Amplifiers and Active Devices

526 Pages·2011·3.92 MB·English

FifthEdition,lastupdateMarch29,2009
2
Lessons In Electric Circuits, Volume III –
Semiconductors
By Tony R. Kuphaldt
Fifth Edition, last update March 29, 2009
i
(cid:13)c2000-2011,TonyR.Kuphaldt
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ii
Contents
1 AMPLIFIERSANDACTIVEDEVICES 1
1.1 Fromelectrictoelectronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Activeversuspassivedevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Amplifiergain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 AbsolutedBscales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 SOLID-STATEDEVICETHEORY 27
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Quantumphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 ValenceandCrystalstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Bandtheoryofsolids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Electronsand“holes” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6 TheP-Njunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.7 Junctiondiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8 Bipolarjunctiontransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.9 Junctionfield-effecttransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.10 Insulated-gatefield-effecttransistors(MOSFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.11 Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.12 Semiconductormanufacturingtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.13 Superconductingdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.14 Quantumdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.15 SemiconductordevicesinSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3 DIODESANDRECTIFIERS 97
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2 Metercheckofadiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3 Dioderatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4 Rectifiercircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5 Peakdetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.6 Clippercircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
iii
iv CONTENTS
3.7 Clampercircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.8 Voltagemultipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.9 Inductorcommutatingcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.10 Diodeswitchingcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.11 Zenerdiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.12 Special-purposediodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.13 Otherdiodetechnologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.14 SPICEmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4 BIPOLARJUNCTIONTRANSISTORS 173
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.2 Thetransistorasaswitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.3 Metercheckofatransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.4 Activemodeoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.5 Thecommon-emitteramplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.6 Thecommon-collectoramplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.7 Thecommon-baseamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.8 Thecascodeamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.9 Biasingtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.10 Biasingcalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
4.11 Inputandoutputcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.12 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4.13 Amplifierimpedances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
4.14 Currentmirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
4.15 Transistorratingsandpackages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4.16 BJTquirks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
5 JUNCTIONFIELD-EFFECTTRANSISTORS 281
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
5.2 Thetransistorasaswitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.3 Metercheckofatransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
5.4 Active-modeoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
5.5 Thecommon-sourceamplifier–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
5.6 Thecommon-drainamplifier–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.7 Thecommon-gateamplifier–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.8 Biasingtechniques–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.9 Transistorratingsandpackages–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.10 JFETquirks–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
6 INSULATED-GATEFIELD-EFFECTTRANSISTORS 301
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.2 Depletion-typeIGFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.3 Enhancement-typeIGFETs–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
6.4 Active-modeoperation–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
CONTENTS v
6.5 Thecommon-sourceamplifier–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.6 Thecommon-drainamplifier–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.7 Thecommon-gateamplifier–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.8 Biasingtechniques–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.9 Transistorratingsandpackages–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.10 IGFETquirks–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.11 MESFETs–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.12 IGBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
7 THYRISTORS 317
7.1 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
7.2 Gasdischargetubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
7.3 TheShockleyDiode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
7.4 TheDIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
7.5 TheSilicon-ControlledRectifier(SCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
7.6 TheTRIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
7.7 Optothyristors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
7.8 TheUnijunctionTransistor(UJT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
7.9 TheSilicon-ControlledSwitch(SCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
7.10 Field-effect-controlledthyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
8 OPERATIONALAMPLIFIERS 355
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
8.2 Single-endedanddifferentialamplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
8.3 The”operational”amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
8.4 Negativefeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
8.5 Dividedfeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
8.6 Ananalogyfordividedfeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8.7 Voltage-to-currentsignalconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
8.8 Averagerandsummercircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
8.9 Buildingadifferentialamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
8.10 Theinstrumentationamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
8.11 Differentiatorandintegratorcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.12 Positivefeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.13 Practicalconsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
8.14 Operationalamplifiermodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
8.15 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
9 PRACTICALANALOGSEMICONDUCTORCIRCUITS 415
9.1 ElectroStaticDischarge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
9.2 Powersupplycircuits–INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
9.3 Amplifiercircuits–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.4 Oscillatorcircuits–INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.5 Phase-lockedloops–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
9.6 Radiocircuits–INCOMPLETE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
vi CONTENTS
9.7 Computationalcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
9.8 Measurementcircuits–INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
9.9 Controlcircuits–PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
10 ACTIVEFILTERS 459
11 DCMOTORDRIVES 461
11.1 PulseWidthModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
12 INVERTERSANDACMOTORDRIVES 465
13 ELECTRONTUBES 467
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.2 Earlytubehistory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
13.3 Thetriode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
13.4 Thetetrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
13.5 Beampowertubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
13.6 Thepentode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.7 Combinationtubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.8 Tubeparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.9 Ionization(gas-filled)tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.10Displaytubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
13.11Microwavetubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
13.12TubesversusSemiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
A-1 ABOUTTHISBOOK 495
A-2 CONTRIBUTORLIST 499
A-3 DESIGNSCIENCELICENSE 507
INDEX 511
Chapter 1
AMPLIFIERS AND ACTIVE
DEVICES
Contents
1.1 Fromelectrictoelectronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Activeversuspassivedevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Amplifiers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Amplifiergain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 AbsolutedBscales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.1 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7.2 T-sectionattenuator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7.3 PI-sectionattenuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7.4 L-sectionattenuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.7.5 BridgedTattenuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.7.6 Cascadedsections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7.7 RFattenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.1 From electric to electronic
This third volume of the book series Lessons In Electric Circuits makes a departure from the
former two in that the transition between electric circuits and electronic circuits is formally
crossed. Electric circuits are connections of conductive wires and other devices whereby the
uniform flow of electrons occurs. Electronic circuits add a new dimension to electric circuits
inthatsomemeansofcontrolisexertedovertheflowofelectronsbyanotherelectricalsignal,
eitheravoltageoracurrent.
1