Oil and Gas Engineering Guide

The Circuit Designer’s Companion......Page 2
Copyright......Page 3
Introduction to the first edition (Tim Williams, 1990)......Page 4
6.2 Interfacing......Page 5
8.6.2 Mains filters......Page 74
1 Grounding and wiring......Page 7
1.1 Grounding......Page 8
When to consider grounding......Page 9
1.1.2 Chassis ground......Page 10
1.1.3 The conductivity of aluminum......Page 11
1.1.4 Ground loops......Page 12
1.1.5 Power supply returns......Page 14
Varying loads......Page 15
Power rail feed......Page 16
External ground connection......Page 17
Avoiding the common impedance\r......Page 19
1.1.8 Inter-board interface signals......Page 20
Partitioning the signal return......Page 21
1.1.9 Star-point grounding......Page 22
1.1.10 Ground connections between units......Page 23
Breaking the ground link......Page 24
Which end to ground for LF shielding......Page 25
Electrostatic screening\r......Page 26
1.1.12 The safety earth......Page 27
Wire inductance......Page 28
Wire-wrap wire......Page 29
1.2.3 Power cables......Page 30
1.2.4 Data and multicore cables......Page 31
Structured data cable......Page 32
Shielding and microphony......Page 33
1.2.5 RF cables......Page 34
1.2.6 Twisted pair......Page 35
1.2.7 Crosstalk......Page 36
Digital crosstalk......Page 38
1.3 Transmission lines......Page 39
1.3.1 Characteristic impedance......Page 40
Forward and reflected waves......Page 41
The Bergeron diagram......Page 42
Standing wave distribution versus frequency\r......Page 44
Impedance transformation......Page 45
Lossy lines\r......Page 46
Understanding the transmission line impedance graphically\r......Page 48
6 Digital circuits......Page 51
Epoxy-glass......Page 53
Temperature dependence of forward voltage......Page 54
2.1.3 Choice of type......Page 56
Panelization\r......Page 57
7.2.1 Voltage......Page 303
2.1.5 How a multilayer board is made......Page 58
2.2.1 Track width and spacing......Page 61
Conductor resistance......Page 62
Capacitor type and value\r......Page 63
Vias......Page 64
Through hole pads......Page 65
2.2.4 Ground and power distribution......Page 66
The ground plane\r......Page 67
Inside or outside layers......Page 69
3.2.1 Trimmer types......Page 70
Bed-of-nails probing......Page 71
2.2.7 Terminations and connections......Page 72
Edge connectors......Page 73
A simple leakage example\r......Page 75
8.6.4 Feedthrough and three-terminal capacitors......Page 78
2.3.3 Component identification......Page 79
7.3.3 Transient suppressors......Page 80
Simplicity......Page 269
Thermal radiation......Page 81
Thermal expansion......Page 82
The impact of thermal stress on reliability......Page 83
2.4 Surface protection......Page 84
Ripple current and ESR\r......Page 121
6.4.1 The threat of corruption......Page 85
2.4.2 Conformal coating......Page 86
Application......Page 87
Using a bureau......Page 88
2.5.2 Boards......Page 89
Surface mount chip\r......Page 93
5.2.1 Offset voltage......Page 198
Precision resistors\r......Page 96
Resistor networks\r......Page 97
Bias current levels\r......Page 201
Basic statistical behavior......Page 98
8.2.1 The EMC Directive......Page 346
3.1.3 Temperature coefficient......Page 101
Installation......Page 103
Limiting element voltage (LEV)\r......Page 104
6.2.1 Mixing analog and digital......Page 252
Very low values......Page 105
3.1.9 Resistor networks......Page 106
Value tracking: thick film versus thin film......Page 107
3.2 Potentiometers......Page 108
Wirewound\r......Page 109
Stray capacitance at the input\r......Page 212
Insertion loss versus impedance and current......Page 110
Adjustability......Page 111
Manufacturing processes......Page 112
Polyester\r......Page 113
Polypropylene and polystyrene......Page 116
Spikes and surges......Page 117
3.3.2 Multilayer ceramics......Page 118
Instruction cycle time......Page 119
Construction......Page 120
9.5.2 Heatsinks......Page 400
Temperature and lifetime......Page 122
Tantalum chip capacitors......Page 123
Source of the re-trigger pulse......Page 278
Value shifts\r......Page 124
3.3.7 Series capacitors and DC leakage......Page 125
5.3.3 Op-amps as comparators (and vice versa)......Page 231
3.3.9 Self resonance......Page 127
