Analog Circuit Design
Publisher: Syscomp Electronic Design Limited
Published: 2010
Place of publication: Toronto, Canada
Format: Paperback
Number of pages: 1100
Table of contents: title: CONTENTS i; title: Contents; title: 1 Introduction 1; title: 1.1 Outline of the Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4; title: 1.2 Converting Units of Measurement: A Systematic Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6; title: 2 Basic DC Circuits 7; title: 2.1 Voltage, Current and Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7; title: 2.2 Electron Flow and Conventional Current: The Unlucky Guess of Benjamin Franklin . . . . . . . 7; title: 2.3 Electronic Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8; title: 2.4 Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8; title: 2.4.1 Example Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9; title: 2.4.2 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10; title: 2.4.3 Voltage Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10; title: 2.5 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10; title: 2.5.1 Current Meter (Ammeter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11; title: 2.5.2 Current Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11; title: 2.5.3 Example Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11; title: 2.5.4 Electron Conduction Physics [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11; title: 2.5.5 Velocity of Electron in a Vacuum Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12; title: 2.6 Resistance and Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13; title: 2.6.1 Example Resistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14; title: 2.6.2 Resistance Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15; title: 2.6.3 Standard Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15; title: 2.6.4 Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15; title: 2.6.5 Designing Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16; title: 2.6.6 European Style Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18; title: 2.7 Ideal Voltage Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18; title: 2.8 Ideal Current Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19; title: 2.9 Kirchhoff’s Voltage Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19; title: 2.10 Kirchhoff’s Current Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21; title: 2.11 KVL, KCL and Circuit Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22; title: 2.12 Grounded and Floating Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22; title: 2.13 Resistors in Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23; title: 2.14 Resistors in Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23; title: 2.15 Resistor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24; title: 2.16 Meters for Voltage, Current and Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24; title: 2.16.1 Moving Coil Meter Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24; title: 2.16.2 Characterising an Unknown Meter Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25; title: 2.16.3 Moving Coil Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26; title: 2.16.4 Moving Coil Ammeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27; title: 2.16.5 Moving Coil Ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28; title: 2.17 Practical Voltage Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29; title: 2.18 Internal Resistance: Case Histories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30; title: 2.19 Practical Current Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33; title: 2.20 Measuring Internal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34; title: 2.21 The Load Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35; title: 2.22 Voltage and Current Source, Compared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37; title: 2.23 Power Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39; title: 2.24 Battery Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40; title: 2.25 The Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41; title: 2.25.1 Capacitor Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42; title: 2.25.2 Energy Storage in a Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43; title: 2.25.3 Energy Storage: Battery and Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43; title: 2.25.4 Common Misconception: Kirchoff’s Current Law and The Capacitor . . . . . . . . . . . 44; title: 2.26 The Capacitor: Time Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44; title: 2.26.1 Defective Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46; title: 2.26.2 Energy Storage in a Capacitor: Reprise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46; title: 2.26.3 Application: Ramp Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47; title: 2.27 Capacitances in Series and Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48; title: 2.28 The Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51; title: 2.28.1 Voltage Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51; title: 2.28.2 Moving Magnet Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51; title: 2.28.3 Faraday’s Law and Lenz’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52; title: 2.28.4 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54; title: 2.28.5 Energy Storage in an Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56; title: 2.29 Inductance and Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57; title: 2.29.1 The Electric Circuit Analogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57; title: 2.29.2 Reluctance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58; title: 2.29.3 Example: Variable Reluctance Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58; title: 2.29.4 Deriving the Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59; title: 2.29.5 Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60; title: 2.29.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61; title: 2.29.7 Solenoid Inductance on Ferrite Rod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62; title: 2.30 The Amplifier Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62; title: 2.31 Switches and Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64; title: 2.32 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66; title: 3 Tools for Circuit Analysis: Part 1 73; title: 3.1 Thevenin’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73; title: 3.2 Norton’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75; title: 3.3 The Voltage Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75; title: 3.4 Voltage Divider Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79; title: 3.4.1 Exact Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79; title: 3.4.2 Simple Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81; title: 3.4.3 Graphical Method: Divider Design with Standard 5% Resistors . . . . . . . . . . . . . . 84; title: 3.4.4 Large Ratio Divider Shortcut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85; title: 3.4.5 Derivation of the Nomogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86; title: 3.5 The Current Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87; title: 3.5.1 Current Divider Application: Meter Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87; title: 3.6 The Superposition Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88; title: 3.6.