Electronic Design

Från koncept till verklighet

Electronic Design

Från koncept till verklighet
Elektronisk design - från koncept till verklighet, 4th elektronisk utgåva

Elektronisk design - från koncept till verklighet
Av Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter och William R. Wieserman
4th Electronic edition

Den här utmärkta boken ger ingenjörsstuderande och praktiserar professionella från det 21-talet de nödvändiga verktygen för att analysera och designa effektiva elektroniska kretsar och system. Det innehåller många kretsexemplar som nu finns tillgängliga i TINA med ett klick från musen från den elektroniska utgåvan av den bok som Publiceras av DesignSoft.

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

Kapitel 1: GRUNDLÄGGANDE BEGRÄNSNINGAR

Kapitel 2: IDEAL OPERATIONAL AMPLIFIERS

Kapitel 3: SEMICONDUCTOR DIODE CIRCUIT ANALYS

Kapitel 4: BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR CIRCUITS

Kapitel 5: BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR FÖRSTÄLLARE

Kapitel 6: FIELD-EFFECT TRANSISTOR AMPLIFIERS

Kapitel 7: BIAS STABILITET AV TRANSISTOR FÖRSTÄLLARE

Kapitel 8: POWER AMPLIFIERS OCH STRÖMFÖRSÄKRINGAR

Kapitel 9: PRAKTISKA DRIFTSANVISNINGAR

Kapitel 10: FREQUENCY BEHAVIOR OF TRANSISTOR AMPLIFIERS

Kapitel 11: ÅTERBAKA OCH STABILITET

Kapitel 12: AKTIVA FILTER

Kapitel 13: QUASI-LINEAR CIRCUITS

Kapitel 14: PULSED WAVEFORMS OCH TIMING CIRCUITS

Kapitel 15: DIGITAL LOGIC FAMILIES

Kapitel 16: DIGITAL INTEGRERADE CIRCUITS

KAPITEL 1 - GRUNDLÄGGANDE BEGRÄNSNINGAR
1.0 Inledning
1.1 History, 1
1.2 Solid State Circuit Modeller, 3
1.3 linjära och icke-linjära kretselement, 4
1.4 Analog vs Digital Signals, 6
1.5 Dependent Källor, 7
1.6 Frekvenseffekter, 8
1.7 Analys och Design, 10
1.7.1-jämförelse av design och analys, 10
1.7.2 Ursprung av designkrav, 10
1.7.3 Vad betyder "Open-Ended" och "Trade Off"? 11
1.8-datasimuleringar, 13
1.9-komponenter i designprocessen, 14
1.9.1-principerna för design, 15
1.9.2 Problem Definition, 16
1.9.3 Delar upp problemet, 17
1.9.4-dokumentation, 17
1.9.5 Det schematiska diagrammet, 18
1.9.6 Delningslistan, 18
1.9.7 Running Lists och annan dokumentation, 19
1.9.8 Använda dokument, 20
1.9.9 Design Checklista, 20
1.9.10 Prototyping Circuit, 21
Sammanfattning, 23
KAPITEL 2 - IDEAL OPERATIONAL FÖRSTÄLLARE
2.0 Introduktion, 24
2.1 Ideal Op Amps, 25
2.1.1 Dependent Källor, 25
2.1.2 Operativ Förstärkare Equivalent Circuit, 27
2.1.3 analysmetod, 30
2.2 Den inverterande förstärkaren, 30
2.3 Den icke-inverterande förstärkaren, 33
2.4 Input Resistance of Op-Amp kretsar, 41
2.5 kombinerad inverterande och icke-inverterande ingångar, 44
2.6 Design av Op-Amp-kretsar, 46
2.7 Andra Op-Amp-applikationer, 52
