Electronics. A Systems Approach

Cover......Page 1
Title Page......Page 4
Copyright Page......Page 5
Brief Contents......Page 6
Contents......Page 8
Preface......Page 14
List of Videos......Page 18
Acknowledgements......Page 20
Publisher’s Acknowledgements......Page 21
Part 1 ELECTRICAL CIRCUITS AND COMPONENTS......Page 22
  1.1 Introduction......Page 24
  1.2 Système International units......Page 25
  1.4 Electrical circuits......Page 26
  1.6 Resistors, capacitors and inductors......Page 29
  1.7 Ohm’s law......Page 30
  1.8 Kirchhoff’s laws......Page 31
  1.9 Power dissipation in resistors......Page 32
  1.11 Resistors in parallel......Page 33
  1.12 Resistive potential dividers......Page 34
  1.13 Sinusoidal quantities......Page 36
  1.14 Circuit symbols......Page 37
  Key points......Page 38
  Exercises......Page 39
  2.1 Introduction......Page 41
  2.2 Sine waves......Page 42
  2.3 Square waves......Page 49
  2.4 Measuring voltages and currents......Page 50
  2.5 Analogue ammeters and voltmeters......Page 51
  2.6 Digital multimeters......Page 55
  2.7 Oscilloscopes......Page 56
  Key points......Page 59
  Exercises......Page 60
  3.2 Current and charge......Page 63
  3.3 Voltage sources......Page 64
  3.5 Resistance and Ohm’s law......Page 65
  3.6 Resistors in series and parallel......Page 66
  3.7 Kirchhoff’s laws......Page 68
  3.8 Thévenin’s theorem and Norton’s theorem......Page 70
  3.9 Superposition......Page 74
  3.10 Nodal analysis......Page 77
  3.11 Mesh analysis......Page 79
  3.13 Choice of techniques......Page 83
  Key points......Page 84
  Exercises......Page 85
  4.2 Capacitors and capacitance......Page 90
  4.3 Capacitors and alternating voltages and currents......Page 92
  4.4 The effect of a capacitor’s dimensions on its capacitance......Page 93
  4.5 Electric field strength and electric flux density......Page 94
  4.6 Capacitors in series and in parallel......Page 96
  4.7 Relationship between voltage and current in a capacitor......Page 98
  4.8 Sinusoidal voltages and currents......Page 99
  4.10 Circuit symbols......Page 100
  Key points......Page 101
  Exercises......Page 102
  5.2 Electromagnetism......Page 104
  5.4 Inductance......Page 108
  5.5 Self-inductance......Page 109
  5.6 Inductors......Page 110
  5.8 Relationship between voltage and current in an inductor......Page 112
  5.9 Sinusoidal voltages and currents......Page 114
  5.11 Mutual inductance......Page 115
  5.12 Transformers......Page 117
  5.13 Circuit symbols......Page 118
  5.14 The use of inductance in sensors......Page 119
  Further study......Page 120
  Exercises......Page 121
  6.1 Introduction......Page 124
  6.2 Relationship between voltage and current......Page 125
  6.3 Reactance of inductors and capacitors......Page 126
  6.4 Phasor diagrams......Page 129
  6.5 Impedance......Page 135
  6.6 Complex notation......Page 136
  Key points......Page 142
  Exercises......Page 143
  7.2 Power dissipation in resistive components......Page 146
  7.3 Power in capacitors......Page 147
  7.5 Power in circuits with resistance and reactance......Page 148
  7.6 Active and reactive power......Page 150
  7.7 Power factor correction......Page 152
  7.8 Three-phase systems......Page 153
  Further study......Page 154
  Exercises......Page 155
  8.2 Two-port networks......Page 157
  8.3 The decibel (dB)......Page 159
  8.4 Frequency response......Page 161
  8.5 A high-pass RC network......Page 162
  8.6 A low-pass RC network......Page 166
  8.7 A low-pass RL network......Page 169
  8.8 A high-pass RL network......Page 170
  8.9 A comparison of RC and RL networks......Page 171
  8.10 Bode diagrams......Page 172
  8.11 Combining the effects of several stages......Page 173
  8.12 RLC circuits and resonance......Page 175
  8.13 Filters......Page 180
  8.14 Stray capacitance and inductance......Page 184
  Key points......Page 185
  Exercises......Page 186
  9.2 Charging of capacitors and energizing of inductors......Page 189