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88; title: 3.6.2 Superposition and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90; title: 3.7 The Passive Adder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91; title: 3.8 TheWheatstone Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92; title: 3.9 Load Line Application: Digital Logic Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93; title: 3.10 Component Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99; title: 3.11 Cumulative Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99; title: 3.12 Complex Cases: Spreadsheet to the Rescue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101; title: 3.13 Larger Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103; title: 3.14 Error Budget Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103; title: 3.15 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104; title: 4 Tools for Circuit Analysis: Part 2 108; title: 4.1 Alternating Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108; title: 4.1.1 Waveforms in General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108; title: 4.1.2 Sinusoidal Waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109; title: 4.2 Vector Notation and Sine Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111; title: 4.3 Reactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111; title: 4.4 Complex Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112; title: 4.5 Capacitive Reactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115; title: 4.5.1 Capacitive Reactance in Vector Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116; title: 4.5.2 Example: Capacitive Reactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116; title: 4.5.3 Example: Current in a Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117; title: 4.6 Inductive Reactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118; title: 4.7 Reactance Calculators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120; title: 4.7.1 Reactance Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120; title: 4.7.2 Reactance Slide Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122; title: 4.7.3 Gnuplot Routine for Capacitive Reactance Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122; title: 4.8 RC Lowpass Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124; title: 4.8.1 Example: Charging Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125; title: 4.9 RC Highpass Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127; title: 4.10 Resonance, an Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128; title: 4.11 Series Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129; title: 4.11.1 Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130; title: 4.11.2 Voltages and Currents in the Series Resonant Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131; title: 4.12 Parallel Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131; title: 4.12.1 Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132; title: 4.13 Boing vs Thud: the Q Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133; title: 4.13.1 Defining Q Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133; title: 4.13.2 Q Factor and Energy Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134; title: 4.13.3 Q Factor and Voltage Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135; title: 4.13.4 Q Factor, Bandwidth and Filter Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135; title: 4.14 Bandwidth of a Resonant Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136; title: 4.14.1 Bandwidth and Q Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137; title: 4.15 The Compensated Attenuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139; title: 4.16 The Ideal Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141; title: 4.17 Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143; title: 4.17.1 Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144; title: 4.17.2 Using Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146; title: 4.17.3 ImpedanceMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147; title: 4.18 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148; title: 5 The Laplace Transform 149; title: 5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149; title: 5.1.1 Laplace Notation as Shorthand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151; title: 5.1.2 A Simple Example: Capacitor Charging Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151; title: 5.1.3 Inductor Differential Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152; title: 5.1.4 Capacitive Reactance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153; title: 5.1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153; title: 5.2 Transfer Function and Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153; title: 5.2.1 Transfer Function of Low Pass RC Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153; title: 5.2.2 Magnitude and Phase of The Lowpass RC Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155; title: 5.2.3 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156; title: 5.2.4 Transfer Function of Low Pass LR Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157; title: 5.2.5 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157; title: 5.2.6 Transfer Function of a Second Order RLC Lowpass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . 158; title: 5.2.7 Magnitude and Phase of the Lowpass RLC Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160; title: 5.2.8 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162; title: 5.2.9 Transfer Function of the Two Stage (Second Order) RC Lowpass Filter . . . . . . . . . . 164; title: 5.3 Time Domain Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165; title: 5.3.1 Computer Algebra: Using Maxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165; title: 5.3.2 Table of Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168; title: 5.3.3 Table of Transforms, Quadratic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168; title: 5.3.4 Forcing Function: Unit Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169; title: 5.3.5 Forcing Function: Unit Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170; title: 5.3.6 Forcing Function: Unit Ramp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171; title: 5.3.7 Unit Step and RC Lowpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174; title: 5.3.8 Unit Ramp and RC Lowpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176; title: 5.3.9 Capacitor with Initial Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180; title: 5.3.10 LC Resonant Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182; title: 5.3.11 RLC Resonant Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186; title: 5.3.12 Two Stage (Second Order) Lowpass, Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189; title: 5.3.13 Comparing the Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191; title: 5.4 ArbitraryWaveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192; title: 5.4.1 Linearity Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192; title: 5.4.2 Time Shift Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192; title: 5.4.3 Example: Square Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193; title: 5.4.4 Example: Triangular Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193; title: 5.5 Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194; title: 5.5.1 Laplace Transform of Unit Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194; title: 5.5.2 Laplace Transform of the Unit Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195; title: 5.5.3 Gnuplot Magnitude and Phase Plotting Routines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196; title: 5.5.4 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198; title: 5.