2.7.1 negativ impedanskrets, 52
2.7.2 Beroende strömgenerator, 53
2.7.3 Strömförsörjningsomvandlare, 54
2.7.4 Spänning-till-Strömomvandlare, 55
2.7.5 inverterande förstärkare med impedanser, 56
2.7.6 Analoga Datorapplikationer, 57
2.7.7 Non-Inverting Miller Integrator, 59
Sammanfattning, 60
Problem, 60
KAPITEL 3 - SEMICONDUCTOR DIODE CIRCUIT ANALYS
3.0 Introduktion, 70
3.1 Theory of Semiconductors, 71
3.1.1-ledning i material, 73
3.1.2-ledning i halvledarmaterial, 75
3.1.3 kristallin struktur, 76
3.1.4-generering och rekombination av elektroner och hål, 78
3.1.5-dopade halvledare, 79
3.1.6 n-typ Semiconductor, 80
3.1.7 p-typ Semiconductor, 80
3.1.8 bärare koncentrationer, 80
3.1.9 överflödiga bärare, 82
3.1.10-rekombination och generering av överflödiga bärare, 82
3.1.11 Transport av elektrisk ström, 83
3.1.12-diffusion av bärare, 83
3.1.13-drift i ett elektriskt fält, 84
3.2 Semiconductor Diodes, 87
3.2.1 Diodkonstruktion, 89
3.2.2 Relation mellan Diodström och Diodspänning, 90
3.2.3 Dioddrift, 92
3.2.4-temperatureffekter, 93
3.2.5-diodekvivalenta kretsmodeller, 95
3.2.6-diodkretsanalys, 96
Grafisk analys, 96
Piecewise-Linear Approximation, 99
3.2.7 Power Handling Capability, 103
3.2.8 Diodkapacitans, 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 Spänningsdubblingskrets, 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 och Clampers, 119
3.5.1 Clippers, 119
3.5.2 Clampers, 124
3.6 Op-Amp-kretsar med dioder, 127
3.7 Alternativa typer av dioder, 129
3.7.1 Schottky Diodes, 129
3.7.2 Light Emitting Diodes (LED), 130
3.7.3 Photo Diodes, 131
3.8 Tillverkarens specifikationer, 132
Sammanfattning, 133
Problem, 134
KAPITEL 4 - BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR CIRCUITS
4.0 Introduktion, 149
4.1 struktur av bipolära transistorer, 149
4.2 stor signal BJT modell, 153
4.3-avledning av små signaler ac Modeller, 154
4.4 två-port liten signal ac Modeller, 156
4.5 Karakteristiska kurvor, 158
4.6 tillverkares datablad för BJT, 160
4.7 BJT-modeller för datorsimuleringar, 161
4.8 enstegsförstärkarkonfigurationer, 164
4.9 Biasing av enstegsförstärkare, 166
4.10 Power Considerations, 169
4.10.1-avledning av kraftekvationer, 170
4.11 analys och design av spänningsförstärkare Bias kretsar, 172
4.11.1 analysprocedur, 172
4.11.2 Design Procedur, 177
4.11.3 förstärkare strömkällor, 183
4.11.4 Val av komponenter, 184
4.12 Analys och design av strömförstärkare Bias-kretsar, 184
4.13 nonlineariteter av bipolära Junction Transistors188
4.14 On-Off Egenskaper för BJT-kretsar, 190
4.15 Integrated Circuit Fabrication, 192
4.15.1 Transistor och Dioder, 192
4.15.2-resistorer, 193
4.15.3 kondensatorer, 193
4.15.4 Lateral Transistor, 194
Sammanfattning, 194
Problem, 195

