v
Contents
Preface ����������������������������������������������������������������������������������������������������������xvii
Author ������������������������������������������������������������������������������������������������������������xix
Chapter 1 Mathematical Tools ����������������������������������������������������������������������� 1
1�1 Multiples and Submultiples ������������������������������������������������ 1
1�2 Periodic Waveforms ����������������������������������������������������������� 3
1�2�1 Sine Waves ������������������������������������������������������������ 9
1�2�2 Square Waves �������������������������������������������������������� 9
1�2�3 Characterizations �������������������������������������������������10
1�2�3�1 Average Value ����������������������������������������10
1
�2�3�2 Ro
ot Mean Square Value
������������������������10
1�2�3�3 De
scriptive Values
����������������������������������11
1�3 Fu
ndamental Trigonometric Formulae
������������������������������11
1�3�1 Py
thagorean Identity
���������������������������������������������11
1�3�2 Addi
tion and Subtraction
������������������������������������� 12
1�3�3 Wer
ner Formulas
������������������������������������������������� 13
1�3�4 Dup
lication Formulas
������������������������������������������� 13
1�3�5 Pr
osthaphaeresis Formulas
�����������������������������������14
1�4 Co
mplex Numbers
������������������������������������������������������������14
1�5 Ph
ase Vector (or Phasor)
�������������������������������������������������� 15
1�6 La
place Transform
�����������������������������������������������������������17
1�7 Ta
ylor Series
��������������������������������������������������������������������18
1�8 Fo
urier Series and Integral
���������������������������������������������� 19
1�9 M
odulation
�����������������������������������������������������������������������21
1�10 Ke
y Points, Jargon, and Terms
����������������������������������������� 22
1�11 Ex
ercises
������������������������������������������������������������������������ 23
C
hapter 2
Ph
ysical and Electrical Background
��������������������������������������������� 29
2�1 Fo
rce, Work, Energy, Power
���������������������������������������������� 29
2�2 He
at and Temperature
����������������������������������������������������� 3
2
2
�2�1 De
gree Celsius or Centigrade (°C)
������������������������ 3
2
2
�2�2 De
gree Fahrenheit (°F)
����������������������������������������� 33
2�2�3 Ke
lvin (K)
������������������������������������������������������������ 33
2�3 El
ectric Charge
���������������������������������������������������������������� 35
2�4 Cou
lomb Force
��������������������������������������������������������������� 35
2�5 El
ectric Field
������������������������������������������������������������������� 36
2�6 El
ectric Induction
������������������������������������������������������������ 38
2�7 El
ectric Current
��������������������������������������������������������������� 39
2�8 El
ectric Voltage
����������������������������������������������������������������41
2�9 El
ectron Mobility
������������������������������������������������������������� 43
2�10 El
ectric Energy and Power
����������������������������������������������� 43
2
�11 Co
nventional Notations
��������������������������������������������������� 45
K18911_Book.indd 5 27/12/13 7:24 PM
Contents
vi
2.12 Magnetic Field ................................................................. 45
2.12.1 Biot–Savart Law ................................................... 46
2.12.2 Magnetic Properties of Matter .............................. 47
2.13 Magnetic Induction .......................................................... 48
2.14 Undulatory Phenomena ....................................................51
2.14.1 Electromagnetic Waves .........................................51
2.14.1.1 Light ......................................................51
2.14.1.2 Electromagnetic Waves in a Medium ...... 52
2.14.2 Mechanical Waves ............................................... 53
2.15 Key Points, Jargon, and Terms ......................................... 56
2.16 Exercises ........................................................................ 57
Chapter 3 Nature of Matter ..........................................................................61
3.1 Atomic Model ...................................................................61
3.1.1 Shells, Subshells, Orbitals ................................... 63
3.1.2 Spectroscopic Notation........................................ 66
3.1.3 Octet Rule ........................................................... 67
3.2 Lattice ............................................................................ 68
3.3 Wave–Particle Duality ...................................................... 70
3.4 Electromagnetic Radiation ............................................... 72
3.4.1 Photoelectric Effect ............................................. 72
3.4.2 Production of Radiation ....................................... 73
3.4.3 Radiation and Ionization ...................................... 73
3.5 Energy Band Theory ........................................................ 76
3.6 Conductors ..................................................................... 80
3.7 Insulators .........................................................................81
3.8 Semiconductors .............................................................. 82
3.8.1 Intrinsic and Extrinsic Semiconductors ................ 82
3.8.2 Commonly Used Semiconductors ........................ 82
3.8.2.1 Germanium .......................................... 84
3.8.2.2 Silicon .................................................. 84
3.8.2.3 Gallium Arsenide .................................. 87
3.8.2.4 Organic Semiconductors ....................... 88
3.8.2.5 Others .................................................. 88
3.9 Electrical Resistance and Joule Heating ........................... 89
3.10 Temperature Coefcient .................................................. 89
3.11 Key Points, Jargon, and Terms ......................................... 90
Chapter 4 Two-Terminal Components ......................................................... 93
4.1 Denitions....................................................................... 93
4.2 Conventional Notations ................................................... 95
4.3 Topology of Interconnections .......................................... 95
4.3.1 Series Topology (Voltage Divider) ......................... 95
4.3.2 Parallel Topology (Current Divider) ....................... 95
4.3.3 Bridge Topology .................................................. 96
4.3.4 Star and Triangle Topologies ............................... 96
4.4 Resistors ......................................................................... 97
K18911_Book.indb 6 27/12/13 6:23 PM
Contents
vii
4.4.1 Resistance, Resistivity, Conductance, and
Conductivity ....................................................... 97