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198; title: 6 The Semiconductor Diode 199; title: 6.1 Semiconductor Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199; title: 6.2 Diode Logic OR Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200; title: 6.3 Diode Logic AND Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201; title: 6.4 Half Wave Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202; title: 6.5 Full Wave Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203; title: 6.6 Diode Bridge Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204; title: 6.7 Diode Clamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205; title: 6.8 Diode Clipping Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205; title: 6.9 Bi-Directional Clipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206; title: 6.10 The Flyback Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207; title: 6.11 Diode Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207; title: 6.12 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208; title: 7 The Zener Diode 212; title: 7.1 The Zener Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212; title: 7.2 Zener Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212; title: 7.3 Zener Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214; title: 7.4 Zener Regulator Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215; title: 7.5 Zener Current Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216; title: 7.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217; title: 8 Active Devices 218; title: 8.1 The BJT: Bilateral Junction Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218; title: 8.2 The JFET: Junction Field Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220; title: 8.3 The MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . 221; title: 8.4 Application Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223; title: 8.5 The MOSFET Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224; title: 8.6 The BJT Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226; title: 8.7 BJT Logic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228; title: 8.8 The BJT Flip Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230; title: 8.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231; title: 9 Motors and Generators 232; title: 9.1 DC Motor and Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232; title: 9.1.1 The Ideal DC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233; title: 9.1.2 Real DC Generator Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234; title: 9.1.3 Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234; title: 9.1.4 Torque Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235; title: 9.1.5 Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235; title: 10 Negative Feedback 236; title: 10.1 Negative Feedback and Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238; title: 10.2 Negative Feedback and the Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240; title: 10.3 Minimizing Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240; title: 10.4 Negative Feedback Goes Bad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242; title: 10.5 Application: Temperature Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244; title: 10.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247; title: 11 Reactance and Bode Plots 252; title: 11.1 Reactance Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253; title: 11.2 The Bode Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256; title: 11.3 Constant, Integrator and Differentiator Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258; title: 11.4 First Order Lead and Lag Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259; title: 11.5 First-order Lead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259; title: 11.6 First-order Lag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261; title: 11.7 Example: PID (Proportional, Integral, Differential) Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262; title: 11.8 Quadratic Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264; title: 11.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266; title: 12 The Operational Amplifier: Basics 267; title: 12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267; title: 12.2 The Op-Amp Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269; title: 12.3 The Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270; title: 12.4 The Non-Inverting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271; title: 12.5 The Inverting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272; title: 12.6 The Rules of Op-Amp Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276; title: 12.7 Single Supply Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278; title: 12.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280; title: 13 The Operational Amplifier: Applications 285; title: 13.1 Miller Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285; title: 13.2 The Op-Amp Adder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288; title: 13.3 Non-Inverting Adder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289; title: 13.4 Sign Changer (Inverter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289; title: 13.5 Switchable Sign Changer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290; title: 13.6 The Subtractor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290; title: 13.7 The Instrumentation Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293; title: 13.8 Universal Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295; title: 13.9 Current to Voltage Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297; title: 13.10 Integrator, Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298; title: 13.11 Integrator, Non Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301; title: 13.12 Differentiator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303; title: 13.13 Application: Spring-Mass Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306; title: 13.14 Booster Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308; title: 13.15 Current Generator, Floating Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310; title: 13.16 Current Generator, Grounded Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311; title: 13.17 Charge Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312; title: 13.18 AC-Coupled Inverting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316; title: 13.19 AC-Coupled Inverting Amplifier, Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319; title: 13.20 AC-Coupled Non-Inverting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322; title: 13.21 AC-Coupled Non-Inverting Amplifier, Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324; title: 13.22 AC-Coupled Amplifier, Miscellaneous Issues (Advanced) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327; title: 13.23 Input and Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329; title: 13.24 Summary of Amplifier Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336; title: 13.25 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340; title: 14 The Schmitt Trigger 353; title: 14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353; title: 14.2 Schmitt Trigger, Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354; title: 14.3 Schmitt Trigger, Non-Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356; title: 14.