電子回路論第3回 electric circuits for physicists #3...電子回路論第4回 electric...

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電子回路論第4Electric Circuits for Physicists #4 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4回 Electric Circuits for Physicists #4 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4回

Electric Circuits for Physicists #4

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4回 Electric Circuits for Physicists #4 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾

Review

Last week we introduced

Resonance: Represented as a zero-point in impedance. A pole in admittance.

Bode diagram: Plots of the absolute value and the argument of a transfer

function as a function of frequency.

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A Pole on the Real Axis

Circuit example: Z of

R

C

Lear system with

transfer function

0.001

0.01

0.1

1

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

0

0.5

1

1.5

𝑊(𝑖𝜔)

−arg[𝑊

𝑖𝜔]

𝜋/2

𝜔

𝜔 ≫ 1

−1

s𝑖𝜔

i

𝜔 = 0

𝜔 = 1

arg(𝑊)

~𝑠−1

(dimensionless)

arrows: s +1

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A Pole with Finite Imaginary Part

0.001

0.01

0.1

1

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

𝑊(𝑖𝜔)

−arg[𝑊

𝑖𝜔]

𝜔

𝜔0 = 1

𝜔0 = 1

10

100

10

100 −1

s 𝑖𝜔

𝜔0

Corresponds to resonance.

(This approximately holds for 𝜔~𝜔0)

(*1)

(*1 Complex poles in transfer function always

appear as conjugate pairs.)

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Zeros and Poles of Transfer Function

Bode plot

(generally represented in rational formula)

Bode plots are sum of those for single poles and zeros.

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3.2 Terminal pair circuits as signal

transfer interfaces

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3.2.1 Impedance matching

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑍𝑜𝑢𝑡

𝑉0

𝑍

𝐽

Hence the maximum power transfer

can be obtained under the impedance matching condition:

Impedance matching condition

Efficient transfer of energy from electro-motiveforce

When Z is real: 𝑍 = 𝑍out

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3.2.3 Image parameters (matching with 4-terminal circuits)

𝑍1 𝑍2𝑍1 𝑍2

If the 4-terminal parameters can be tuned to give the situation as

𝑍1 𝑍1 𝑍2𝑍2

That is

𝑍1 and 𝑍2 are called image impedances.

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Conditions for image parameters

𝐴 𝐵𝐶 𝐷

𝑉1 𝑉2

𝐽1 𝐽2

𝑍2

𝑍1

From definition:

Image (mirror)

condition

When 𝐴𝐵𝐶𝐷 ≠ 0,

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Image parameters

𝜃: Image propagation constant

The 4-terminal interface costs some power loss:

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Image parameters

𝑍1, 𝑍2, 𝜃: Image parameters

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3.2.4 Impedance matching with two terminal-pair circuits

R

𝐴 = 𝐷 = 0

𝐴𝐵𝐶𝐷 ≠ 0

𝐵 = 𝐶 = 0

R

n

Matching transformer

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3.2.5 Fidelity and distortion in wave transformation

When a linear response is just a time delay with 𝜏0, that is

No distortion conditions are:

(1) 𝐴0 does not depend on frequency: No filter effect

In other words the conditions can be described as

(2) :group delay

No dispersion in group delay

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Effect of distortion in amplitude

(1) Sinusoidal amplitude distortion (amplitude modulation)

Paired echo

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Effect of distortion in group delay

Sinusoidal group delay distortion

Paired echo with inverted sign

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Distortion (paired echo)

Cosine Amplitude

Distortion

Sine Delay Distortion

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3.2.6 Filter Circuit

Transmission

wLow pass filter

Transmission

w

Band pass

filter

Transmission

w

High pass filter

Transmission

w

Notch filter

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Terms for Filters

Tra

nsm

issi

on o

r G

ain

𝐴(𝜔)

Pass Band

Stop Band

(Transient Band)

Cut-off Frequency

𝐴(𝜔) is sometimes

called as “gain”

Transmission

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Can an ideal filter exist?tr

ansm

issi

on

𝐴0𝜔

𝜔0

Ideal low pass filter

Transfer function is written as Heaviside function

-10 -5 0 5 10

0

0.5

1

x

sinc(x)

w(t): output to d-function input at t =0

The output begins 𝑡 < 0 hence breaks the causality.

No ideal low pass filter can exist.

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Transmission

𝐴 𝐵𝐶 𝐷

𝑉1 𝑉2

𝐽1 𝐽2

𝑍2

Voltage transmission

coefficient:

Square root power transmission coefficient

attenuation phase shift

Sometimes called as “gain”

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An example: Constant K type filter

0 0.5 1 1.5 2

:constant

L

C𝑍1 𝑍2

definition

Image parameters are

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Butterworth Filter

10-3 10-2 10-1 100 101 102 10310-3

10-2

10-1

100

𝜔

Tra

nsm

issi

on

𝑛 = 1

24

9

16

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Bessel Filter

Inverse Bessel Polynomial

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Chebyshev Filter

0 102 4 6 81 3 5 7 9

0

1

0.2

0.4

0.6

0.8

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

n =13

5

3

n =11e = 0.2

0.40.6

e = 0.2

𝜀: Ripple coefficeint

𝑇𝑛: n-th order Chebyshev polynomial

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Packaged Filters

Mini-Circuits

Band Pass

19.2 – 23.6MHz 50Ohm

Web selection page

https://ww3.minicircuits.com/WebStore/RF-Filters.html

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3.3 Transient response of circuits

composed of passive elements

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3.3.1 Classification with the number of storages

(a) Single energy storage

(b) Double energy storage

Number of storages: order of polynomial in the

denominator of rational expression for transfer

function

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Ex) Transient response to step function input

𝑉0

t

Heaviside function

Fourier transform

𝑢(𝑡)

R

C 𝑤(𝑡)

Responses are obtained as

Ex)

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Ex) Transient response to step function input

From the initial condition and

renormalization of t we obtain

input

output

𝑉0

t

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Introduction of freeware: Scilab

https://www.scilab.org/

MATLAB clone but free!

Graphical linear response

analysis: Scicos

Convenient set of commands

for linear response analysis

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Transfer function analysis with Scilab

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Transient response: Use of Scilab

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Transient response: Use of Scilab

R L