  9.3 Discharging of capacitors and de-energising of inductors......Page 193
  9.4 Generalised response of first-order systems......Page 195
  9.5 Second-order systems......Page 200
  Further study......Page 201
  Exercises......Page 202
  10.2 A simple AC generator......Page 205
  10.3 A simple DC generator......Page 207
  10.4 DC generators or dynamos......Page 209
  10.5 AC generators or alternators......Page 210
  10.6 DC motors......Page 211
  10.7 AC motors......Page 212
  10.9 Stepper motors......Page 214
  10.10 Electrical machines – a summary......Page 216
  Exercises......Page 217
Part 2 ELECTRONIC SYSTEMS......Page 220
  11.1 Introduction......Page 222
  11.3 Systems......Page 223
  11.4 System inputs and outputs......Page 224
  11.5 Physical quantities and electrical signals......Page 225
  11.6 System block diagrams......Page 227
  Further study......Page 228
  Exercises......Page 229
  12.1 Introduction......Page 230
  12.2 Describing sensor performance......Page 231
  12.3 Temperature sensors......Page 233
  12.4 Light sensors......Page 234
  12.5 Force sensors......Page 237
  12.6 Displacement sensors......Page 238
  12.7 Motion sensors......Page 243
  12.8 Sound sensors......Page 244
  12.9 Sensor interfacing......Page 245
  Further study......Page 248
  Exercises......Page 249
  13.2 H eat actuators......Page 251
  13.3 Light actuators......Page 252
  13.4 Force, displacement and motion actuators......Page 254
  13.5 Sound actuators......Page 256
  13.6 Actuator interfacing......Page 257
  13.7 Actuators – a summary......Page 258
  Exercises......Page 260
  14.1 Introduction......Page 262
  14.2 Electronic amplifiers......Page 264
  14.3 Sources and loads......Page 265
  14.4 Equivalent circuit of an amplifier......Page 267
  14.5 Output power......Page 271
  14.6 Power gain......Page 274
  14.7 Frequency response and bandwidth......Page 275
  14.8 Differential amplifiers......Page 276
  14.9 Simple amplifiers......Page 278
  Key points......Page 279
  Exercises......Page 280
  15.1 Introduction......Page 282
  15.2 Open-loop and closed-loop systems......Page 283
  15.3 Automatic control systems......Page 284
  15.4 Feedback systems......Page 286
  15.5 Negative feedback......Page 288
  15.6 The effects of negative feedback......Page 292
  Further study......Page 295
  Exercises......Page 296
  16.1 Introduction......Page 299
  16.3 Some basic operational amplifier circuits......Page 301
  16.4 Some other useful circuits......Page 306
  16.5 Real operational amplifiers......Page 315
  16.6 Selecting component values for op-amp circuits......Page 319
  16.7 The effects of feedback on op-amp circuits......Page 320
  Further study......Page 323
  Key points......Page 324
  Exercises......Page 325
  17.2 Electrical properties of solids......Page 330
  17.3 Semiconductors......Page 331
  17.4 pn junctions......Page 333
  17.5 Diodes......Page 336
  17.6 Semiconductor diodes......Page 337
  17.7 Special-purpose diodes......Page 345
  17.8 Diode circuits......Page 349
  Key points......Page 354
  Exercises......Page 355
  18.2 An overview of field-effect transistors......Page 357
  18.3 Insulated-gate field-effect transistors......Page 359
  18.4 Junction-gate field-effect transistors......Page 361
  18.5 FET characteristics......Page 363
  18.6 FET amplifiers......Page 371
  18.7 Other FET applications......Page 393
  18.8 FET circuit examples......Page 399
  Key points......Page 402
  Exercises......Page 403
  19.2 An overview of bipolar transistors......Page 406
  19.3 Bipolar transistor operation......Page 408
  19.4 A simple amplifier......Page 411
  19.5 Bipolar transistor characteristics......Page 412
  19.6 Bipolar amplifier circuits......Page 421
  19.7 Bipolar transistor applications......Page 458
  19.8 Circuit examples......Page 461
  Further study......Page 463
  Key points......Page 464
  Exercises......Page 465