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358; title: 15 Power Supplies 360; title: 15.1 AC Power Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361; title: 15.2 Power Supply Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363; title: 15.3 Rectifier-Filter Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365; title: 15.4 Series and Shunt Voltage Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372; title: 15.5 Feedback Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374; title: 15.6 Three-terminal Linear Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376; title: 15.7 The AC Adaptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378; title: 15.8 Switching Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380; title: 15.9 Switching Regulator, Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393; title: 15.10 Charge Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399; title: 15.11 Voltage Multiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402; title: 15.12 Transformer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403; title: 15.13 Transformer Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408; title: 15.14 Application: Transformer Isolated Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410; title: 15.15 Example: Transformer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412; title: 15.16 Summary of Power Supply Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417; title: 15.17 Appendix: The Transformer Voltage Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420; title: 15.18 Appendix: Transformer Power Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422; title: 15.19 Appendix: Wire Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426; title: 15.20 Appendix: Calculating the Effective (RMS) Value of a Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . 427; title: 15.21 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432; title: 16 Precision Rectifiers 439; title: 16.1 Precision Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441; title: 16.2 Precision Half-Wave Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443; title: 16.3 Precision Full-Wave Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444; title: 16.4 Full-Wave Meter Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447; title: 16.5 Phase-Sensitive Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448; title: 16.6 RMS Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449; title: 16.6.1 Obvious Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449; title: 16.6.2 The Implicit Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449; title: 16.7 Thermal Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450; title: 16.8 Peak Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451; title: 16.8.1 Improved Peak Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451; title: 16.9 Sample-Hold Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453; title: 16.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455; title: 17 Active Filters 456; title: 17.0.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456; title: 17.0.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456; title: 17.0.3 Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457; title: 17.0.4 Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457; title: 17.0.5 Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458; title: 17.0.6 Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458; title: 17.0.7 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459; title: 17.0.8 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460; title: 17.0.9 Roadmap to the Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460; title: 17.1 First-Order Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461; title: 17.1.1 First Order Active Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463; title: 17.2 Example: A Simple Bandpass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464; title: 17.3 Second-Order Low-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466; title: 17.3.1 Transfer Function of the First Order Cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467; title: 17.4 Second-Order Band-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472; title: 17.5 Second-Order High-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474; title: 17.6 Second-Order Band-Reject (Notch) Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476; title: 17.7 Summary, Second-Order Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479; title: 17.8 The Bronzite Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480; title: 17.9 The Sallen-Key Lowpass Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482; title: 17.10 The Sallen-Key Highpass Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487; title: 17.11 The State Variable Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488; title: 17.12 Notch Filter Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492; title: 17.13 State Variable Notch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492; title: 17.14 The Twin-Tee Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493; title: 17.14.1 Tuneable Passive Notch Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495; title: 17.15 Higher Order Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495; title: 17.16 The Butterworth Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496; title: 17.17 Designing A Butterworth Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496; title: 17.18 The Chebyschev Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499; title: 17.19 The Bessel Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506; title: 17.20 Plotting High-Order Filter Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507; title: 17.21 First-Order Transient Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509; title: 17.22 Second-Order Transient Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509; title: 17.23 Filter Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511; title: 17.24 Design Method Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514; title: 17.25 Appendix: The Complex Frequency Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515; title: 17.25.1 Poles and Zeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515; title: 17.25.2 The Second-Order Lowpass Filter, Normalized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516; title: 17.25.3 The Complex Frequency Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518; title: 17.25.4 Zeros at Infinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518; title: 17.25.5 The Membrane Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519; title: 17.25.6Amplitude and Phase Response from the Complex Frequency Plane . . . . . . . . . . . . 520; title: 17.25.7Generalizing the Amplitude and Phase Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522; title: 17.25.8 Example: The Highpass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522; title: 17.26 Summary of Common Pole-Zero Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524; title: 17.27 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527; title: 18 The Zoo: Unusual Circuits 535; title: 18.1 NIC: Negative Impedance Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535; title: 18.2 Capacitance Multiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537; title: 18.3 Howland Current Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539; title: 18.4 Simple Gyrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541; title: 18.4.1 Transient Analysis: A Reality Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542; title: 18.4.2 Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543; title: 18.5 Improved Gyrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543; title: 18.6 FDNR: Frequency Dependent Negative Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546; title: 18.6.1 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546; title: 18.6.2 Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547; title: 18.7 Circulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548; title: 18.