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電子回路論第3Electric Circuits for Physicists #3 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾 Shingo Katsumoto

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Page 1: 電子回路論第3回 Electric Circuits for Physicists #3...電子回路論第3回 Electric Circuits for Physicists #3 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾

電子回路論第3回

Electric Circuits for Physicists #3

東京大学理学部・理学系研究科

物性研究所

勝本信吾

Shingo Katsumoto

Page 2: 電子回路論第3回 Electric Circuits for Physicists #3...電子回路論第3回 Electric Circuits for Physicists #3 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾

電源の雑知識 (続き)

Miscellaneous knowledge

on power supplies (continued)

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DC Stabilized Power Supply 直流安定化電源 Series (Dropper) regulation

From TDK web page

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Series regulator power supply

Uni-polar Dual tracking

High precision Bi-polar current source

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Switching regulation

From TDK

web page

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Switching regulator power supply

Molecular beam epitaxy

Control panel

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Bin 電源ビン

Complicated power lines Bin

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Outline 2.5 Theorems for paired terminal circuits

Superposition, Ho-Thevenin, Reciprocity

2.6 Duality

2.7 Passive devices (elements) and active devices

Ch.3 Transfer function and transient response

3.1 Transfer function of single-pair terminal circuits

Resonance circuit

Bode plot

General properties

Appendix B Bridges and balance circuits

Appendix C General properties of resonance circuits

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Concept of terminal pair

Electric circuit: a viewpoint

Two-terminal elements : linear response: Impedance

: power (energy) source (electromotive force)

Lumped constant circuit

Local electromagnetic field

One can pull out

a 2-terminal

element

terminal pair

with current

conservation

J

J

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Two terminal-pair circuit

terminal pair index: k Jk

current : Jk

Jk

voltage : Vk

Vk Terminal pair parameters

Linear relations between terminal-pair parameters: terminal-pair matrices

F-matrix (cascade matrix)

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Impedance matrix, Admittance matrix

Impedance matrix

Admittance matrix

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Cascade connection of 4-terminal circuits

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Series connections of 4-terminal circuits

Series connection of

2-terminal elements

𝑉1

𝑉2

Stack along voltage direction

𝑍1

𝑍2

𝑍1

𝑍2

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Parallel connections of 4-terminal circuits

𝑌1

𝑌2

Parallel connection of

2-terminal elements

Current participation

with a common voltage

𝑌1

𝑌2

𝑉𝑖𝑛

𝐽𝑖𝑛

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝐽𝑜𝑢𝑡

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Theorems for terminal-pair circuits

Superposition theorem:

+

- P1

P2 J

+

- P1

JP1 P2 JP2

J JP1 JP2 + =

Jpi: The current caused on the output by i-th power source.

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Ho-Thevenin’s theorem

+

-

J

Z

1

2

3

+

- Vo Zi

Consider a circuit with an open terminal pair (No.3). Obtain current J when the

open pair is connected with impedance Z.

1. Measure the open terminal voltage 𝑉0.

2. Turn off all the power sources (voltage sources: short, current

sources: open). Measure the open circuit impedance 𝑍𝑖.

Then

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Ho-Thevenin’s theorem

Because:

+

- +

- 𝑉0

𝑍 𝐽𝑡 = 0

+

- 𝑉0

𝑍 𝐽0 = −𝑉0

𝑍 + 𝑍𝑖

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Norton’s theorem

+

- Y +

- Yi

V JS

Dual theorem to Ho-Thevenin

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Review: Tellegen’s theorem

𝑖 = 1,⋯ ,𝑚: index of branches

Power of i-th branch

1. Power conservation law

2. Holds for any kind of circuit (irrespective of linear, or non-linear)

3. Holds for two independent circuit conditions (as long as D is the same)

Comments

D: incidence matrix

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Reciprocity theorem

An 𝑛-terminal pair linear circuit

At one state 𝑉1, 𝐽1 , 𝑉2, 𝐽2 , ⋯ , (𝑉𝑛, 𝐽𝑛),

at another state 𝑉′1, 𝐽′1 , 𝑉′2, 𝐽′2 , ⋯ , (𝑉′𝑛, 𝐽′𝑛)

Proof: Consider a two terminal-pair circuit with 𝑚 branches.

