集成CMOS模擬電路第七章噪聲

1、CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Design of Analog CMOS Integrated Circuit Oct.2013鄭然西北工業(yè)大學(xué)航空微電子中心嵌入式系統(tǒng)集成教育部工程研究中心1CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 2本章內(nèi)容第七章 噪聲CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 3本章內(nèi)容n7.1 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性n7.2 噪聲類型n7.3 噪聲在電路中的表示n7.4 單級(jí)放大器中的噪聲n7.5 差動(dòng)對(duì)中的噪聲n7.6 噪聲帶寬CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengra

2、n第七章 噪聲 4前言 噪聲是我們不期望的一種信號(hào)，它限制了系統(tǒng)能夠正確處理最小信號(hào)電平，而且噪聲與系統(tǒng)的功耗、速度、線性度之間是互相制約的，如今的模擬電路設(shè)計(jì)者必須要考慮到噪聲的影響。 本章我們將介紹噪聲時(shí)域和頻域特性、噪聲的類型、噪聲在電路中的表示方法以及噪聲對(duì)各種電路的具體影響。4CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 57.1 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性 噪聲是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，噪聲的值在任何時(shí)刻都無(wú)法被預(yù)測(cè)，這就給我們理解和分析噪聲的性質(zhì)帶來(lái)了一定的困難。如(b)中表現(xiàn)出了噪聲在時(shí)域的不可預(yù)測(cè)性。 然而噪聲的平均功率是可以被預(yù)測(cè)的，比如下圖中麥克風(fēng)離水

3、流的遠(yuǎn)近不同，就會(huì)獲得幅值不等的噪聲信號(hào)。后者顯示出了更大的振幅和更高的功率，這些是可以預(yù)測(cè)的。5CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 67.1 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性 根據(jù)上面的分析，我們引入一個(gè)平均功率的概念來(lái)討論噪聲的功率特性。對(duì)于一個(gè)周期為T的電壓v(t)在一個(gè)負(fù)載電阻上RL消耗的平均功率可以由下式給出：2/2/2)(1TTLavdtRtvTP 同樣，對(duì)于一個(gè)噪聲信號(hào)，可以認(rèn)為其周期為無(wú)窮大，我們可以得到其平均功率2/2/2)(1limTTLTavdtRtvTP 對(duì)于不同的系統(tǒng)，負(fù)載可能是變化的，因此我們簡(jiǎn)單的使用2/2/2)(1limTTTav

4、dttvTP來(lái)表示噪聲平均功率，其單位是V2。6CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 77.1 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性1、噪聲譜 噪聲譜函數(shù)也稱噪聲的功率譜密度(PSD:Power Spectral Density)函數(shù)，表示每Hz頻率上信號(hào)具有的功率大小。x(t)的PSD函數(shù)Sx(f)，被定義為f附近1Hz帶寬內(nèi)x(t)具有的平均功率。 也就是把x(t)加到一個(gè)中心頻率為f1帶寬為1Hz的帶通濾波器，對(duì)輸出取平方，在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)計(jì)算其平均值，就得到了Sx(f1)(圖a)。經(jīng)過(guò)同樣的處理可以得到Sx(fn)，最后得到波形如圖(b)所示。其單位為 或

5、。HzV2HzV7CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 87.1 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性 白噪聲的功率譜密度在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的取值相同，如右圖所示。理想的白噪聲具有的總功率為無(wú)窮大，但這是不存在的。通常，對(duì)于任何一種噪聲譜只要在所關(guān)心的頻帶內(nèi)是平坦的，我們也稱之為白噪聲。 如果把噪聲譜為Sx(f)的一個(gè)信號(hào)加在一個(gè)傳輸函數(shù)為H(s)的線性時(shí)不變系統(tǒng)中，則輸出譜可以由下式給出2| )(| )()(fHfSfSXY白噪聲被傳輸函數(shù)整形8CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 97.1 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性 對(duì)于實(shí)數(shù)x(