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550; title: 19 Phase Shift Networks 554; title: 19.1 Passive Network Phase Shifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554; title: 19.1.1 Improved Phase Shifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554; title: 19.1.2 Analysis of the All-Pass Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554; title: 19.1.3 Bode Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555; title: 19.2 Op-Amp Phase Shifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556; title: 19.3 Wideband Phase Shifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557; title: 19.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559; title: 20 Oscillators 560; title: 20.0.1 Oscillator as Negative Feedback System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560; title: 20.0.2 Oscillation and Negative Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560; title: 20.0.3 Comparator Driven Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560; title: 20.0.4 Simulation Note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560; title: 20.1 Phase Shift Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561; title: 20.1.1 A Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561; title: 20.2 Wien Bridge Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563; title: 20.2.1 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565; title: 20.3 Wien Bridge Oscillator, Amplitude Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565; title: 20.4 Quadrature Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567; title: 20.5 Three-Phase Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570; title: 20.5.1 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570; title: 20.6 Schmitt Trigger Astable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572; title: 20.7 Function Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574; title: 20.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576; title: 21 The Non-Ideal Operational Amplifier 580; title: 21.1 Finite Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581; title: 21.2 Bias Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582; title: 21.3 Offset Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584; title: 21.4 Power Supply Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587; title: 21.5 Common Mode Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590; title: 21.6 Output Voltage and Current Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593; title: 21.7 Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594; title: 21.8 Slew Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596; title: 21.9 Noise and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600; title: 21.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600; title: 22 Operational Amplifier Noise 609; title: 22.1 Resistor Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612; title: 22.2 Noise Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614; title: 22.3 Effective Noise Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616; title: 22.4 Op-amp Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617; title: 22.5 Noise Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621; title: 22.6 Noise Example: Voltage Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622; title: 22.7 Noise Example: Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624; title: 22.8 Noise Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627; title: 22.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630; title: 23 Operational Amplifier Frequency Response 632; title: 23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632; title: 23.2 Gain-Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633; title: 23.3 Maximum Useful Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635; title: 23.4 Single Pole Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637; title: 23.5 Quadratic Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640; title: 23.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644; title: 24 Stability 645; title: 24.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645; title: 24.2 Decoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646; title: 24.3 Phase Margin and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647; title: 24.4 The Intercept Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649; title: 24.5 Reduced Noise Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651; title: 24.6 Output Buffer Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654; title: 24.7 Input Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656; title: 24.8 Frequency Compensation: The Lag-Lead Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657; title: 24.9 Capacitive Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661; title: 24.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667; title: 25 Digital to Analog Conversion 669; title: 25.1 D/A Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670; title: 25.2 Weighted Resistor D/A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672; title: 25.3 R-2R D/A: Current Steering Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673; title: 25.4 R-2R D/A: Voltage Switching Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674; title: 25.5 The MDAC: Multiplying Digital to Analog Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676; title: 25.6 MDAC Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678; title: 25.7 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681; title: 25.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685; title: 26 Analog to Digital Conversion 686; title: 26.1 Signal to Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686; title: 26.2 Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688; title: 26.3 Feedback Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689; title: 26.4 Single Slope Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691; title: 26.5 Dual Slope Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694; title: 26.6 Sigma-Delta Oversampling Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696; title: 26.7 Voltage to Frequency Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700; title: 26.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704; title: 27 Opto-Electronic Devices 708; title: 27.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708; title: 27.2 Light Emitting Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709; title: 27.3 Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710; title: 27.4 Photoresistive Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712; title: 27.5 Phototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713; title: 27.6 Optocoupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714; title: 27.