodes, 777
14.3.1 Steady State Response of 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 en monostabel krets, 794
Oppsummering, 796
Problemer, 797

KAPITTEL 15 - DIGITALE LOGISKE FAMILIER
15.0 Introduksjon, 805
15.1 Basic Concepts of Digital Logic, 805
15.1.1 State Definitions - Positive og Negative Logic, 806
15.1.2 Time-Independent eller Unlocked Logic, 807
15.1.3 Time-Dependent eller Clocked Logic, 807
15.1.4 Elementary Logic Funksjoner, 807
15.1.5 Boolean Algebra, 811
15.2 IC Konstruksjon og pakking, 812
15.3 Praktiske Betraktninger i Digital Design, 814
15.4 Digital Circuit Egenskaper av BJTs, 817
15.5 Bipolar Logic Families, 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 Egenskaper av FET, 835
15.8.1 The nKanalforbedring MOSFET, 835
15.8.2 The p-Kanalforbedring MOSFET, 835
15.9 FET Transistor Families, 836
15.9.1 n-Cannel MOS, 836
15.9.2 p-Cannel MOS, 836
15.10 komplementær MOS (CMOS), 837
15.10.1 CMOS Analog Switch, 841
15.10.2 CMOS Enhetsoppføringer og bruksregler, 843
15.11-sammenligning av logiske familier, 845
Oppsummering, 847
Problemer, 848

KAPITTEL 16 - DIGITAL INTEGRERTE KRINGER
16.0 Introduksjon, 856
16.1 dekodere og kodere, 857
16.1.1 Datavelger / Multiplexer, 860
16.1.2-tastaturkodere / dekodere, 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 Latches and Memories, 875
16.3.3 Shift Registers, 877
16.4 tellere, 879
16.4.1 Frequency Measurement, 886
16.5 klokker, 889
16.5.1 spenningsstyrt oscillator, 889
16.6-minner, 892
16.6.1 serieminner, 892
16.6.2 Random Access Memory (RAM), 895
16.6.3 ROM og PROM, 896
16.6.4 EPROM, 897
16.7 flere komplekse kretser, 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 Introduksjon til problemer, 903
16.9.1 Generering Tilfeldige Tall, 904
16.9.2-måling av mekanisk vinkelhastighet, 904
16.9.3 Hall-Effect Switch, 905
16.9.4 Bruk av Timing Windows, 906
16.10 avsluttende merknader, 907
Problemer, 908

VEDLEGG
A. Micro-Cap og SPICE, 929
B. Standard komponentverdier, 944
C. Produsenters dataark, 946
D. Svar på utvalgte problemer, 985