6、t)， Sx(f)是f的偶函數(shù)，所以x(t)在頻率范圍f1,f2之內(nèi)具有的總功率為21211221)(2)()(,ffXffXffXffdffSdffSdffSP被電話整形的語(yǔ)音信號(hào)及功率譜。高頻成分被過(guò)濾掉了。功率譜表示每個(gè)小帶寬范圍內(nèi)的信號(hào)功率。能夠預(yù)計(jì)波形在時(shí)域的變化速度。(b)為單邊譜9CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 107.1 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性2、相關(guān)噪聲源和非相關(guān)噪聲源 在電路分析中，我們通常需要把幾個(gè)噪聲源的影響相加來(lái)獲得總的噪聲。如2/2/21212/2/212/2/222/2/212/2/221)()(21lim)()(21

7、lim)(1lim)(1lim)()(1limTTTavavTTTTTTTTTTTTavdttxtxTPPdttxtxTdttxTdttxTdttxtxTP當(dāng)兩個(gè)信號(hào)不相關(guān)時(shí)，最后一項(xiàng)為0，21avavavPPP本課程所討論的大部分噪聲是不相關(guān)的。10CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 117.2 噪聲的類型 集成電路在處理模擬信號(hào)時(shí)一般會(huì)受到兩種噪聲的影響：器件電子噪聲和環(huán)境噪聲。后者主要是由于電源、地線及襯底耦合的干擾而產(chǎn)生的噪聲，本章不作具體討論。器件電子噪聲是我們重點(diǎn)分析的對(duì)象。1、 熱噪聲 電阻的熱噪聲：雖然導(dǎo)體內(nèi)電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的總

8、電流為零但是會(huì)引起導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)。其熱噪聲譜與絕對(duì)溫度成正比。電阻R上的熱噪聲可以用一個(gè)串聯(lián)的電壓源來(lái)模擬04)(fkTRfSR單邊譜，注意頻帶積分時(shí)的積分域。11CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 127.2 噪聲的類型 對(duì)于該表達(dá)式需要強(qiáng)調(diào)的是，它的單位是04)(fkTRfSRHzV /2。 為了直觀可以寫成kTRVn42 表示單位頻率的熱噪聲功率。內(nèi)的功率為的帶寬。表示，單位壓稱為均方根噪聲電壓這一電一個(gè)更常見的電壓我們可以對(duì)其開方得到。時(shí)的熱噪聲為的電阻在如：一個(gè)229219)1091. 0(1)/(,/91. 0/1028. 83

9、0050VHzVHzVHznVHzVKTrms 可以看出電阻的熱噪聲是白噪聲。注意， 的極性是隨意的，但在具體的分析過(guò)程當(dāng)中必須是確定的。2nV12CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 137.2 噪聲的類型例: 計(jì)算下圖RC電路中，Vout的噪聲譜和總噪聲功率。11)(RCssVVRout求傳輸函數(shù)2)()()()4 . 7(jVVfSfSRoutRout根據(jù)式1414)(2222fCRkTRfSVoutout的噪聲普dffCRkTRPoutn02222,144輸出總噪聲功率：xxdx12tan1根據(jù)CkTuCkTPuuoutn01,|tan2

10、。壓為總的輸出均方根噪聲電，電容是果總均方根噪聲電壓。如來(lái)表示輸出端的，可以用的單位是rmsVpFkTCkTvCkT3 .641300/2可以發(fā)現(xiàn)這一總噪聲與R無(wú)關(guān)，這是因?yàn)殡娮铚p小(變大)可以使單位帶寬的噪聲減小(變大)，但電路的總帶寬也會(huì)隨之變大(減小)。因此在很多電路中我們一般采用增大C的方法來(lái)減小輸出端的噪聲。經(jīng)過(guò)低通濾波整形后的噪聲密度普13CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 147.2 噪聲的類型電阻的熱噪聲也可以用并聯(lián)的電流源模型表示，如右圖所示。其中RkTRVInn/4222例: 求圖中兩個(gè)并聯(lián)電阻的等效噪聲電壓。)|(4)|(

