发两本springer在2020年出版的新书，一本关于LDO，另一本关于射频设计

wjx197733

如题，springer在2020年出版的书。个人觉得《Wireless Communication Electronics》这本书还是比较实在的，尤其是这本书还提供了课后习题的解答，而且步骤还挺详细。这本书可以与拉扎维写的《射频微电子》互相参考，


另一本是《Power Management for Wearable Electronic Devices》，我本来是想参考里面的LDO设计，但我个人觉得没啥收获。不过还是分享一下吧，说不定萝卜青菜，各有所爱呢。

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《Power Management for Wearable Electronic Devices》的目录
1 Introduction to Power Management ....................................... 1
1.1 Low Power Wearable Electronic Devices .............................. 1
1.2 Low Power Management Techniques .................................. 3
1.2.1 Dynamic Power Reduction ..................................... 3
1.2.2 Leakage Power Reduction...................................... 5
1.3 Energy Harvesting-Based Device ...................................... 9
1.4 Aim and Objectives ..................................................... 11
References ..................................................................... 12
2 Introduction to TEG-Based Power Management Unit .................. 15
2.1 Introduction to TEG..................................................... 15
2.2 Interface Circuit of TEG ................................................ 17
2.2.1 Startup Circuit .................................................. 17
2.2.2 DC–DC Boost Converter ....................................... 18
2.2.3 Maximum Power Point Transfer Techniques .................. 20
2.2.4 Voltage Regulator ............................................... 21
2.3 Existed TEG-Based Power Management Solutions ................... 25
References ..................................................................... 28
3 TEG-Based Power Management Designs and Characterizations ...... 31
3.1 Proposed TEG-Based PMU Architecture .............................. 31
3.1.1 Switched Inductor Boost Converter Circuit Design ........... 33
3.1.2 Switched Capacitor Regulator Circuit Design................. 33
3.1.3 LDO Regulator Circuit Design................................. 35
3.2 TEG-Based PMU Measurements in 65 nm CMOS.................... 36
3.3 Summary and Recommendations ...................................... 45
References ..................................................................... 46
4 Dual-Outputs Switched Capacitor Voltage Regulator ................... 47
4.1 State of the Art Dual-Outputs Switched Capacitor Voltage
Regulator ................................................................ 47
xi
xii Contents
4.2 Proposed Dual-Outputs Switched Capacitor Voltage Regulator ...... 50
4.2.1 Reconfigurable SC Circuit Design ............................. 51
4.2.2 ATM Implementation ........................................... 56
4.2.3 Clocked Comparator............................................ 59
4.2.4 Ring Oscillator .................................................. 59
4.2.5 Deadtime Phase Generator Circuit ............................. 60
4.3 Measured Results of DOSC Regulator in 65 nm CMOS
Technology .............................................................. 60
4.4 Multi-Outputs Switched Capacitor Voltage Regulator ................ 67
4.5 Summary ................................................................ 69
Appendix: verilog Code of ATM ............................................. 69
References ..................................................................... 70
5 Ratioed Logic Comparator-Based Digital LDO Regulator.............. 73
5.1 State of the Art Digital LDO Regulator ................................ 73
5.2 Proposed Ratioed Logic Comparator-Based Digital LDO
Regulator ................................................................ 78
5.2.1 Ratioed Logic Comparator-Based DLDO Circuit Design .... 78
5.2.2 Enhanced RLC-DLDO ......................................... 82
5.3 RLC-DLDO Design Optimization ..................................... 85
5.4 Simulation Results of RLC-DLDO Regulator in 22 nm FDSOI ...... 87
5.5 Summary ................................................................ 92
Appendix: Derivation of Output Voltage of the Ratioed Logic Circuit ..... 92
Low Output Voltage of Ratioed Logic Circuit ............................... 92
High Output Voltage of Ratioed Logic Circuit .............................. 93
References ..................................................................... 94
6 Conclusions and Future Work.............................................. 97
6.1 Conclusions ............................................................. 97
6.2 Future Work ............................................................. 98
Index ............................................................................... 101


