CMOS模擬集成電路第7章-噪聲

CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)噪聲2/4/20231提綱1、噪聲的統(tǒng)計(jì)特性2、器件的噪聲類型3、電路中的噪聲表示4、單級(jí)放大器中的噪聲5、差動(dòng)對(duì)中的噪聲6、噪聲帶寬2/4/20232提綱1、噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲的平均功率是可以被預(yù)測(cè)的。為了便于計(jì)算，用V2來表示而不用W，可將噪聲定義一個(gè)均方根電壓2/4/20233噪聲的統(tǒng)計(jì)特性1.1噪聲譜也稱為“噪聲功率譜密度（PSD）”，表示在每個(gè)頻率上（噪聲）信號(hào)具有的功率的大小。噪聲波形x(t)的PSD，記為Sx(f)，被定義為f附近1Hz的帶寬內(nèi)x(t)具有的平均功率。Sx(f)用V2/Hz表示，通常對(duì)Sx(f)取平方根，以表示其結(jié)果。2/4/20234噪聲的統(tǒng)計(jì)特性1.1噪聲譜（續(xù)）定理7-1：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)是H(s)的線性時(shí)不變系統(tǒng)上，則輸出譜由下式給出。式中H(f)=H(s=j2πf)2/4/20235噪聲的統(tǒng)計(jì)特性1.2相關(guān)噪聲源與非相關(guān)噪聲源

在噪聲分析中，關(guān)心的是平均噪聲功率。對(duì)于兩個(gè)噪聲，平均噪聲功率為對(duì)于不相關(guān)的波形（不同的噪聲機(jī)制），結(jié)果中的積分就變成0，非相關(guān)噪聲源功率的疊加是成立的。2/4/20236噪聲的統(tǒng)計(jì)特性2、器件的噪聲類型2.1熱噪聲電阻熱噪聲例：50Ω的電阻在T=300K時(shí)的熱噪聲為8.28×10-19V2/Hz。換算成電壓量，得到0.91nV/Hz1/2.

k：波兒茲曼常數(shù)可以用一個(gè)串聯(lián)的電壓源來模擬2/4/20237噪聲的噪聲類型2.1熱噪聲（續(xù)）RC電路VR到Vout的傳輸函數(shù)為根據(jù)定理7-1，Vout的噪聲譜為則總噪聲功率，2/4/20238噪聲的噪聲類型2.1熱噪聲（續(xù)）電阻的熱噪聲也可用并聯(lián)的電流源模型表示單位為A2/Hz例：2/4/20239噪聲的噪聲類型2.1熱噪聲（續(xù)）MOS的熱噪聲在溝道中產(chǎn)生熱噪聲with其中，系數(shù)γ（非體效應(yīng)系數(shù)）對(duì)于長(zhǎng)溝器件，γ＝2/3對(duì)于短溝器件，γ＝2、3或更大。歐姆區(qū)的熱噪聲對(duì)于較寬的晶體管，源和漏的電阻可以忽略柵的集總電阻R1比分布總電阻RG小，R1＝RG/3※2/4/202310噪聲的噪聲類型2.1閃爍噪聲閃爍噪聲“懸掛”鍵

用一個(gè)與柵極串聯(lián)的電壓源模擬K是一個(gè)與工藝有關(guān)的常量，數(shù)量級(jí)在10-25V2F轉(zhuǎn)角頻率

2/4/202311噪聲的噪聲類型3、電路中的噪聲表示輸入?yún)⒖荚肼暿紫扔?jì)算總輸出噪聲電壓；在電路輸入端用一個(gè)信號(hào)源代表電路中所有噪聲源的影響；將輸入置為零，計(jì)算各噪聲源在輸出產(chǎn)生的總噪聲然而，輸出噪聲與電路的增益有關(guān)，無法對(duì)不同的電路的噪聲性能進(jìn)行比較更一般地，對(duì)于任何二端口電路，輸入?yún)⒖荚肼暡捎秒妷涸春碗娏髟幢硎靖鶕?jù)信號(hào)源和電路的輸入阻抗，來確定采用噪聲源的電路形式而且要考慮二個(gè)噪聲源的相關(guān)系數(shù)2/4/202312電路中的噪聲表示GDSSCGDCGSgmvGSrovGSVDS欲↓熱噪聲，需↑ID、↑W、↓LGDSSCGSgmvGSrOvGSvDSCGD欲↓閃爍噪聲，需↑WLTradeoff？例：MOS管的噪聲2/4/202313電路中的噪聲表示4、單級(jí)放大器中的噪聲4.1共源級(jí)的噪聲請(qǐng)同學(xué)們思考：低噪聲的共源級(jí)電路如何設(shè)計(jì)？Tradeoff？2/4/202314單級(jí)放大器中的噪聲4.2共柵級(jí)的噪聲電路輸入阻抗低，不能忽略輸入?yún)⒖荚肼曤娏骱雎詼系篱L(zhǎng)度調(diào)制，這里考慮熱噪聲，1/f噪聲同理計(jì)算電流源等效電壓源等效嚴(yán)重缺點(diǎn)：從輸入?yún)⒖荚肼曤娏鞯慕嵌龋琑d的噪聲直接引入到輸入上。2/4/202315單級(jí)放大器中的噪聲4.3共漏級(jí)（源跟隨器）的噪聲電路輸入阻抗高，忽略輸入?yún)⒖荚肼曤娏鬟@里考慮熱噪聲，1/f噪聲同理計(jì)算，M2在輸出導(dǎo)致的輸出噪聲源跟隨器的增益約為1，源跟隨器把噪聲加入到輸入信號(hào)上，在低噪聲放大器中通常不使用源跟隨器。2/4/202316單級(jí)放大器中的噪聲4.4共源共柵級(jí)的噪聲電路輸入阻抗高，忽略輸入?yún)⒖荚肼曤娏骱雎詼系篱L(zhǎng)度調(diào)制，考慮熱噪聲，1/f噪聲同理計(jì)算共柵的M2的噪聲對(duì)Vn,out很小的（或近似認(rèn)為沒有）影響低頻時(shí)，M1和RD

的噪聲電路流過RD，M1和RD貢獻(xiàn)的噪聲可以像共源級(jí)電路一樣量化M1M2的電流噪聲In2折算到M2的柵端的電壓噪聲，然后按帶源極負(fù)反饋的共源級(jí)電路計(jì)算到Vnout的值，若M1的輸出電阻非常大，則增益很小，可以忽略其影響。2/4/202317單級(jí)放大器中的噪聲5、差動(dòng)對(duì)中的噪聲差動(dòng)對(duì)為二端口電路由于輸入阻抗很大（電壓工作型電路），低頻工作時(shí)，可以忽略的影響2/4/202318差動(dòng)對(duì)中的噪聲差動(dòng)對(duì)的輸入?yún)⒖荚肼暫雎詼系篱L(zhǎng)度調(diào)制各噪聲是非相關(guān)的，功率量可以疊加2/4/202319差動(dòng)對(duì)中的噪聲6、噪聲帶寬考慮一個(gè)多極點(diǎn)電路，總輸出噪聲的功率Bn為“噪聲帶寬”。一個(gè)單極點(diǎn)系統(tǒng)的噪聲帶寬等于該極點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率的π/2倍。衡量具有相同低頻噪聲，但具有不同零極點(diǎn)的各種電路的噪聲比較2/4/202320噪聲帶寬小結(jié)1、噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲是一個(gè)隨機(jī)過程，其瞬時(shí)幅值不能預(yù)測(cè)但平均功率可以預(yù)測(cè)2