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715; title: 28 Cooling 719; title: 28.1 Thermal Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720; title: 28.2 The Derating Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721; title: 28.3 Designing a Heatsink: Calculating Thermal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722; title: 28.4 Heatsink Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724; title: 28.5 Thermal Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725; title: 28.6 Fan Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727; title: 28.7 Power Dissipation in an Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729; title: 28.7.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730; title: 28.7.2 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730; title: 28.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732; title: 29 The Single Stage BJT Amplifier 734; title: 29.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734; title: 29.2 The Diode Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735; title: 29.3 BJT Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736; title: 29.4 The Current Generator Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737; title: 29.5 Base Current Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738; title: 29.6 Base Voltage Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741; title: 29.7 The Ramp Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743; title: 29.8 Emitter Current Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745; title: 29.9 The Ramp Generator: Improved . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746; title: 29.10 Reflecting Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750; title: 29.11 Collector Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752; title: 29.12 Temperature and Base-Emitter Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757; title: 29.13 Temperature and Leakage Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760; title: 29.14 DC BJT Circuits and Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763; title: 29.15 Bias Stability and Beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768; title: 29.16 Emitter Incremental Resistance and BJT Transconductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769; title: 29.17 Transconductance and Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772; title: 29.18 The Common Emitter Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773; title: 29.19 The Common Emitter Amplifier, Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775; title: 29.20 Common Emitter Amplifier with Emitter Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782; title: 29.21 Common Emitter Amplifier with Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786; title: 29.22 The Common Emitter Amplifier, Base Current Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793; title: 29.23 Common-Emitter Amplifier with Collector-Base Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796; title: 29.24 A Catalogue of Common Emitter Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801; title: 29.25 Summary: Common-Emitter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804; title: 29.26 The Common Collector (Emitter Follower) Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805; title: 29.27 Summary: Emitter Follower Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 811; title: 29.28 The Emitter Follower as a Negative Feedback System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812; title: 29.29 Emitter Follower Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815; title: 29.30 The Common Base Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822; title: 29.31 Summary: Common-Base Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826; title: 29.32 The Inverted Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827; title: 29.33 Noise in the BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828; title: 29.34 BJT Noise Current and Other Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829; title: 29.35 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 830; title: 29.36 Appendix: Determining the Transistor Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 830; title: 29.37 Appendix: A discussion of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836; title: 29.38 Appendix: Base-Emitter Voltage Function of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837; title: 29.39 Appendix: BJT Datasheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843; title: 30 BJT-Compounds 847; title: 30.1 The Darlington Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847; title: 30.2 The Sziklai Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 849; title: 30.3 The Current Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851; title: 30.4 Discrete Component Sink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851; title: 30.5 The Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853; title: 30.6 Discrete Component Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855; title: 30.7 Multiple-Output Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 858; title: 30.8 TheWilson Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 860; title: 30.9 Appendix: Output Resistance of Common-Emitter Stage with Emitter Degeneration . . . . . . . 862; title: 30.10 Appendix: Mirror Emitter Degeneration Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863; title: 30.11 Appendix: Wilson Mirror Output Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864; title: 30.12 The Cascode Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866; title: 30.13 Folded Cascode Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 870; title: 30.14 The Differential Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 870; title: 30.14.1 BJT Differential Amplifier, Transfer Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871; title: 30.15 Enhanced Differential Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878; title: 30.15.1Darlington-Differential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882; title: 30.15.2 Cascode-Differential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883; title: 30.15.3Differential Stage Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883; title: 30.15.4Appendix: Diff Amp Transfer Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884; title: 30.15.5 The tanh Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886; title: 30.15.6Appendix: Dual Stage Differential Amplifier Bias and Gain . . . . . . . . . . . . . . . . 886; title: 30.16 Series-Shunt Feedback Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889; title: 30.17 An Operational Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894; title: 30.18 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902; title: 31 JFET Characteristics and Applications 913; title: 31.1 Constant Current Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913; title: 31.2 Transfer Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915; title: 31.3 The JFET Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 918; title: 31.3.1 Opto-Isolated JFET Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920; title: 31.4 The JFET Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920; title: 31.4.1 Playing to the Strengths of the JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920; title: 31.4.2 BJT and JFET Op-Amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921; title: 31.4.3 Transconductance of the BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921; title: 31.4.4 Transconductance of the JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922; title: 31.4.5 Transresistance of the JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923; title: 31.5 The Source Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924; title: 31.5.1 Notes on the Source Follower Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924; title: 31.5.2 The JFET Small Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925; title: 31.5.3 Voltage Gain of the Source Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925; title: 31.5.4 Summary: Source Follower Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927; title: 31.6 JFET Common Source Amplifier and Common Gate Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928; title: 31.7 JFET Compound Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928; title: 31.7.1 JFET Differential Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928; title: 31.7.2 Oscilloscope Buffer Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928; title: 31.8 Appendix: Interpreting the JFET Datasheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 930; title: 31.