《Wireless Communication Electronics》的目录
Part I Basic Concepts and Definitions
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Concept of Energy and Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Wireless Transmission of Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 A Short History of Wireless Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Nature of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Waveform Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4 Wave Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.5 Phase, Phase Difference, and Signal Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.6 Average of Sine Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.7 The “High-Frequency” Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4 Electronic Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1 DC and AC Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.2 Single-Ended and Differential Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.3 Constructive and Destructive Signal Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5 Signal Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5.1 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5.2 Root Mean Square (RMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.3 AC Signal Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5.4 The Decibel Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.6 Complex Transfer Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.1 First Order Function, Form 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6.2 First Order Function, Form 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.6.3 First Order Function, Form 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.6.4 First Order Function, Form 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.6.5 Second-Order Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.6.6 Gain and Phase Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2 Basic Behavioural and Device Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1 “Black Box” Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2 Two-terminal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
xi
xii Contents
2.2.1 Ideal Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.2.2 Ideal Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.3 Ideal Voltage Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.4 Ideal Current Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.5 Voltage/Current Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.6 Summary of Ideal Element Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3 Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1 Linear Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.2 Nonlinear Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.3 Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.4 Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Multistage Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.1 System Partitioning Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2 Voltage Transfer Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.1 Resistive Voltage Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.2 RC Voltage Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2.3 RL Voltage Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3 Current Transfer Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.1 Resistive Current Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.2 RC Current Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.3 RL Current Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4 Maximum Power Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.1 Power Loss Due to Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5 Case Study: The Need for Signal Buffering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4 Basic Semiconductor Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1 Active Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.1 Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.2 Biasing Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.3 Small Signal gm Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.4 Varicap Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3 Bipolar Junction Transistor (BJT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.1 Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3.2 Current Gain β . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.3 BJT Small Signal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.4 Small Signal gm Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.5 Emitter Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.6 Base Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.7 Collector Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3.8 Collector Resistance: “Degenerated Emitter” Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.3.9 Brief Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.4 MOSFET Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.4.1 Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Contents xiii
4.4.2 MOS Small Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.4.3 Small Signal gm Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.4.4 Source Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.4.5 Drain Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.4.6 Drain Resistance: “Degenerated Source” Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.4.7 Brief Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.5 Junction Field-Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.5.1 Small Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.5.2 BJT to MOSFET Transistor Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5 Transistor Biasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.1 The Biasing Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.1.1 Biasing Point Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.1.2 Voltage Divider Biasing Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.1.3 Base-Current Biasing Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.2 Sensitivity of Biasing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.3 Stabilization of Biasing Current by “Degenerated Emitter” Technique . . . . . . . . . . 166
5.4 The Collector Resistance RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.5 BJT Biasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.5.1 Biasing Setup for a Single N-Type Transistor Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.5.2 Biasing of PNP Type Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.5.3 Biasing Setup for a Single P-Type Transistor Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6 Review of Basic Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1 General Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1.1 General Amplifier Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.1.2 Voltage Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1.3 Current Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.1.4 Transconductance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.1.5 Transresistance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2 Single-Stage BJT/MOS Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.3 Common-Base/Gate Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.3.1 AC Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.3.2 Input Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.3.3 Output Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.3.4 Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3.5 A Brief CB Amplifier Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.4 Common Emitter Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.4.1 Fundamental Principle of CE Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.4.2 AC Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.4.3 Input Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.4.4 Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.4.5 A Brief CE Amplifier Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.5 Common Collector Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.5.1 AC Circuit Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
xiv Contents