Consequences of self-resonance......Page 128
3.4.1 Permeability......Page 129
Ferrites\r......Page 130
Iron powder......Page 131
3.4.2 Magnetic material definitions and metrics......Page 132
Hysteresis loop metrics\r......Page 133
Measurement methods\r......Page 135
Issues with unusual winding configurations......Page 136
Background\r......Page 137
Theoretical methods......Page 138
3.4.5 Inductor applications......Page 139
Power circuits\r\r......Page 140
3.4.6 The danger of inductive transients......Page 141
Relay coils\r......Page 142
Transient protection\r......Page 143
Angle of cut......Page 144
3.5.1 Resonance......Page 145
3.5.2 Oscillator circuits......Page 146
Series circuit\r......Page 147
3.5.4 Ceramic resonators......Page 148
4 Active components......Page 151
4.1.1 Forward bias......Page 153
Forward current......Page 154
Breakdown\r......Page 156
7.2.2 Current......Page 157
Reverse recovery\r......Page 159
PSRR\r......Page 160
Slope resistance\r......Page 161
Leakage\r......Page 163
8.3.2 Radiated......Page 352
4.1.8 The zener as a clamp......Page 164
6.2.2 Generating digital levels from analog inputs......Page 255
4.2 Thyristors and triacs......Page 165
Thyristor versus triac\r......Page 166
Triggering characteristics\r......Page 167
Conduction\r......Page 168
Alternatives to opto-couplers......Page 169
Values for R and C\r......Page 170
9.3 Testability......Page 319
4.3.1 Leakage......Page 171
Definitions\r......Page 172
4.3.3 The Darlington......Page 173
Second breakdown\r......Page 174
Amplifier noise......Page 175
4.3.6 Switching and high-frequency performance......Page 176
4.3.7 Grading......Page 177
4.4 Junction field effect transistors......Page 178
4.4.2 Applications......Page 180
Current regulators......Page 181
The gate current breakpoint\r......Page 182
Depressed Zin......Page 183
Gate breakdown\r......Page 184
MOSFET trade-offs......Page 185
4.5.2 VMOS power FETs......Page 186
Gate-source overvoltage\r......Page 187
4.5.4 Switching speed......Page 189
4.6 IGBTs......Page 190
Silver oxide......Page 280
4.6.2 Advantages over MOSFETs and bipolars......Page 191
4.6.3 Disadvantages......Page 193
9 General product design......Page 195
5.1 The ideal op-amp......Page 197
Output saturation due to amplified offset\r......Page 199
Offset drift\r......Page 200
CMRR\r......Page 202
Absolute maximum input\r......Page 204
Power rail voltage\r......Page 205
5.2.7 Slew rate and large-signal bandwidth......Page 207
Slewing distortion......Page 208
Reservoir capacitor......Page 314
5.2.10 The oscillating amplifier......Page 210
Power supply coupling\r......Page 211
Sagging AOL......Page 213
5.2.12 Noise......Page 214
Power spectral density of noise......Page 215
USB......Page 216
Thermal noise......Page 217
Noise bandwidth......Page 221
Modeling and simulation of noise......Page 222
IS versus speed and dissipation......Page 223
Specification validity......Page 224
When to use industry standards......Page 225
Sleep and wake-up......Page 274
Quad or dual packages......Page 226
5.2.16 Current feedback op-amps......Page 227
5.3.1 Output parameters......Page 228
Load impedance......Page 229
The advantages of the active low......Page 230
The subtle effects of edge oscillation......Page 232
Hysteresis......Page 233
Comparator parameters versus input voltage......Page 235
5.4.2 Band-gap references......Page 236
9.4.1 Definitions......Page 389
Costs and interchangeability......Page 237
Output voltage temperature coefficient......Page 238
5.5 Circuit modeling......Page 239
6.1.1 Noise immunity and thresholds......Page 243
Susceptibility to noise\r......Page 244
Dynamic noise immunity\r......Page 245
6.1.2 Fan-out and loading......Page 246
Dynamic loading\r......Page 247
6.1.3 Induced switching noise......Page 248
6.1.4 Decoupling......Page 249
Distance\r......Page 250
Guidelines\r......Page 251
Segregation......Page 253
Single-board systems......Page 254
De-bouncing switch inputs......Page 256
6.2.4 Isolation......Page 258
Coupling capacitance......Page 259
6.2.5 Classic data interface standards......Page 260
EIA-232F......Page 261
Interface design......Page 263
EIA-485......Page 264
CAN......Page 265
Ethernet......Page 266