  20.1 Introduction......Page 470
  20.2 Bipolar transistor power amplifiers......Page 471
  20.3 Classes of amplifier......Page 474
  20.4 Power amplifiers......Page 477
  20.5 Four-layer devices......Page 482
  20.6 Power supplies and voltage regulators......Page 487
  Key points......Page 492
  Exercises......Page 493
  21.1 Introduction......Page 496
  21.2 Bipolar operational amplifiers......Page 497
  21.3 CMOS operational amplifiers......Page 502
  21.5 BiMOS operational amplifiers......Page 506
  Exercises......Page 507
  22.1 Introduction......Page 509
  22.2 Noise sources......Page 510
  22.3 Representing noise sources within equivalent circuits......Page 513
  22.6 Signal-to-noise ratio......Page 514
  22.7 Noise figure......Page 515
  22.8 Designing for low-noise applications......Page 516
  22.9 Electromagnetic compatibility......Page 517
  22.10 Designing for EMC......Page 522
  Key points......Page 531
  Exercises......Page 532
  23.2 Oscillators......Page 533
  23.3 Stability......Page 540
  Exercises......Page 545
  24.2 Binary quantities and variables......Page 548
  24.3 Logic gates......Page 552
  24.4 Boolean algebra......Page 556
  24.5 Combinational logic......Page 558
  24.6 Boolean algebraic manipulation......Page 563
  24.7 Algebraic simplification......Page 566
  24.8 Karnaugh maps......Page 568
  24.9 Automated methods of minimisation......Page 575
  24.10 Propagation delay and hazards......Page 576
  24.11 Number systems and binary arithmetic......Page 578
  24.12 Numeric and alphabetic codes......Page 589
  24.13 Examples of combinational logic design......Page 595
  Further study......Page 601
  Key points......Page 602
  Exercises......Page 603
  25.1 Introduction......Page 607
  25.2 Bistables......Page 608
  25.3 Monostables or one-shots......Page 618
  25.4 Astables......Page 619
  25.5 Timers......Page 621
  25.6 Memory registers......Page 623
  25.7 Shift registers......Page 624
  25.8 Counters......Page 627
  25.9 Design of sequential logic circuits......Page 635
  Further study......Page 646
  Key points......Page 647
  Exercises......Page 648
  26.1 Introduction......Page 651
  26.2 Gate characteristics......Page 653
  26.3 Logic families......Page 659
  26.4 TTL......Page 669
  26.5 CMOS......Page 680
  26.6 Interfacing TTL and CMOS or logic using different supply voltages......Page 694
  26.7 Power dissipation in digital systems......Page 696
  26.8 Noise and EMC in digital systems......Page 698
  Key points......Page 704
  Exercises......Page 705
  27.1 Introduction......Page 709
  27.2 Array logic......Page 710
  27.3 Microprocessors......Page 730
  27.5 Programmable logic controllers (PLCs)......Page 765
  27.6 Single-board computers and microcontrollers......Page 766
  Further study......Page 770
  Key points......Page 771
  Exercises......Page 772
  28.2 Sampling......Page 774
  28.4 Data converters......Page 776
  28.5 Sample and hold gates......Page 783
  28.6 Multiplexing......Page 784
  Exercises......Page 787
  29.1 Introduction......Page 789
  29.2 The communications channel......Page 791
  29.3 Modulation......Page 794
  29.5 Multiplexing......Page 808
  29.6 Radio receivers......Page 809
  29.7 Microwave communication......Page 811
  29.8 Fibre-optic communication......Page 813
  Further study......Page 814
  Exercises......Page 815
  30.2 Design methodology......Page 817
  30.3 Choice of technology......Page 819
  30.4 Electronic design tools......Page 823
  Key points......Page 827
  Exercises......Page 828
Appendices A Symbols......Page 829
B SI units and prefixes......Page 832
C Op-amp circuits......Page 834
D Complex numbers......Page 839
E Answers to selected exercises......Page 844
 A......Page 847
 B......Page 848
 C......Page 849
 D......Page 850
 F......Page 852
 H......Page 853
 K......Page 854
 M......Page 855
 O......Page 856
 P......Page 857
 R......Page 858
 S......Page 859
 T......Page 861
 Z......Page 862