11、)/1/1 (4212212,2,2122212,RRkTRRIVRRkTIIItotntotnnntotn那么等效噪聲電壓為結(jié)果表明，電流源表示等效噪聲和電壓源的表示結(jié)果是一致的。注意這里表示的是單位赫茲的功率。14CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 157.2 噪聲的類型MOS晶體管的熱噪聲 晶體管的熱噪聲主要是溝道電阻產(chǎn)生噪聲。其譜密度為：dsngkTI42 其中g(shù)ds是VDS=0時(shí)的漏源電導(dǎo)，數(shù)值等于深線性區(qū)電阻的倒數(shù)也就是等于飽和區(qū)的gm。所以譜密度又可以寫成：mngkTI42注意：系數(shù)并不是體效應(yīng)系數(shù)，對(duì)于長(zhǎng)溝道器件認(rèn)為3/2。深亞

12、微米工藝下其值更大，0.25微米工藝下為2.5。該系數(shù)也是隨漏源電壓變化的。本書中認(rèn)為器件是長(zhǎng)溝道器件。15CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 167.2 噪聲的類型例: 求單個(gè)MOS管能產(chǎn)生的最大熱噪聲電壓。2222,)3/2(4OmOnoutnrgkTrIV 如果減小跨導(dǎo)，MOS晶體管的噪聲電流也減小。所以用作電流源的晶體管一般需要將其跨導(dǎo)最小化。 而用作輸入管時(shí)一般使跨導(dǎo)最大化?？墒牵@樣不是使噪聲變大了嗎？本章靠后的部分將會(huì)對(duì)此進(jìn)行講解。16CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 177.2

13、 噪聲的類型MOS晶體管的歐姆區(qū)熱噪聲 這里所說(shuō)的歐姆區(qū)包含了多晶硅區(qū)域(柵)和有源區(qū)(D/S) 。管子比較寬的時(shí)候，有源區(qū)的電阻可以忽略掉。但柵的分布電阻會(huì)較大。柵電阻分布可以用(c)等效。采用下圖所示的方法進(jìn)行柵連接可以有效的減小柵的等效電阻。(本章的分析不考慮歐姆區(qū)熱電阻)17CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 187.2 噪聲的類型2、 閃爍噪聲 閃爍噪聲形成的原因：硅晶體和氧化層界面處存在懸空鍵，就如一個(gè)一個(gè)的能量陷阱，當(dāng)載流子流過(guò)的時(shí)候就有可能被隨機(jī)的俘獲，隨后又被釋放，從而在漏電流中形成噪聲。 閃爍噪聲可以用一個(gè)與柵極串聯(lián)的電壓源

14、來(lái)模擬，由下 式給出。成反比。數(shù)；噪聲譜密度與為工藝中的閃爍噪聲系fKfWLCKVoxn1218CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 197.2 噪聲的類型從式中可以看出，與懸空鍵相關(guān)的俘獲釋放現(xiàn)象在低頻下更容易發(fā)生。這個(gè)噪聲因此也被稱為1/f噪聲。另外增加器件的溝道區(qū)域的面積，也可以減小1/f噪聲。PMOS比NMOS的1/f噪聲要?。≒MOS溝道埋在界面P摻雜下方）。例：從1kHz到1MHz的頻帶內(nèi)，計(jì)算NMOS電流源的漏電流熱噪聲和1/f噪聲。22321122,/1 ,26362,291. 610ln1/110)3/2(4)1010()3/2

15、(4MHz11)3/2(4AWLCKgWLCKgdfgfWLCKIfAgkTgkTIkHzgkTIoxmoxmMkmoxtotfnmmtotnmn的漏電流噪聲電壓乘以跨導(dǎo)得到對(duì)應(yīng)噪聲時(shí)要將柵極的噪聲求的總熱噪聲為到單位帶寬的熱噪聲為：19CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 207.2 噪聲的類型3、轉(zhuǎn)角頻率熱噪聲譜和1/f噪聲譜的交點(diǎn)頻率，稱為轉(zhuǎn)角頻率fc。kTgWLCKfgkTgfWLCKmoxCmmCox83) 3/2(412即 fc左側(cè)表明閃爍噪聲的的干擾比較厲害，超過(guò)了熱噪聲。fc右側(cè)的閃爍噪聲要小于熱噪聲。設(shè)計(jì)時(shí)，希望這個(gè)拐角頻率越小