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932; title: 32 The MOSFET Family 934; title: 32.1 Linear Applications of the MOSFET Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934; title: 32.2 MOSFET Transfer Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934; title: 32.3 The EnhancementMode MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935; title: 32.4 The Depletion Mode MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936; title: 32.5 DC Coupled Source Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936; title: 32.5.1 Biasing the Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936; title: 32.5.2 Voltage Gain of the Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937; title: 32.5.3 Output Resistance of the Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 938; title: 32.6 Biasing the EnhancementMode MOSFET: AC Coupled Follower . . . . . . . . . . . . . . . . 940; title: 32.7 Applying MOSFETs in Linear Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941; title: 32.8 Vertical and Lateral Format MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941; title: 32.9 MOSFET Power Amplifier Output Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942; title: 32.9.1 Drive Current and Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942; title: 32.9.2 Thermal Stability and Crossover Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943; title: 32.9.3 Output Voltage Swing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944; title: 32.9.4 Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944; title: 32.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945; title: 33 CMOS Analog Switch and Applications 946; title: 33.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947; title: 33.1.1 Mixer Input Select . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947; title: 33.1.2 Switched Gain Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 948; title: 33.1.3 Logic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949; title: 34 Interference 950; title: 34.1 Scope of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 950; title: 34.2 The Mechanism of Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952; title: 34.3 The Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952; title: 34.4 The Coupling Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952; title: 34.5 Conductive Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953; title: 34.5.1 Implications for PC Board Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954; title: 34.6 Electric Field Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954; title: 34.6.1 Electric-Field Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955; title: 34.6.2 Electric-Field Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955; title: 34.6.3 Demonstration: Electric Field Pickup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956; title: 34.6.4 Demonstration: Reducing Electric Field Pickup by Lowering Impedance . . . . . . . . . 957; title: 34.6.5 Demonstration: Reducing Electric Field Pickup by Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . 957; title: 34.7 Magnetic Field Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957; title: 34.7.1 Magnetic Field Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959; title: 34.7.2 Voltage in the Conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959; title: 34.7.3 Demonstration: Magnetic Field Pickup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 961; title: 34.7.4 Magnetic Field Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 961; title: 34.8 Spectrum of Pulse Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964; title: 34.8.1 SquareWave Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964; title: 34.8.2 TrapezoidalWave Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965; title: 34.8.3 The Bode Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965; title: 34.8.4 Derivation: Spectrum of TrapezoidalWaveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966; title: 34.9 Components of The Hidden Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967; title: 34.9.1 Wiring Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 968; title: 34.9.2 Resistance of Printed Wiring Traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 969; title: 34.9.3 Wiring Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971; title: 34.9.4 Inductance of a PrintedWiring Trace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972; title: 34.9.5 Power Supply Inductance and The Bypass Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973; title: 34.9.6 Parasitic Inductance in Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974; title: 34.9.7 Capacitor Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976; title: 34.9.8 Broadbanding the Bypass Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976; title: 34.10 Common Mode and Differential Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976; title: 34.10.1 Rejection of Ground Conductor Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977; title: 34.10.2Differential Amplifier Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 978; title: 34.10.3Guarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979; title: 34.10.4 Bifilar Choke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979; title: 34.11 EMC: Electromagnetic Compliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 980; title: 34.11.1 EMI from Differential and Common Mode Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981; title: 34.11.2 Common Mode Current, EMI, and the Bifilar Choke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982; title: 34.11.3Differential Drive and Common-Mode EMI Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983; title: 34.11.4 Evaluating EMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983; title: 34.12 Electromagnetic Field Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984; title: 34.13 Measurement Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985; title: 34.13.1 Single Lead Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986; title: 34.13.2 Twin Lead Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986; title: 34.13.3 Coaxial Cable Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988; title: 34.13.4×10 Probe Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988; title: 34.13.5Active Probe Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 989; title: 34.14 PrintedWiring Board Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 989; title: 34.14.1A/D Converter Layout and Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 990; title: 34.14.2Ground Plane and the A/D Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993; title: 34.15 Case Histories: Solved . