terça-feira, 13 de dezembro de 2011

Apostila de Circuitos Elétricos com semicondutores em inglês (Lessons In Electric Circuits vol. III - Semiconductors)

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Bom livro em inglês sobre teoria de circuitos elétricos com semicondutores, disponibilizada gratuitamente.



Sumário.


1 AMPLIFIERS AND ACTIVE DEVICES 1
1.1 From electric to electronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Active versus passive devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Amplifier gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Absolute dB scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 SOLID-STATE DEVICE THEORY 27
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Quantum physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Valence and Crystal structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Band theory of solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Electrons and “holes” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6 The P-N junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.7 Junction diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8 Bipolar junction transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.9 Junction field-effect transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.10 Insulated-gate field-effect transistors (MOSFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.11 Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.12 Semiconductor manufacturing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.13 Superconducting devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.14 Quantum devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.15 Semiconductor devices in SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3 DIODES AND RECTIFIERS 97
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2 Meter check of a diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3 Diode ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4 Rectifier circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5 Peak detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.6 Clipper circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.7 Clamper circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.8 Voltage multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.9 Inductor commutating circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.10 Diode switching circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.11 Zener diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.12 Special-purpose diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.13 Other diode technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.14 SPICE models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS 173
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.2 The transistor as a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.3 Meter check of a transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.4 Active mode operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.5 The common-emitter amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.6 The common-collector amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.7 The common-base amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.8 The cascode amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.9 Biasing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.10 Biasing calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
4.11 Input and output coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.12 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4.13 Amplifier impedances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
4.14 Current mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
4.15 Transistor ratings and packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4.16 BJT quirks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
5 JUNCTION FIELD-EFFECT TRANSISTORS 281
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
5.2 The transistor as a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.3 Meter check of a transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
5.4 Active-mode operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
5.5 The common-source amplifier – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
5.6 The common-drain amplifier – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.7 The common-gate amplifier – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.8 Biasing techniques – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.9 Transistor ratings and packages – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.10 JFET quirks – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
6 INSULATED-GATE FIELD-EFFECT TRANSISTORS 301
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.2 Depletion-type IGFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.3 Enhancement-type IGFETs – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
6.4 Active-mode operation – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
6.5 The common-source amplifier – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.6 The common-drain amplifier – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.7 The common-gate amplifier – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.8 Biasing techniques – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.9 Transistor ratings and packages – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.10 IGFET quirks – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.11 MESFETs – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.12 IGBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
7 THYRISTORS 317
7.1 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
7.2 Gas discharge tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
7.3 The Shockley Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
7.4 The DIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
7.5 The Silicon-Controlled Rectifier (SCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
7.6 The TRIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
7.7 Optothyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
7.8 The Unijunction Transistor (UJT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
7.9 The Silicon-Controlled Switch (SCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
7.10 Field-effect-controlled thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
8 OPERATIONAL AMPLIFIERS 355
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
8.2 Single-ended and differential amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
8.3 The ”operational” amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
8.4 Negative feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
8.5 Divided feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
8.6 An analogy for divided feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8.7 Voltage-to-current signal conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
8.8 Averager and summer circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
8.9 Building a differential amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
8.10 The instrumentation amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
8.11 Differentiator and integrator circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.12 Positive feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.13 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
8.14 Operational amplifier models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
8.15 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
9 PRACTICAL ANALOG SEMICONDUCTOR CIRCUITS 415
9.1 ElectroStatic Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
9.2 Power supply circuits – INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
9.3 Amplifier circuits – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.4 Oscillator circuits – INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
9.5 Phase-locked loops – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
9.6 Radio circuits – INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
9.7 Computational circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
9.8 Measurement circuits – INCOMPLETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
9.9 Control circuits – PENDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
10 ACTIVE FILTERS 459
11 DC MOTOR DRIVES 461
11.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
12 INVERTERS AND AC MOTOR DRIVES 465
13 ELECTRON TUBES 467
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.2 Early tube history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
13.3 The triode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
13.4 The tetrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
13.5 Beam power tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
13.6 The pentode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.7 Combination tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.8 Tube parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.9 Ionization (gas-filled) tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.10Display tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
13.11Microwave tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
13.12Tubes versus Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
A-1 ABOUT THIS BOOK 495
A-2 CONTRIBUTOR LIST 499
A-3 DESIGN SCIENCE LICENSE 507


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