16、越好。注意：工藝參數(shù)固定后，在保持L不變時(shí)，fc很難被調(diào)節(jié)。為什么?W增大跨導(dǎo)隨之變大，fc變化不會(huì)很大。亞微米下fc=500k-1MHz20CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 217.2 噪聲的類型)/10854. 8, 9 . 3,/1038. 1300(90500/15 . 0/100)100/(1120,23mFKJkKKAtkHzfmmgMOSoxrooxm，溫度是多少？系數(shù)聲，在此工藝下的閃爍噪。如果噪聲轉(zhuǎn)角頻率為測(cè)得，寬長(zhǎng)比為器件，跨導(dǎo)為例：對(duì)于一個(gè)21FVKKkHzmfFtCoxoxrox22523152660,1006. 13

17、001038. 18310015 . 01001084. 3500/84. 3/ )1010(CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 227.3 噪聲在電路中的表示1、計(jì)算輸出總噪聲 將輸入信號(hào)屏蔽，計(jì)算各種噪聲源在輸出端產(chǎn)生的總噪聲。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和仿真時(shí)也采取這樣的方法計(jì)算噪聲。由于大多噪聲具有不相關(guān)的特性，可以簡(jiǎn)單的將輸出噪聲功率疊加得到總噪聲，也可進(jìn)一步得出輸出噪聲均方根電壓。22CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 237.3 噪聲在電路中的表示例：計(jì)算共源級(jí)電路的總輸出噪聲電壓M1會(huì)產(chǎn)生熱噪

18、聲和1/f噪聲:負(fù)載電阻會(huì)產(chǎn)生熱噪聲:)/(;)3/2(422/1 , 12, 1WLfCKgIgkTIOXmfnmthnDRDnRkTI/42,22,2/1 , 12, 12,)(DRDnfnthnoutnRIIIV輸出總噪聲由于各種噪聲存在非相關(guān)性，可以將它們簡(jiǎn)單相加得到總噪聲。23CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 247.3 噪聲在電路中的表示22,2/1 , 12, 12,)(DthRDnfnthnoutnRIIIV輸出總噪聲 注意：這一噪聲表示的是在頻率f處1赫茲帶寬內(nèi)的功率，總的輸出噪聲可以在關(guān)心的帶寬內(nèi)積分得到。 如果將輸出連接

19、另外一個(gè)無(wú)噪聲放大器，如圖。那么新的輸出噪聲為2,12,outnnewoutnVAV電路噪聲被放大了，但同時(shí)有用的信號(hào)也會(huì)被放大，因此信噪比(SNR)不變。電路噪聲的幅度大小并不重要，重要的是它相對(duì)于被處理的信號(hào)是不是足夠小。 那么如何比較不同電路在不同的輸入信號(hào)的情況下噪聲性能呢？24CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 257.3 噪聲在電路中的表示2、電路的輸入?yún)⒖荚肼?為了比較不同電路中噪聲對(duì)信號(hào)的影響程度，規(guī)定電路的輸入?yún)⒖荚肼曤妷簽檩敵隹傇肼曤妷撼栽鲆妗?不同的電路有不同的輸入?yún)⒖荚肼?，可以顯示出信號(hào)被電路的噪聲損壞到了什么程度?；?/p>

20、者表明了一個(gè)電路能檢測(cè)到的最小輸入信號(hào)。輸入?yún)⒖荚肼暿且粋€(gè)虛構(gòu)的量，數(shù)學(xué)上存在，物理上不存在。(b)中使用輸入?yún)⒖荚肼曤妷号c輸入信號(hào)串聯(lián)。25CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 267.3 噪聲在電路中的表示例：計(jì)算共源級(jí)電路的輸入?yún)⒖荚肼曤妷旱臇哦诉@一噪聲串聯(lián)在等效熱噪聲電阻1)/1)(/(4)/()/1 ()3/2(41/4)/()3/2(4/4)/()3/2(4222222,222,MfWLCKkTRWLfCKRggkTRgRRkTWLfCKggkTVRRkTWLfCKggkTVOXTOXRDmmDmDDOXmminnDDOXmmoutn