𝑉1

𝐽1

𝑉2

𝐽2

𝑉𝑘 = 𝑍𝑘𝐽𝑘 𝑉′1

𝐽′1

𝑉′2

𝐽′2

𝑉′𝑘 = 𝑍𝑘𝐽′𝑘

Tellegen’s theorem But

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Duality 双対性

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Duality

Series Parallel

Open Short

Voltage Current

Impedance Admittance

Capacitance Inductance

Electric field Magnetic field

Resistance Conductance

Ho-Thevenin Norton

Kirchhoff’s 2nd law Kirchhoff’s 1st law

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2.7 Definition: Passive elements and active elements

Two terminal: current J, voltage V

𝐽𝑉 ≥ 0: passive element

𝐽𝑉 < 0: active element

Locally active

two-terminal element

More than three-terminal: treat as a terminal pair circuit

𝑃 ≥ 0: passive element

𝑃 < 0: active element

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Ch.3 Transfer function and

transient response

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3.1 General Properties of Resonance and Resonance Circuits

3.1.1 Resonance Phenomena

Harmonic oscillator:

Kirchhoff's law

Resonant (angular) frequency

R

C

L

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Transfer function, resonance and phase shift

Re Z

Im Z

0

R

1

w =0

w 0

w 0

w 0 w

2 w

1

w 2

Re Y

Im Y

0

w

w w

) ( w i Z

(a) (b) (c)

Resonance: Reactance =0 Total Phase Shift Change: p

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The Bode diagram (plot)

10-2

100

102

104

0.001 0.01 0.1 1 10 100-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

𝑍/𝑅

ar

g (

Z)

Q=10 5

2

1

Q=20

10 5

2 1

Plot of absolute value and argument

of an impedance as a function of

frequency.

Absolute value: log-log mode

Argument: semi-log mode

L R

C Example:

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Transient response of resonant circuit

R C L

V

V 𝑉0

t

Damped oscillation with time constant 𝛾−1, frequency 𝜔𝑠

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Transient response of resonance circuit (transfer function)

Synthesized impedance, admittance

Zero (pole) of 𝑍tot(𝑠) (𝑌tot(𝑠))

Laplace transformation of voltage: 𝑉(𝑠)

Natural current

Time constant: Re(𝑠0) Frequency: Im(𝑠0)

𝑠𝑖: poles of 𝑌(𝑠)

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Quartz crystal filter

F r e q u e n c y ( H z )

R e s

p o n s e

( d B

)

4 4 3 3 . 2 5 4 4 3 3 . 5 4 4 3 3 . 7 5 4 4 3 4 4 4 3 4 . 2 5 - 6 0

- 4 0

- 2 0

0

(a)

(b) (c)

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Kondo Resonance and Phase shift

Jun Kondo

1

2𝑠↑ 𝑑 ↓ − |𝑠 ↓ |𝑑 ↑

𝐸F

E

Many body resonance.

But still has the phase shift of p/2 !

Co atoms on Ag (111) surface Co (magnetic) Defect (non-magnetic)

Schneider et al., Phys. Rev. B65, 121406 (2002).

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Resistance bridge 抵抗ブリッジ

Wheatstone bridge

AVS-47 Resistance bridge

Not a “bridge” circuit!

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Schering Bridge

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Hartshorn bridge

Magnetic moment measurement

Resistance measurement

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Capacitance bridge キャパシタンス ブリッジ

General Radio

3-terminal

Capacitance bridge

Agilent E4981A

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What is Spice?

SPICE: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis

A language which describes electronic circuits (corresponding to circuit diagrams).

ex) a CR circuit and a dc power source * 0---R1---1---C1---2---V1---0

R1 0 1 10

C1 1 2 20

V1 2 0 5

.END

Graphical user interface: Circuit diagram

Linear Technology

web site

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Circuit Simulator

Download LTSpice from

the web site of Linear

Technology

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Operation example

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Theorems for paired terminal circuits

Superposition, Ho-Tevenin, Reciprocity

Duality

Passive devices (elements) and active devices

Transfer function and transient response

Transfer function of single-pair terminal circuits

Resonance circuit

Bode plot

General properties

Summary