PCI Express......Page 267
6.3 Using microcontrollers......Page 268
Output processes......Page 270
Real-time interrupts and latency......Page 271
7.4.1 Case size and construction......Page 272
PWM-style outputs......Page 273
6.4 Microprocessor watchdogs and supervision......Page 275
Power rail supervision......Page 276
Timeout period......Page 277
Generation of the re-trigger pulses in software......Page 279
Protecting non-volatile memory......Page 281
VCC differential......Page 282
Nickel–cadmium......Page 283
Data communication......Page 284
6.5.3 Re-initialization......Page 285
6.6 Choice of hardware platform......Page 286
6.9 Analog-to-digital conversion......Page 287
6.9.1 Digitization......Page 291
Example......Page 292
6.10.2 Counting ADC......Page 294
6.10.3 Successive approximation ADC......Page 295
6.10.5 Oversampled or sigma delta converters......Page 296
7 Power supplies......Page 299
9.1 Safety......Page 374
7.1.1 The linear supply......Page 301
7.1.4 Off-the-shelf versus roll-your-own......Page 302
7.2.3 Fuses......Page 304
7.2.4 Switch-on surge, or inrush current......Page 306
PTC thermistor limiting......Page 307
Peak current summation......Page 308
Power factor correction......Page 309
7.2.7 Efficiency......Page 310
7.2.8 Deriving the input voltage from the output......Page 311
7.2.9 Low-load condition......Page 313
Thermal regulation......Page 315
7.2.12 Ripple and noise......Page 316
Layout to avoid ripple......Page 317
Switch-mode versus linear......Page 318
Interruptions......Page 320
Crowbar circuit requirements......Page 323
PSU supervisor circuits......Page 324
7.4 Mechanical requirements......Page 325
Heatsinking......Page 326
7.5 Batteries......Page 327
Series and parallel connection......Page 328
9.5.4 Placement and layout......Page 329
Alkaline manganese dioxide......Page 331
Lead–acid......Page 332
Lithium–ion......Page 334
Lead–acid......Page 336
7.6 Advanced circuit protection......Page 337
8 Electromagnetic compatibility......Page 339
The hazards of electricity......Page 340
Radio transmitters......Page 341
Transients......Page 342
Determining and specifying the effects of interference......Page 344
Emissions from digital equipment......Page 345
Harmonized versus non-harmonized standards......Page 347
8.2.2 Existing standards......Page 348
8.3 Interference coupling mechanisms......Page 350
8.3.1 Conducted......Page 351
8.4 Circuit design and layout......Page 353
Noise margin, clock frequency and power supply noise......Page 354
8.4.2 Analog circuits......Page 355
Shielding effectiveness......Page 356
8.5.1 Apertures......Page 358
8.5.2 Seams......Page 360
Impedances......Page 361
Components and layout......Page 363
8.6.3 I/O filters......Page 365
Circuit considerations......Page 367
Properly terminating the cable shield......Page 368
Screened backshells......Page 369
8.8 EMC design checklist......Page 370
Outline placeholder......Page 0
Basic insulation......Page 376
IEEE standards......Page 411
9.1.3 Design considerations for safety protection......Page 377
9.1.4 Fire hazard......Page 378
Production......Page 379
9.2.2 The dangers of ESD......Page 380
Static protection......Page 381
9.3.1 In-circuit testing......Page 383
ATE......Page 384
Description of the boundary-scan method......Page 385
Devices......Page 386
9.3.4 Design techniques......Page 387
Circuit design......Page 388
Availability......Page 390
Temperature......Page 391
High-reliability components......Page 392
Stress screening and burn-in......Page 393
9.4.4 The value of MTBF figures......Page 394
The design review......Page 395
9.5.1 Using thermal resistance......Page 396
Partitioning the heat path......Page 397
Thermal capacity......Page 398
Forced air cooling......Page 402
Heatsink surface preparation......Page 403
Lead bend......Page 404
The insulating washer......Page 405
Mounting hardware......Page 406
British standards......Page 409
Bibliography......Page 415
A......Page 419
B......Page 420
C......Page 421
D......Page 424
E......Page 425
F......Page 426
G......Page 427
I......Page 428
L......Page 430
M......Page 431
N......Page 433
O......Page 434
P......Page 435
R......Page 437
S......Page 439
T......Page 442
W......Page 444
Z......Page 445