21、T26CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 277.3 噪聲在電路中的表示使用輸入?yún)⒖荚肼曤妷罕仨毚_保其有效性。(a)中輸入端有一個(gè)電容并聯(lián)，此時(shí)輸入?yún)⒖荚肼曤妷河行?，可以?jīng)過(guò)電路處理后在輸出端出現(xiàn)。在(b)，(c)(c)是(b)用來(lái)計(jì)算噪聲的電路中，如果L1趨于無(wú)窮大噪聲電壓在Cin上的分壓趨于零，顯然失去了作為噪聲源驅(qū)動(dòng)電路的作用。然而實(shí)際的噪聲(M1和RD產(chǎn)生的)是不會(huì)因?yàn)長(zhǎng)1的大小而改變的。(若電路的輸入阻抗為無(wú)窮大，便不存在上面分析的情況)戴維南等效27CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲

22、 287.3 噪聲在電路中的表示3、同時(shí)使用電壓源和電流源表示輸入噪聲兩種極限情況：輸入信號(hào)源內(nèi)阻為0時(shí)(a)，電流源電流流過(guò)電壓源不會(huì)對(duì)輸出噪聲產(chǎn)生影響，可以正常計(jì)算輸出噪聲。輸入信號(hào)源內(nèi)阻為無(wú)窮大時(shí)(b)，電壓源無(wú)效，使用輸入電流源計(jì)算輸出噪聲。28CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 297.3 噪聲在電路中的表示例：計(jì)算電路的輸入?yún)⒖荚肼曤妷杭半娏?。忽?/f噪聲)/1 ()3/2(422,DmminnRggkTV必須使輸入?yún)⒖荚肼曉丛谳敵龆水a(chǎn)生的噪聲一致，所以有：)/1 ()3/2(4)()()/1 (2222,2,2222,222,D

23、mminininninnDmininnDminnRggkTsCsCVIRgsCIRgV29CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 307.3 噪聲在電路中的表示一個(gè)疑問(wèn)：同時(shí)使用電流源和電壓源作為輸入噪聲參考是不是把噪聲計(jì)算了兩次？前面考慮了Zs等于無(wú)窮大和0的極端情況，那么是不是對(duì)于任何Zs用兩個(gè)等效輸入噪聲源來(lái)計(jì)算輸出噪聲都正確呢？由于兩種輸入噪聲源是相關(guān)的，我們這里使用電壓疊加。innsininsinnsinininnXninnininninnVZsCsCZIZsCsCVVsVCIV,/1)/(/1)/1 (,那么。那么輸入噪聲電流為假設(shè)輸入

24、噪聲電壓是可見X處的噪聲電壓不會(huì)隨著Zs的變化而變化。Zs在極端情況下推導(dǎo)出的雙噪聲源的適用性，在非極端情況下依然正確。30CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 317.4 單級(jí)放大器中的噪聲輔助定理。其中的電壓聯(lián)，都可以轉(zhuǎn)化成和柵串意的噪聲漏源電流證明：低頻情況下，任22222/,mnnnngIVVI1)/1()/1 ()(1)/1()/1 (2,2,2,2,1,1,1,OmSnmoutnoutnOSoutnmSoutnnOmSnoutnoutnnOmSoutnrgZVgIIrZIgZIVrgZIIIIrgZI兩個(gè)電路有同樣的負(fù)載阻抗，只要兩種

25、激勵(lì)能在輸出端抽取同樣的小信號(hào)電流就能說(shuō)明兩電路是等效的。31CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 327.4 單級(jí)放大器中的噪聲共源級(jí)前邊的例題中計(jì)算了簡(jiǎn)單共源級(jí)的輸入?yún)⒖荚肼曤妷?/()/1 ()3/2(422,WLfCKRggkTVOXRDmminnT等效熱噪聲電阻其中等效熱噪聲，是在器件溝道和負(fù)載中產(chǎn)生的，在這里被等效到了柵端(P184輔助定理)。根據(jù)上面的式子為了減少輸入?yún)⒖荚肼?，我們可以采取增?a)中M1跨導(dǎo)的方法。這樣看來(lái)，輸入器件跨導(dǎo)應(yīng)該盡可能大，那么器件尺寸可能就要相應(yīng)增大。而對(duì)于(b)中的電流源，為了減少器件電流熱噪聲跨導(dǎo)則

