【08新书】Analog Integrated Circuits For Communication 2Nd Ed: Analog Integrated Circuits For Communicat.jpg

Donald O. Pederson Kartikeya Mayaram
University of California Oregon State University
Berkeley, CA Corvallis, OR
USA USA
Library of Congress Control Number: 2007931189
ISBN 978-0-387-68029-3 e-ISBN 978-0-387-68030-9
Printed on acid-free paper.
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Contents
1 Review. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Amplitude and Frequency Modulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 The Super-Heterodyne Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Transistor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.1 Bipolar Junction Transistor (BJT) Model . . . . . . . . . . . . 5
1.4.2 MOSFET Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Distortion Generation and Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Large-Signal Performance of the Basic Gain Stages
in Analog ICs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 The Emitter-Coupled Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Large-Signal DC Transfer Characteristic of the ECP . . . . . . . . 17
2.3 Large-Signal Circuit Analysis of the ECP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Series Expansions to Obtain Distortion Components . . . . . . . . 27
2.5 The Source-Coupled Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 A Series Expansion to Obtain Distortion Components
for the SCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Amplifier Power Series and Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 General Power Series Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Common-Emitter Stage Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 The Ideal CE Stage with a Large Sinusoidal Input Voltage . . . 49
3.4 Power Series and Fourier Series Characterizations . . . . . . . . . . . 54
3.5 The Common-Source MOS Amplifier Stage . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6 Intermodulation Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.7 Compression and Intercept Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
XIV Contents
4 Distortion Generation with Source Resistance
and Nonlinear Beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1 Linearization of a Bipolar Stage Due to Source Resistance . . . 73
4.2 Distortion Reduction with Source Resistance . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 The ECP with Source Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 Nonlinear Beta and Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5 Example of Distortion due to Beta(IC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Distortion in Feedback Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1 Effects of Negative Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2 Feedback for a General Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3 A CE Stage with Shunt Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4 The CE Stage With Emitter Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Alternative Loop-Gain Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.6 Emitter Feedback in the ECP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.7 Internal Feedback in the ECP and the SCP . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6 Basic IC Output Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1 Requirements for an Output Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2 The Emitter Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3 Distortion Calculation using Differential Error . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4 Power-Conversion Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.5 The Source Follower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.6 Push-Pull Emitter Followers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.7 The Push-Pull Source Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.8 Push-Pull, Single-Polarity Output Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.2 Elementary Coupled Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.3 Circuit Model for a Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.4 Inductive Two-Port Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.5 A Transformer-Coupled, Class-A BJT Output Stage . . . . . . . . . 194
7.6 Maximum Power Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
7.7 Class-A Push-Pull Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.8 Class-AB Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8 Tuned Circuits in Bandpass Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.2 The Single-Tuned Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.3 Lowpass Equivalents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Contents XV
8.4 Transformer-Coupled Single-Tuned Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.5 Single-Tuned, Bandpass Circuits with Loosely Coupled
Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.6 Double-Tuned Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.7 Parallel-to-Series/Series-to-Parallel Transformations . . . . . . . . . 239
8.8 Tuned Circuits as Impedance Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
9 Simple Bandpass Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.1 Simple Active RC Bandpass Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.2 An ECP Bandpass Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.3 Synchronous Tuning, Cascading, and Bandwidth Shrinkage. . . 258
9.4 Effects of Internal Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.5 Multistage Bandpass Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.6 Cross Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10 Basic Electronic Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
10.1 Instabilities, Oscillations and Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
10.2 The Ideal Electronic Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.3 A Tunnel-Diode Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10.4 The van der Pol Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
10.5 Tunnel-Diode Oscillator Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.6 Wien-Type Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.7 Transformer-Coupled ECP Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.8 Transformerless ECP Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
11 Electronic Oscillators with Bias-Shift Limiting . . . . . . . . . . . . . 331
11.1 Bias Shift during Oscillator Buildup in an ECP Oscillator . . . . 331
11.2 The Basic Oscillator Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.3 Single-Device, Transformer-Coupled Oscillators . . . . . . . . . . . . . 339
11.4 Bias Shift and Harmonic Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
11.5 Transformer-Coupled MOS Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
11.6 Squegging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
11.7 Phase-Shift Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
11.8 The Colpitts Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
11.9 Crystal-Controlled Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
12 Relaxation and Voltage-Controlled Oscillators . . . . . . . . . . . . . 377
12.1 Relaxation-Mode Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.2 Oscillator Graphical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
12.3 Regenerative Switching in a Relaxation Oscillator . . . . . . . . . . . 386
12.4 Recovery Analysis in a BJT Relaxation Feedback Oscillator . . 390
XVI Contents
12.5 Other Astable Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
12.6 A CMOS Relaxation Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
12.7 Voltage- and Current-Controlled Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . 400
12.8 An Astable Schmitt Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
12.9 Equivalence of the Schmitt and Loop-Coupled Bistable
Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
12.10 A BJT VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
13 Analog Multipliers, Mixers, Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
13.1 The Emitter-Coupled Pair as a Simple Analog Multiplier . . . . 417
13.2 A Subtraction Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
13.3 Predistortion and Linearity Improvement in the ECP . . . . . . . . 425
13.4 The Gilbert Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
13.5 MOS Analog Multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
13.6 Mixing, Modulation and Frequency Translation . . . . . . . . . . . . . 434
13.7 The Fully Balanced (Quad) Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
13.8 Single-Device Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
13.8.1 BJT Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
13.8.2 MOSFET Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
13.9 Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
14 Demodulators and Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
14.1 AM Demodulation using Analog Multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . 457
14.2 Synchronous AM Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
14.3 Peak Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
14.4 Automatic Gain Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
14.5 FM Demodulation, Off-Peak Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
14.6 Discriminators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
14.7 FM Demodulators using Multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
15 Phase-Locked Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
15.1 Basic Configurations and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
15.2 A Simple Circuit Model of a PLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
15.2.1 Voltage-Controlled Oscillator (VCO) . . . . . . . . . . . . . . . . 490
15.2.2 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
15.2.3 Phase Comparator (PC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
15.2.4 PLL Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
15.3 The Small-Signal Analysis of the PLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
15.4 Dynamics of the PLL in the Locked Condition . . . . . . . . . . . . . . 499
15.4.1 One-Pole Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
15.4.2 One-Zero, One-Pole Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
15.5 The Lock and Capture Ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
15.5.1 Lock Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
Contents XVII
15.5.2 Capture Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
15.5.3 Capture Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
15.6 PLLs with Overdriven PCs and Relaxation Oscillators . . . . . . . 512
15.7 PLL Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
15.8 PLL Parameters for a Typical IC Realization . . . . . . . . . . . . . . . 516
15.9 A PLL Example with a FM input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529

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这是一本不错的科普书

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