KAPITEL 5 - BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR FÖRSTÄLLARE
5.0 Introduktion, 207
5.1 Common-Emitter Förstärkare, 208
5.1.1 Gain Impedance Formula, 208
5.1.2 Input Resistance, Rin, 209
5.1.3 Nuvarande vinst, Ai, 210
5.1.4 Spänningsförstärkning, Av, 210
5.1.5 Output Resistance, Ro, 211
5.2. Common Emitter med Emitter Resistor (Emitter-Resistor Amplifier), 213
5.2.1 Input Resistance, Rin, 213
5.2.2 Nuvarande vinst, Ai, 215
5.2.3 Spänningsförstärkning, Av, 215
5.2.4 Output Resistance, Ro, 215
5.3 Common-Collector (Emitter-Follower) Förstärkare, 224
5.3.1 Input Resistance, Rin, 224
5.3.2 Nuvarande vinst, Ai, 225
5.3.3 Spänningsförstärkning, Av, 225
5.3.4 Output Resistance, Ro, 226
5.4 Common-Base-förstärkare, 230
5.4.1 Input Resistance, Rin, 231
5.4.2 Nuvarande vinst, Ai, 231
5.4.3 Spänningsförstärkning, Av, 232
5.4.4 Output Resistance, Ro, 232
5.5 Transistorförstärkare, 236
5.6 Phase Splitter, 237
5.7 förstärkarkoppling, 238
5.7.1 Kapacitiv Koppling, 238
5.7.2 Direct Coupling, 238
5.7.3 Transformer Koppling, 241
5.7.4 optisk koppling, 243
5.8 flerstegsförstärkareanalys, 245
5.9 Cascode Configuration, 250
5.10 Aktuella källor och aktiva belastningar, 252
5.10.1 En enkel strömkälla, 252
5.10.2 Widlar Aktuell källa, 253
5.10.3 Wilson strömkälla, 256
5.10.4 flera strömkällor med nuvarande speglar, 258
Sammanfattning, 259
Problem, 262
KAPITEL 6 - FIELD-EFFECT TRANSISTOR AMPLIFIERS
6.0 Introduktion, 277
6.1 Fördelar och nackdelar med FET, 278
6.2 Metal-Oxid Semiconductor FET (MOSFET), 279
6.2.1 Enhancement-Mode MOSFET-terminalegenskaper, 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-spänningsvariation, 293
6.3.2 JFET Transfer Egenskaper, 293
6.3.3 JFET Small Signal ac Modell, 296
6.4 FET-förstärkarkonfigurationer och 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 kroppseffekt, 305
6.6-jämförelse av MOSFET till JFET, 306
6.7 FET-modeller för datorsimuleringar, 308
6.8 FET-förstärkare - Canonical Configurations, 312
6.9 FET-förstärkareanalys, 314
6.9.1 Förstärkaren CS (och Källmotstånd), 314
6.9.2 CG-förstärkaren, 319
6.9.3 CD (SF) förstärkare, 323
6.10 FET förstärkare design, 326
6.10.1 CS-förstärkaren, 326
6.10.2 CD-förstärkaren, 336
6.10.3 SF Bootstrap Amplifier, 340
6.11 andra enheter, 343
6.11.1 Metal Halvledar Barriär Junction Transistor, 343
6.11.2 VMOSFET, 344
6.10.3 Övriga MOS-enheter, 344
Sammanfattning, 345
Problem, 346
KAPITEL 7 - BIASSTABILITET AV TRANSISTORFORSTÄLLARE
7.0 Introduktion, 358
7.1 Typer av biasing, 358
7.1.1 Aktuell Feedback Biasing, 359
7.1.2 Spänning och strömförspänning, 360
7.2 Effekter av parametriska förändringar - Bias Stabilitet, 362
7.2.1 CE-konfiguration, 363
7.2.2 EF-konfiguration, 369
7.3-diodkompensation, 372
7.4 Designing for BJT Förstärkare Bias Stability, 374
7.5 FET-temperatureffekter, 375
7.6 Minskar Temperaturvariationer, 377
Sammanfattning, 379
Problem, 380