26、應(yīng)該盡可能小。32CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 337.4 單級(jí)放大器中的噪聲例: (a)中兩個(gè)晶體管飽和，計(jì)算該放大器的輸入?yún)⒖紵嵩肼曤妷?。如果電路?qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載CL，試確定其總的輸出熱噪聲；如果輸入信號(hào)為一個(gè)振幅為Vm的低頻正弦波，輸出信噪比是多少？)/1)(3/2(4|/)|)()(3/2(4212122112,2,221212,mmmOOmoutninnOOmmoutngggkTrrgVVrrggkTV）（等效到輸入端為輸出端熱噪聲為觀察上式，同樣發(fā)現(xiàn)M1的跨導(dǎo)必須大，M2的跨導(dǎo)必須小才能使輸入?yún)⒖荚肼曒^小。如何理解，同一支路下跨導(dǎo)

27、對(duì)噪聲影響的不同效果。隨著gm1的增大，輸出噪聲電壓與gm1(1/2)成正比增大，而放大倍數(shù)與gm1成正比增大，所以M1引起的輸入?yún)⒖荚肼曤妷簻p小了。33CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 347.4 單級(jí)放大器中的噪聲總的輸出熱噪聲)/)(|)()(3/2(1)2()|(1)|)()(3/2(421212210221212,LOOmmLOOOOmmtotoutnCkTrrggdffjCrrrrggkTV只考慮熱噪聲的情況下，輸出信噪比(信號(hào)功率和噪聲功率之比)為212212121212211)|(43)/)(|)()(3/2(12)|(mmm

28、OOmLLOOmmmOOmoutggVrrgkTCCkTrrggVrrgSNR 可見，要想使系統(tǒng)帶寬(1/RoutCL)大，且保持高信噪比是很難的。 試解釋一下，式7.56中RD增大會(huì)使輸入?yún)⒖荚肼暅p小?輸出噪聲電壓與RD(1/2)成正比，輸出信號(hào)電壓則與RD成正比。34CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 357.4 單級(jí)放大器中的噪聲例：計(jì)算(a)中電路輸入?yún)⒖荚肼曤妷?包含1/f噪聲和熱噪聲)，管子都飽和。DmmmmNmmPoxmmmmDOOmDOODoxNDOOmDOOmoxPinnRgkTgggkTWLKggWLKfCggkTggkTR

29、rrgRrrRkTfWLCKRrrgRrrgfWLCKV2112121212222112122212122112211221222,4)1(324)()(1324324)|()|(4)()|()|()(KN，KP表示閃爍噪聲的系數(shù)。35CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 367.4 單級(jí)放大器中的噪聲 對(duì)上述例題的結(jié)果進(jìn)行分析(考慮到低頻時(shí)輸入阻抗無(wú)窮大，對(duì)共源級(jí)的情況可以只用電壓源來(lái)表示輸入?yún)⒖荚肼?DmmmmNmmPoxinnRgkTgggkTWLKggWLKfCV2112121212222,4)1(324)()(1 在設(shè)計(jì)低噪聲的共源級(jí)時(shí)

30、 ，可以增加ID(功耗增加)使gm1增加，但應(yīng)注意到gm2也會(huì)同時(shí)增加，這時(shí)需要減小(W/L)2的尺寸，讓gm2減小。這種情況下過(guò)M2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓又會(huì)增大。 可以增大RD，但電壓余度會(huì)減小，電路速度也會(huì)降低。 減小1/f噪聲主要靠增加WL，此時(shí)需要保持輸入管跨導(dǎo)不變來(lái)達(dá)到減噪目的，那么W/L就不變，也就是必須W和L同時(shí)增大，這樣寄生電容就增加了，這會(huì)影響系統(tǒng)帶寬。 必須明確設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)中進(jìn)行取舍。36CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲共柵級(jí) 上圖中(a)為共柵級(jí)電路,(b)中畫出了這一電路所包含的噪聲源。這里暫時(shí)