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993; title: 34.16 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994; title: 35 Beyond the Op-Amp 997; title: 35.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997; title: 35.1.1 Voltage-Mode and Current Mode Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997; title: 35.1.2 Why is the Op-Amp so Popular? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997; title: 35.1.3 Why Consider Other Amplifier Architectures? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 998; title: 35.1.4 Other Types of Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 998; title: 35.2 The Current Conveyor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999; title: 35.2.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999; title: 35.2.2 Internal Circuit Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999; title: 35.2.3 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000; title: 35.3 The Current Feedback Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001; title: 35.3.1 Basic Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002; title: 35.3.2 Gain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003; title: 35.3.3 Loop Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003; title: 35.3.4 Maximum Frequency of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004; title: 35.3.5 Transresistance Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004; title: 35.3.6 Slew Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005; title: 35.3.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005; title: 35.4 The Norton Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006; title: 35.4.1 Norton Internals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006; title: 35.4.2 Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006; title: 35.4.3 Bias for AC Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007; title: 35.4.4 AC Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007; title: 35.4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007; title: 35.5 Operational Transconductance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008; title: 35.5.1 Internal Circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008; title: 35.5.2 OTA Application: Voltage Controlled Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1009; title: 35.6 The Comparator Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010; title: 35.7 Instrumentation Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011; title: 35.8 Fully Differential Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013; title: 35.8.1 Differential and Common-Mode Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013; title: 35.8.2 Differential Signalling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014; title: 35.8.3 Internal Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015; title: 35.8.4 Example Design: Transient Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015; title: 35.8.5 Rules of Ideal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016; title: 35.8.6 Differential Gain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017; title: 35.8.7 Common-Mode Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1018; title: 35.8.8 Design Example: Single-Ended to Differential Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019; title: 35.8.9 Selecting Resistor Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021; title: 35.9 Autozero Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022; title: 35.10 Chopper Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024; title: 35.11 Composite Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027; title: 35.12 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1028; title: 36 Multiplier 1033; title: 36.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033; title: 36.2 MDAC: Multiplying Digital to Analog Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035; title: 36.3 Duty Cycle (Pulse Width-Height)Multiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035; title: 36.4 TransconductanceMultiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037; title: 36.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042; title: 37 Complete Systems 1044; title: 37.1 Equation Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044; title: 37.2 DC Motor Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046; title: 37.2.1 Real DC Motor Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046; title: 37.2.2 The Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047; title: 37.2.3 Control System Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047; title: 37.2.4 Electronic Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049; title: 37.2.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1050; title: 37.3 Sumo Competition Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051; title: 37.3.1 Robot Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051; title: 37.3.2 Robot Power Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1052; title: 37.3.3 Motor Driver Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053; title: 37.3.4 Edge Detection Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054; title: 37.3.5 Object Detector and Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055; title: 37.3.6 Object Detector Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056; title: 37.4 The Synchro Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1058; title: 37.4.1 Resolver Interface, Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1060; title: 37.4.2 Resolver Interface, Circuit Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1061; title: 37.5 The Linear Variable Differential Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063; title: 37.6 Analogue Correlation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064; title: 37.6.1 Correlation Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064; title: 37.6.2 The Correlation Time Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064; title: 37.6.3 Correlation and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065; title: 37.6.4 Correlation and the Phase Sensitive Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067; title: 37.7 Barometer Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1068; title: 37.7.1 The Pressure Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1068; title: 37.7.2 Sensor Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1069; title: 37.7.3 Pressure Sensor Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1069; title: 37.7.4 Barometer Resolution and Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1070; title: 37.7.5 Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071; title: 37.7.6 Designing the Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1072; title: 37.7.7 Complete Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074; title: 37.7.8 Reliability of the Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075; title: 37.7.9 Circuit Analysis for Component Tolerance and Temperature Drift . . . . . . . . . . . . . 1076; title: 37.7.10 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077; title: 37.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079; title: 37.9 Design Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1081; title: 37.10 Extended Design Exercise: Telescope Heater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085; title: Bibliography and References 1092