6.5.2 Input Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.5.3 Output Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.5.4 Voltage Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.5.5 A Brief CC Amplifier Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.6 Cascode Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.6.1 AC Circuit Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.6.2 Output Resistance of FET Cascode Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.7 Case Study: Parameters of BJT CE Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.8 Amplifier Design Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7 Introduction to Frequency Analysis of Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.1 Amplifier Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.2 Frequency Analysis: Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3 Frequency Analysis of Single-Stage Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.3.1 Time Constants in CB Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.3.2 Time Constants in CE Amplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.3.3 Case Study: CE Amplifier Poles-Zeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.4 High-Frequency Analysis of Single-Stage Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.4.1 HF Transistor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.4.2 Miller Theorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.4.3 Miller Capacitance and Inverting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.4.4 HF CB Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
7.4.5 HF CE Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
7.4.6 HF CC Amplifier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.4.7 Cascoded Amplifier HF Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8 Electrical Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.1 Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.2 Equivalent Noise Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.2.1 Noise Bandwidth in an RC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.2.2 Noise Bandwidth in RLC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.3 Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.4 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.5 Noise Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.6 Noise Figure of Cascaded Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
Part II Radio Receiver Circuit
9 Radio Receiver Architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.1 Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.1.1 Multi-tone Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.1.2 Frequency Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Contents xv
9.2 The Need for Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.3 RF Communication System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.4 Heterodyne AM Radio Receiver Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10 Electrical Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.1 The LC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.1.1 Qualitative Description of LC Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.1.2 Formal Derivation of LC Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
10.1.3 Damping and Maintaining Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.1.4 Forced Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.2 RLC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.2.1 Serial RLC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10.2.2 Parallel RLC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
10.3 Q Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10.3.1 Q Factor of a Series RLC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10.3.2 Q Factor of a Parallel RLC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.4 Self-resonance of an Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
10.5 Serial to Parallel Impedance Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.6 Dynamic Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
10.7 General RLC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.7.1 Derivation for the Resonant Frequency ω 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.7.2 Derivation for the Dynamic Resistance RD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.8 Selectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
10.8.1 Bandpass Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
10.8.2 Measurement of LC Resonator’s Dynamic Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.9 Coupled Tuned Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
11 Matching Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
11.1 Matching Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
11.2 The Q Matching Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
11.2.1 Matching Real Impedances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
11.2.2 Matching Complex Impedances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11.3 Bandwidth of LC Matching Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.3.1 Hand-Calculation of Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.3.2 Multisection Impedance Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
11.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
12 RF and IF Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12.1 Tuned Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12.1.1 Single-Stage CE RF Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.1.2 Single-Stage CB as RF Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
12.1.3 Cascode RF and IF Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
12.2 Insertion Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
12.3 Case Study: An RF Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
xvi Contents
12.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
13 Sinusoidal Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.1 Closed-Loop Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.1.1 Criteria for Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.2 Basic Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
13.2.1 Ring Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
13.2.2 Phase Shift Oscillator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
13.3 RF Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.3.1 Tapped L, Centre-Grounded Feedback Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.3.2 Tapped C, Centre-Grounded Feedback Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
13.3.3 Tapped L, Bottom-Grounded Feedback Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
13.3.4 Tapped C, Bottom-Grounded Feedback Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
13.3.5 Tuned Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
13.4 Amplitude-Limiting Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
13.5 Crystal-Controlled Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
13.6 Voltage-Controlled Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
13.7 Time and Amplitude Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
13.8 Case Study: RF Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
13.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14 Frequency Shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14.1 Frequency Shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14.2 Signal Mixing Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
14.3 Diode Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
14.4 Transistor Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
14.5 JFET Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
14.6 Dual-Gate MOSFET Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
14.7 Image Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
14.7.1 Image Rejection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.8 Case Study: A Dual-Gate JFET RF Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
14.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
15 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15.1 Amplitude Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15.1.1 Trapezoidal Patterns and the Modulation Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
15.1.2 Frequency Spectrum of AM Modulated Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
15.1.3 The Need for Frequency and Phase Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
15.1.4 Amplitude Modulator Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
15.2 Angle Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
15.2.1 Frequency Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
15.2.2 Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
15.2.3 Angle Modulator Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
15.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
Contents xvii
16 AM and FM Signal Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
16.1 AM Demodulation Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
16.2 Diode AM Envelope Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
16.2.1 Ripple Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
16.2.2 Detection Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
16.2.3 Input Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
16.2.4 Distortion Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
16.3 FM Wave Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
16.3.1 Slope Detectors and FM Discriminators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
16.3.2 Qua

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