31、只考慮熱噪聲。由于共柵極的輸入阻抗比較小，根據(jù)前面學(xué)習(xí)的噪聲表示方法，需要使用輸入?yún)⒖荚肼曤妷杭半娏魍瑫r(shí)對(duì)電路的噪聲特性進(jìn)行描述。下面給出求解兩種參考噪聲的等效電路。37CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲 (a)中使輸入接地，也就是認(rèn)為驅(qū)動(dòng)源阻抗為零，得到總輸出噪聲電壓，再將這一噪聲電壓等效為輸入?yún)⒖茧妷喝?b)。 (c)中使輸入開路，也就是認(rèn)為源驅(qū)動(dòng)阻抗為無(wú)窮大，得到總輸出噪聲電壓，再將這一噪聲電壓等效為輸入?yún)⒖茧娏魅?d)。21112211212,)(/1)3/2(4)(/4)3/2(4mbmDmDmbmDDmi

32、nnggRgkTRggRRkTgkTVDinnRkTI42,注意：開路情況下M1的熱噪聲電流不會(huì)對(duì)輸出噪聲產(chǎn)生貢獻(xiàn)。38CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲 從上面求出的輸入?yún)⒖荚肼曤娏骺梢钥闯觯斎氲脑肼曤娏髦苯愚D(zhuǎn)化成了輸出噪聲。這是由于噪聲電流流過(guò)共柵極并沒有被放大。共柵級(jí)正常工作需要偏置電流，考慮更一般的情況如圖：請(qǐng)識(shí)別圖中各器件的功能？C0將M0產(chǎn)生的噪聲旁路到地。輸入接地時(shí)，M2的噪聲電流被屏蔽，對(duì)輸出噪聲不構(gòu)成影響，所得輸入?yún)⒖荚肼曤妷号c前相同。輸入開路時(shí)，可求出由M2和RD決定的輸入?yún)⒖荚肼曤娏?。為了使

33、噪聲較小，必須減小M2的跨導(dǎo)。22nI39CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲例：求圖中所示電路的輸入?yún)⒖紵嵩肼曤妷杭半娏?。假設(shè)所有晶體管都工作在飽和區(qū)。 輸入接地，輸出噪聲電壓為：231312,)|)()(3/2(4OOmmoutnrrggkTV211312,2,2312112,)()(3/2(4)|()(mbmmminnoutnOOmbminnggggkTVVrrggV那么40求輸入?yún)⒖荚肼曤妷簳r(shí)，輸入端短接到地，因此M2的噪聲可以忽略。CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章

34、 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲 輸入開路，)(3/2(43223222,mmnninnggkTIII注意，輸入開路時(shí)M1的噪聲可忽略。兩個(gè)電流源(的跨導(dǎo))是對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)的主要因素。41CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲 對(duì)上例的1/f噪聲進(jìn)行分析，這里僅僅畫出對(duì)輸出噪聲有貢獻(xiàn)的三個(gè)管子。 輸入接地，輸出噪聲電壓為：2113231212,2313231212,)(1)()(1)|()()(1mbmPmNmoxinnOOPmNmoxoutnggWLKgWLKgfCVrrWLKgWLKgfCV 輸入開路，輸入?yún)⒖荚肼曤?/p>

35、流為：這一共柵級(jí)電路的總的輸入?yún)⒖荚肼暰褪?/f和熱噪聲的疊加。22223,231()()mNmPn inoxgKgKIC fWLWL42CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲 源跟隨器低頻下，源跟隨器的輸入阻抗很高，近似估算時(shí)，可以不用計(jì)算輸入?yún)⒖茧娏鳌Ｈ绻豢紤]熱噪聲，則(a)(b)1)(3/2(411|1|1)|1|1() 3/2(4) 3/2(4) 3/2(4) 3/2(4212122,21 ,2,12112112211122,22212112122mmmvMoutnninnmOOmbOOmbvOOmbmmMou

36、tnmnmnmngggkTAVVVgrrgrrgArrgggkTVgkTIgkTVgkTI 這一輸入?yún)⒖荚肼暸c輸入信號(hào)串聯(lián)，但源跟隨器提供的信號(hào)增益小于1。所以源跟隨器不能提供高信噪比輸出，在低噪聲設(shè)計(jì)中一般很少采用。（如M2的噪聲，將全部施加在輸入?yún)⒖荚肼曋校?3CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲 共源共柵級(jí)分析時(shí)忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制。此時(shí)增益是多少？根據(jù)(b)圖計(jì)算輸入?yún)⒖紵嵩肼曤妷簽椋篻m1RD/1)/1)(3/2(42112,DmminnRggkTV 這個(gè)表達(dá)式并沒有將M2的噪聲考慮進(jìn)去，因?yàn)樗鼘?duì)噪聲的貢獻(xiàn)是很小