KAPITEL 8 - STRÖMFORSTERKARE OCH STRÖMFÖRSÄKRINGAR

8.0 Introduktion, 384
8.1-klasser av förstärkare, 384
8.1.1 Klass-A-funktion, 385
8.1.2 Klass B-drift, 385
8.1.3-klass-AB-drift, 387
8.1.4 Class-C Operation, 388
8.2-förstärkarkretsar - Klass-A-drift, 389
8.2.1 induktivt kopplad förstärkare, 389
8.2.2 transformatorkopplad kraftförstärkare, 391
8.3-förstärkarkretsar - Klass B-drift, 395
8.3.1 Komplementär Symmetry Klass-B och -AB Strömförstärkare, 395
8.3.2-diodkompenserade komplementära-symmetri klass B-effektförstärkare (CSDC), 398
8.3.3 Power Calculations för Class-B Push-Pull Amplifier, 401
8.4 Darlington Circuit, 408
8.5 strömförsörjning med strömtransistorer, 413
8.5.1 strömförsörjning med diskreta komponenter, 413
8.5.2-strömförsörjning med hjälp av IC-regulator (tre-terminalregulator), 417
8.5.3-strömförsörjning med 3-terminalsjusterbar regulator, 421
8.5.4 högströmregulator, 422
8.6 Switching Regulators, 423
8.6.1 Effektivitet av växelregulatorer, 425
Sammanfattning, 425
Problem, 426

