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Lab Manual - PHYS-3360 AEP-3630 LABORATORY MANUAL 2009-2010...

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PHYS-3360/ AEP-3630 LABORATORY MANUAL 2009-2010 E. J. Kirkland and R. Littauer School of Applied and Engineering Physics and Physics Department Cornell University June 1, 2009
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Contents 1 INTRODUCTION 1 1.1 Voltage Signals and Ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Measuring Voltages and Rise Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Using the Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.2 Horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.3 Triggering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.4 Input Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Ideal Voltage and Current Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6 Kirchhoff’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7 Superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.8 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.9 Circuit Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.10 Waveshaping by R-C Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.11 High-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.12 Low-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.13 Source Impedance (or Resistance) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.14 Thevenin’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.15 Norton ’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.16 Source Impedance and Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.17 Practice Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2 THE OPERATIONAL AMPLIFIER 33 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 The Decibel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3 Manufacturers’ Data Books and Spec-Sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4 Connecting the Power Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Small-Signal Amplification and Input Offset Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.6 The Overdriven Amplifier or Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7 The Ideal Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.8 Positive Feedback and the Schmitt Trigger Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 iii
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iv CONTENTS 2.9 Free-Running (Astable) Multivibrator or Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.10 Single-Supply Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.11 Typical Values of Some Op-amp Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.12 Practice Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3 SINUSOIDAL SIGNALS 51 3.1 Phasor Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2 Complex Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3 Complex Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4 Working with Complex Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.5 The Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6 The Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.7 Combinations of Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.8 The Transfer Function and Bode Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.9 High-Pass R-C Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.10 Low-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.11 Bode Plots, Poles and Zeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.12 A Bandpass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.13 Computer Aided Design and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.14 Fourier Analysis. The Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.15 R-C Networks in the Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.16 Differentiation and Integration–the Time-Domain View . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.17 A Note on Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.18 Practice Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 NEGATIVE FEEDBACK CIRCUITS 77 4.1 General Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 Differential and Common-Mode Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.3 The Voltage Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4 Noninverting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.5 The Inverting Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.6 The Virtual-Ground Point: Current Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.7 Non-Ideal Op-Amp Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.8 Summing with Op-Amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.9 Differential Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.10 Time Integration Using an Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.11 Active Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.12 Integration and Bias Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.13 Time Differentiation using Op-amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.14 Nonlinear Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.15 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
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CONTENTS v 4.16 Stability Problems in Voltage Followers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.17 Op-amp Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.18 Practice Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5 DIODES 105 5.1 Ideal Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2 The Silicon Junction Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.3 The Diode Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.4 Diode Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.5 Zener Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.6 Measuring the I-V Curve of a Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.7 Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.7.1 Half-Wave Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.7.2 Full-wave rectification with center-tapped transformer . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.7.3 Full-wave bridge rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.7.4 Voltage Doubler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.7.5 Filter Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.8 Diode Circuit Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.9 Clipping Circuits (Limiters) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.10 AC Coupling (Level Shifting), DC Restoration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.11 Pickoff Circuits, Pulse Stretching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.12 Waveshaping with Circuits Containing Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.13 Diodes in the Operational Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.14 Incremental Diode Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.15 SOME DIODE CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.16 Practice Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6
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