Electronics en.wikibooks.org March 15, 2015 On the 28th of April 2012 the contents of the English as well as German Wikibooks and Wikipedia projects were licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported license. A URI to this license is given in the list of figures on page 377. If this document is a derived work from the contents of one of these projects and the content was still licensed by the project under thislicenseatthetimeofderivationthisdocumenthastobelicensedunderthesame, asimilarora compatiblelicense,asstatedinsection4bofthelicense. Thelistofcontributorsisincludedinchapter Contributors on page 373. The licenses GPL, LGPL and GFDL are included in chapter Licenses on page 391, since this book and/or parts of it may or may not be licensed under one or more of these licenses,andthusrequireinclusionoftheselicenses. Thelicensesofthefiguresaregiveninthelistof figures on page 377. This PDF was generated by the LATEX typesetting software. 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Contents 0.1 Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 Aim of This Textbook 3 2 Preface 5 2.1 Importance of Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 Charge and Coulomb’s Law 7 3.1 Basic Understanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Balance of Charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.4 Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.5 Quantity of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.6 Force between Charges: Coulomb’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4 Basic Concepts 15 4.1 What is Electronics? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.2 Electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.3 Electric Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.4 Electricity and Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.5 Electricity and Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.6 Black Body Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5 Cells 21 5.1 Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6 Resistors 23 6.1 Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.2 Resistor’s Symbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6.3 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6.4 Resistor’s Labeling (See also Identification) . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.5 Resistor’s Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 6.6 Resistor Connection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 6.7 Resistor variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 6.8 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 6.9 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 6.10 Related Wikimedia resources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7 Capacitors 43 7.1 General remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 7.2 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 7.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 III Contents 7.4 Capacitor & Direct Current Voltage (DC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 7.5 Capacitor & Alternating Current Voltage (AC) . . . . . . . . . . . . . . . 48 7.6 Capacitor Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7.7 RC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 7.8 Capacitors - general remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7.9 Capacitor - types and styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.10 Capacitor - Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.11 Additional information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.12 Footnotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8 Inductors 139 8.1 Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.2 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.3 Inductor and Direct Current Voltage (DC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.4 Inductor and Alternating Current Voltage (AC) . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.5 Inductor’s Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.6 See Also . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9 Other Components 149 10 See also 155 11 DC Voltage and Current Laws 159 11.1 Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 11.2 Kirchoff’s Voltage Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 11.3 Voltage as a Physical Quantity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 11.4 Kirchoff’s Current Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 11.5 Consequences of KVL and KCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 12 Nodal Analysis 167 12.1 Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 12.2 Nodal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 12.3 Complications in Nodal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 12.4 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 12.5 External Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 13 Mesh Analysis 171 13.1 Meshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 13.2 Mesh Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 13.3 Complication in Mesh Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 13.4 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 14 Thevenin and Norton Equivalent Circuits 175 14.1 Source Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 14.2 Thevenin Equivalents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 14.3 Techniques For Finding Thevenin Equivalents . . . . . . . . . . . . . . . . 176 14.4 Norton Equivalents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 14.5 Thevenin and Norton Equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 IV Contents 15 Superposition 181 15.1 Superposition Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 16 Diagnostic Equipment 185 17 Diagnostic and Testing Equipment 187 17.1 Ammeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 17.2 Ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 17.3 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 17.4 Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 17.5 Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 17.6 Spectrum Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 17.7 Logic analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 17.8 Frequency counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 17.9 Electrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 17.10 Signal Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 18 DC Circuit Analysis 195 18.1 DC Circuit Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 18.2 Capacitors and Inductors at DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 18.3 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 19 Measuring Instruments 209 20 Measuring Instruments 211 20.1 Ammeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 20.2 Ohmmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 20.3 Multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 21 Electronics Laboratory Instruments 215 21.1 Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 21.2 Spectrum Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 21.3 Signal Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 21.4 Logic Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 22 Noise in electronic circuits 217 22.1 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 22.2 Noise Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 22.3 Analog Noise Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 22.4 Noise in digital circuits: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 22.5 Methods of reducing noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 22.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 22.7 Chapter 2: AC Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 23 AC Circuits 221 23.1 Relationship between Voltage and Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 23.2 Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 23.3 See also . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 V Contents 24 Phasors 223 24.1 Phasors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 24.2 Sinusoidal Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 24.3 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 24.4 Footnotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 25 Impedance 227 25.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 25.2 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 25.3 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 25.4 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 25.5 Circuit Analysis Using Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 26 Steady State 231 26.1 Steady State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 26.2 Chapter 3: Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 27 RC Circuits 233 28 RL Circuits 235 29 LC Circuits 237 30 RCL Circuits 239 30.1 Chapter 4: Analog Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 31 Analog Circuits 241 32 Vacuum Tubes 243 32.1 Passive Versus Active Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 32.2 Vacuum Tube equals Thermonic Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 32.3 Klystron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 32.4 Magnetron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 32.5 Cathode Ray Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 32.6 External Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 33 Diodes 247 33.1 Diode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 33.2 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 33.3 Diode Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 34 Transistors 255 34.1 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 34.2 Transistor Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 34.3 External links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 35 FET 259 35.1 Field Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 35.2 Current Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 35.3 Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 VI Contents 36 MOSFET 261 36.1 Complementary Metal Oxide Semiconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 36.2 Construction & Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 37 Amplifiers 263 37.1 Circuit Models for Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 37.2 Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 37.3 Transistor amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 37.4 FET Configurations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 37.5 Biased Voltage Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 37.6 Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 38 Operational amplifiers 279 39 Analog multipliers 281 39.1 Analog multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 39.2 Diode Implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 39.3 MOS implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 39.4 Chapter 4: Digital Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 40 Digital Circuits 287 40.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 41 Boolean Algebra 289 41.1 Boolean Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 42 TTL 297 42.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 42.2 The NOT Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 43 CMOS 303 43.1 CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 43.2 Logic Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 44.1 Elements of Digital Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 45 Transistors 311 45.1 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 45.2 Transistor Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 45.3 External links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 46 Basic gates 315 46.1 Basic Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 46.2 Five Basic Logic Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 46.3 Complement of Basic Logic gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 46.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 47 Combination gates 323 47.1 Complement of Basic Logic gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 47.2 XOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 VII Contents 48 Flip Flops 327 48.1 Flip Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 48.2 Gated Flip Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 48.3 Clock - Controlled Flip Flops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 49 Counters 343 49.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 49.2 Types of Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 50 Adders 345 50.1 Intro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 50.2 Digital Adder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 50.3 Multiple-bit adders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 50.4 Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 51 Decoders and Encoders 351 51.1 Encoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 52 Multiplexers 353 52.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 52.2 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 52.3 Computer Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 53 RAM and ROM 355 53.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 53.2 RAM (Random Access Memory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 53.3 ROM (Read Only Memory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 54 Registers 359 54.1 Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 55 ALU 361 56 Arithmetic and Logic Unit 363 57 Control Unit 365 57.1 further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 58 I/O 367 59 Input/Output 369 59.1 Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 59.2 Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 60 RTN 371 60.1 RTN (Register Transfer Notation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 61 Contributors 373 List of Figures 377 VIII Foreword 62 Licenses 391 62.1 GNU GENERAL PUBLIC LICENSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 62.2 GNU Free Documentation License. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 62.3 GNU Lesser General Public License . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 0.1 Foreword 1