KAPITEL 9 - PRAKTISKA OPERATIONELLA FÖRSTÄLLARE
9.0 Introduktion, 437
9.1 Differentialförstärkare, 438
9.1.1 dc Transfer Egenskaper, 438
9.1.2 Common-Mode och Differential-Mode vinster, 439
9.1.3 differentialförstärkare med konstant strömkälla, 442
9.1.4 Differentialförstärkare med enkeländad ingång och utgång, 445
9.2 Level Shifters, 451
9.3 Den typiska Op-Amp, 454
9.3.1 Packaging, 455
9.3.2 Power Requirements, 456
9.3.3 741 Op-Amp, 456
Bias kretsar, 457
Kortslutningsskydd, 457
Inmatningssteg, 458
Intermediate Stage, 458
Utgångssteg, 458
9.4 Tillverkarens specifikationer, 459
9.5 Praktiska Op-Amps, 459
9.5.1 Open-Loop Voltage Gain (G), 460
9.5.2 Modifierad Op-Amp-modell, 461
9.5.3 Input Offset Spänning (Vio), 461
9.5.4 Input Bias Current (Ibias), 463
9.5.5 Common-Mode Rejection, 467
9.5.6 strömförsörjningsförhållande, 467
9.5.7 Output Resistance, 468
9.6 Datorsimulering av Op-Amp-kretsar, 471
9.7 icke-inverterande förstärkare, 473
9.7.1 Input and Output Resistance, 473
9.7.2 Spänningsförstärkning, 475
9.7.3-multipelinmatningsförstärkare, 478
9.8 inverterande förstärkare, 479
9.8.1 Input and Output Resistance, 479
9.8.2 Spänningsförstärkning, 480
9.8.3-multipelinmatningsförstärkare, 482
9.9 Differential Summing, 485
9.10 förstärkare med balanserade ingångar eller utgångar, 489
9.11-koppling mellan flera ingångar, 492
9.12 Power Audio Op Amps, 493
9.12.1 Bridge Power Op-Amp, 494
9.12.2 Intercom, 495
Sammanfattning, 496
Problem, 496
KAPITEL 10 - FREQUENCY BEHAVIOR OF TRANSISTOR AMPLIFIERS
10.0 Introduktion, 509
10.1 Lågfrekvensrespons av förstärkare, 513
10.1.1 Lågfrekvensrespons av Emitter-Motstånd Förstärkare, 513
10.1.2 Design för en given frekvensegenskaper, 518
10.1.3 Lågfrekvensrespons av Common Emitter Amplifier, 522
10.1.4 Lågfrekvensrespons av Common-Source Amplifier, 525
10.1.5 Lågfrekvensrespons av Common-Base Amplifier, 528
10.1.6 Lågfrekvensrespons av Emitter-Follower Amplifier, 529
10.1.7 Lågfrekvensrespons av Source-Follower Amplifier, 530
10.2 högfrekventa transistormodeller, 532
10.2.1 Miller Theorem, 533
10.2.2 högfrekvent BJT-modell, 534
10.2.3 High-Frequency FET-modell, 537
10.3 högfrekvensrespons av förstärkare, 538
10.3.1-högfrekvensrespons av gemensam-emitterförstärkare, 538
10.3.2-högfrekvensreaktion för förstärkare med gemensam källa, 542
10.3.3-högfrekvensrespons hos common-base-förstärkaren, 544
10.3.4 högfrekvensrespons av Emitter-Follower Amplifier, 546
10.3.5 högfrekvensreaktion för Common-Drain (SF) förstärkare, 548
10.3.6 Cascode Amplifiers, 549
10.4 Högfrekvensförstärkare Design, 550
10.5 Frekvensrespons hos Op-Amp-kretsar, 550
10.5.1 Open-Loop Op-Amp Response554
10.5.2 Phase Shift, 557
10.5.3 Slew Rate, 557
10.5.4 Designa förstärkare med flera op-amp, 560
10.5.5 101 förstärkare, 567
Sammanfattning, 570
Problem, 571
KAPITEL 11 - ÅTERBAKA OCH STABILITET
11.0 Introduktion, 585
11.1 Feedback Amplifier Överväganden, 586
11.2 Typ av feedback, 587
11.3 Feedbackförstärkare, 588
11.3.1 Aktuell återkoppling - Spännings subtraktion för diskreta förstärkare, 588
11.3.2 Spännings Feedback - Nuvarande Subtraktion för Diskret Förstärkare, 592
11.4 Multistage Feedback Amplifiers, 594
11.5 Feedback i Operationsförstärkare, 595
11.6 Stabilitet för Feedbackförstärkare, 599
11.6.1 systemstabilitet och frekvensrespons, 601
11.6.2 Bode Plots and System Stability, 605
11.7 Frekvensrespons - Feedbackförstärkare, 610
11.7.1 enpolig förstärkare, 610
11.7.2 tvåpolig förstärkare, 611
11.8 Design av en trepolig förstärkare med bly equalizer, 617
11.9 Phase-Lag Equalizer, 623
11.10 Effekter av kapacitiv laddning, 624
11.11 Oscillatorer, 625
11.11.1 Colpitts och Hartley Oscillators, 625
11.11.2 Wienbron Oscillator, 626
11.11.3 Phase Shift Oscillator, 628
11.11.4 Crystal Oscillator, 629
11.11.5 Touch-Tone Generator, 631
Sammanfattning, 631
Problem, 633
KAPITEL 12 - AKTIVA FILTER
12.0 Introduktion, 641
12.1 Integratorer och Differentiatorer, 641
12.2 Active Network Design, 645
12.3 Active Filters, 648
12.3.1-filteregenskaper och klassificering, 649
12.3.2 Första Beställa Aktiva Filter, 655
12.4 Enförstärkare - Allmänt Typ, 666
12.5 klassiska analoga filter, 668
12.5.1 Butterworth-filter, 669
12.5.2 Chebyshev-filter, 672
12.6 Transformations, 674
12.6.1 Low-Pass till High-Pass Transformation, 674
12.6.2 Low-Pass till Band-Pass Transformation, 675
12.7 Design av Butterworth och Chebyshev Filters, 676
12.7.1 Low-Pass Filter Design, 677
12.7.2 Filter Order, 677
12.7.3 Parameter Scale Factor, 680
12.7.4 högpassfilter, 688
12.7.5 Band-Pass och 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 lågpassfilter, 697
12.9 avslutande anmärkningar, 699
Sammanfattning, 699
Problem, 700
KAPITEL 13 - QUASI-LINEAR CIRCUITS
13.0 Introduktion, 706
13.1-likriktare, 706
13.2 Feedback Limiters, 717
13.3-komparatorer, 731
13.4 Schmitt Triggers, 735
13.4.1 Schmitt utlöses med gränser, 738
13.4.2 Integrated Circuit Schmitt Trigger, 744
13.5-konvertering mellan analog och digital, 746
13.5.1 Digital-to-Analog Converter, 746
13.5.2 Analog-to-Digital Converter, 747
Sammanfattning, 751
Problem, 752