37、的。低頻情況下更是如此。從兩方面說(shuō)： 首先不考慮M1溝道調(diào)制，x點(diǎn)向下相當(dāng)于開路，參考共柵級(jí)輸入?yún)⒖嫉脑肼曤娏鞯姆治?，M2的噪聲電流對(duì)輸出噪聲無(wú)貢獻(xiàn)。 再者，我們可將電路等效為(c)，計(jì)算從的增益。如下頁(yè)分析。到2,22outnnVV44CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 7.4 單級(jí)放大器中的噪聲)/(1/122,sCgRVVXmDnoutn 可以發(fā)現(xiàn)頻率越低，這一噪聲輸出越小(低頻下被忽略)，反之越大。共源共柵極在高頻的情況下輸出噪聲增加就是這樣引起的?？紤]到頻率特性，認(rèn)為X點(diǎn)的寄生電容為CX45CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright

38、2013, zhengran第七章 噪聲 467.5 差動(dòng)對(duì)的噪聲本小節(jié)將對(duì)差動(dòng)對(duì)的噪聲特點(diǎn)進(jìn)行分析首先分析一下電路的輸出熱噪聲有哪些？?jī)蓚€(gè)輸入管和負(fù)載電阻的熱噪聲。圖(a)中將兩個(gè)輸入短接，來(lái)計(jì)算總的輸出熱噪聲。(b)中首先考慮M1的熱噪聲?？梢詫㈦娐返刃?c)?？梢娺@一噪聲電流，在M1的源端被分流，一半流入M1，一半流入M2。那么由這一噪聲在輸出端產(chǎn)生的電壓為：22112,121111,22DnMtheroutnDnDnDnMtheroutnRIVRIRIRIV46CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 477.5 差動(dòng)對(duì)的噪聲)132(8)

39、32(8)4(2)()(2222,2,2222212,222212, 12,21DmmDmtheroutntherinnDDmDDnntheroutnDnnMMtheroutnnnRggkTRgVVRRgkTkTRRIIVRIIVII為那么輸入?yún)⒖荚肼暪β实玫皆肼暪β室灿?jì)算在內(nèi)，另外，將負(fù)載電阻的熱總功率為的噪聲端由晶體管熱噪聲引起是不相關(guān)的。那么輸出和又知道這一輸入?yún)⒖荚肼暪β适瞧胀ü苍醇?jí)的兩倍。47CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 487.5 差動(dòng)對(duì)的噪聲 完整的輸入?yún)⒖荚肼暪β?，還必須考慮到柵端1/f噪聲，那么fWLCKRgRgkTVo

40、xNDmDmtotinn12)132(822, 上面的結(jié)果可以看出，差動(dòng)對(duì)的輸入?yún)⒖荚肼暪β适枪苍醇?jí)的兩倍，這僅僅是因?yàn)椴顒?dòng)對(duì)使用了兩倍于共源級(jí)的器件數(shù)目。由于每個(gè)器件的噪聲不相關(guān)，所以整個(gè)噪聲功率就是所有器件噪聲功率的疊加。 48CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)Copyright 2013, zhengran第七章 噪聲 497.5 差動(dòng)對(duì)的噪聲 尾電流噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn) 考慮一個(gè)理想電流源ISS具有電流噪聲In，那么在平衡偏置時(shí)這一噪聲電流會(huì)在兩個(gè)支路中平分，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)共模噪聲。會(huì)對(duì)輸出偏置產(chǎn)生一定的影響，但不會(huì)引起差模輸出。 但是當(dāng)差動(dòng)對(duì)不處于平衡偏置時(shí)，噪聲電流就會(huì)不均衡的分配在兩個(gè)支路當(dāng)中，從而引起差模輸出。由于這一噪聲電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于尾電流的值，因此其非平衡偏置時(shí)引起的