4.4.2 Classication ....................................................... 99
4.4.3 Coding Scheme ................................................. 100
4.4.4 Power Resistors ..................................................103
4.4.5 Trimmer and Potentiometer ................................104
4.4.6 SMD Resistors ....................................................104
4.4.7 Ohm’s Law .........................................................105
4.4.8 Joule’s Law ....................................................... 108
4.4.9 Real Power ........................................................ 108
4.4.10 Physical Meaning of the RMS Value .....................110
4.4.11 Resistors in Series .............................................. 111
4.4.12 Resistors in Parallel ............................................112
4.4.13 Resistor Bridge ...................................................113
4.4.14 Resistors in Star and Triangle Connections .........113
4.4.15 Voltage Divider ...................................................115
4.4.16 Current Divider ...................................................116
4.5 Electrical Sources ..........................................................116
4.5.1 Ideal Voltage Source ...........................................117
4.5.2 Ideal Current Source ..........................................118
4.5.3 Non-Ideal Voltage and Current Sources ............... 118
4.6 Capacitors ......................................................................119
4.6.1 Capacitance .......................................................119
4.6.2 Types of Capacitors ........................................... 123
4.6.3 Capacitor Markings ............................................ 124
4.6.3.1 Ceramic Capacitors ............................. 124
4.6.3.2 Polyester Capacitors ............................ 125
4.6.3.3 Electrolytic Capacitors......................... 126
4.6.3.4 Color-Coding Scheme.......................... 126
4.6.3.5 SM Capacitors ..................................... 126
4.6.4 Charge and Discharge of a Capacitor ................. 127
4.6.5 Capacitors in Series........................................... 128
4.6.6 Capacitors in Parallel ......................................... 129
4.6.7 Energy Stored in Capacitors ............................... 130
4.6.8 Reactive Power ...................................................131
4.7 Inductors .......................................................................133
4.7.1 Inductance .........................................................133
4.7.2 Flu x .................................................................. 134
4.7.3 Electromagnetic Induction ................................. 134
4.7.4 Self-Inductance ................................................. 136
4.7.5 Types of Inductors .............................................137
4.7.5.1 Solenoid ..............................................137
4.7. 5.2 C oa x ia l ............................................... 138
4.7.6 Inductors in Series ............................................ 138
4.7.7 Inductors in Parallel ........................................... 139
4.7.8 Energy Stored in Inductors .................................140
4.7.9 Reactive Power ...................................................140
4.8 Capacitor–Inductor Duality .............................................141
4.9 Complex Power ..............................................................142
K18911_Book.indb 7 27/12/13 6:23 PM
Contents
viii
4.10 Summary of Constitutive Relations .................................145
4.11 Key Points, Jargon, and Terms ........................................145
4.12 Exercises .......................................................................147
Chapter 5 Two-Port Networks .....................................................................161
5.1 Denitions......................................................................161
5.2 Transformers .................................................................163
5.3 Dependent Sources ........................................................165
5.4 Models of Two-Port Networks ..........................................166
5.4.1 Classication ...................................................... 167
5.4.2 Equivalent Circuits ............................................ 168
5.4.3 Examples of Conversion between Network
Parameters ........................................................ 168
5.4.3.1 From [H] to [Z] ..................................... 168
5.4.3.2 From [Z] to [H] ...................................... 170
5.4.4 Conversion Table................................................171
5.4.5 Examples ...........................................................172
5.5 Interconnections of Two-Port Networks ........................... 175
5.5.1 Series Connection ..............................................175
5.5.2 Parallel Connection ............................................175
5.5.3 Series–Parallel and Parallel–Series Connections ..176
5.5.4 Cascade Connection ..........................................177
5.6 Key Points, Jargon, and Terms ........................................178
5.7 Exercises .......................................................................178
Chapter 6 Circuit Theorems .......................................................................191
6.1 Denitions......................................................................191
6.1.1 Electric Circuit and Its Elements .........................191
6.1.2 Equivalent Networks ...........................................193
6.1.3 Node, Branch, Mesh............................................193
6.1.4 Ground and Floating Ground ............................. 194
6.1.5 Decibel ............................................................. 195
6.2 Kirchhoff’s Laws ............................................................ 197
6.2.1 Kirchhoff’s Current Law (KCL) ............................ 198
6.2.2 Kirchhoff’s Voltage Law (KVL) ............................ 198
6.3 Thévenin’s Theorem ...................................................... 199
6.4 Norton’s Theorem...........................................................201
6.5 Superposition Theorem ................................................. 202
6.6 Miller’s Theorem ............................................................ 203
6.7 Miller’s Dual Theorem .................................................... 205
6.8 Substitution Theorem .................................................... 206
6.9 Impedance Matching and Bridging ................................. 206
6.9.1 Introduction ...................................................... 206
6.9.2 Maximum Power Transfer Theorem .................... 207
6.9.2.1 Resistive Impedances for Both
Sourceand Load ................................. 207
K18911_Book.indb 8 27/12/13 6:23 PM
Get Principles of Analog Electronics now with the O’Reilly learning platform.
O’Reilly members experience books, live events, courses curated by job role, and more from O’Reilly and nearly 200 top publishers.