Analog Integrated Circuits For Communication 2Nd Ed (Springer 2008).part1.rar

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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很不错的东西！！谢谢分享！

这是一本不错的科普书

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