KAPITEL 14 - PULSADE WAVEFORMS OCH TIMINGCIRCUITS
14.0 Introduktion, 760
14.1 High-Pass RC Nätverk, 762
14.1.1 Steady State Response av High-Pass Network till Pulse Train, 766
14.2 Steady State Response Low-Pass RC Nätverk till Pulse Train, 771
14.3 Diodes, 777
14.3.1 Steady State Response of Diode Circuit till Pulse Train, 777
14.4 Trigger Circuits, 781
14.4.1 Pulse Train Response, 782
14.5 555 Timer, 783
14.5.1 Avkopplingsoscillatorn, 784
14.5.2 555 som en Oscillator, 787
14.5.3 555 som Monostable Circuit, 794
Sammanfattning, 796
Problem, 797

KAPITEL 15 - DIGITAL LOGIC FAMILIES
15.0 Introduktion, 805
15.1 Grundläggande begrepp för Digital Logic, 805
15.1.1 State Definitioner - Positiv och Negativ Logik, 806
15.1.2 Time-Independent eller Unlocked Logic, 807
15.1.3 Time-Dependent eller Clocked Logic, 807
15.1.4 Elementary Logic Functions, 807
15.1.5 Boolean Algebra, 811
15.2 IC-konstruktion och -förpackning, 812
15.3 Praktiska överväganden i digital design, 814
15.4 Digital Circuit Egenskaper för BJTs, 817
15.5 bipolära logikfamiljer, 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 och LP-TTL-portar, 828
15.6.4 Schottky TTL-portar, 828
15.6.5 Tri-State Gates, 829
15.6.6-enhetslistor, 831
15.7 Emitter-Kopplad Logik (ECL), 832
15.7.1-enhetslistor, 834
15.8 Digital Circuit Egenskaper för FET, 835
15.8.1 Den n-Kanalförbättring MOSFET, 835
15.8.2 Den p-Kanalförbättring MOSFET, 835
15.9 FET-transistorfamiljer, 836
15.9.1 n-Channel MOS, 836
15.9.2 p-Channel MOS, 836
15.10 kompletterande MOS (CMOS), 837
15.10.1 CMOS Analog Switch, 841
15.10.2 CMOS-enhetslistor och användningsregler, 843
15.11-jämförelse av logiska familjer, 845
Sammanfattning, 847
Problem, 848

KAPITEL 16 - DIGITAL INTEGRERADE CIRCUITS
16.0 Introduktion, 856
16.1-avkodare och kodare, 857
16.1.1 Data Selector / Multiplexer, 860
16.1.2 Keyboard Encoders / Decoders, 862
16.1.3 Parity Generators / Checkers, 864
16.2-drivrutiner och associerade system, 864
16.2.1 Liquid Crystal Display (LCD), 867
16.3 Flip-Flops, Latches och Shift Registers, 868
16.3.1 Flip-Flops, 870
16.3.2 Latches and Memories, 875
16.3.3 Shift Registers, 877
16.4-räknare, 879
16.4.1-frekvensmätning, 886
16.5 klockor, 889
16.5.1 Spänningsstyrd Oscillator, 889
16.6-minnen, 892
16.6.1 serieminnor, 892
16.6.2 Random Access Memory (RAM), 895
16.6.3 ROM och PROM, 896
16.6.4 EPROM, 897
16.7 mer komplexa kretsar, 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 till problem, 903
16.9.1 Generera Slumpmässiga Nummer, 904
16.9.2 Mätning av mekanisk vinkelhastighet, 904
16.9.3 Hall-Effect Switch, 905
16.9.4 Användning av Timing Windows, 906
16.10 avslutande anmärkningar, 907
Problem, 908

BILAGOR
A. Micro-Cap och SPICE, 929
B. Standardkomponentvärden, 944
C. Tillverkarens datablad, 946
D. Svar på valda problem, 985