模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第7章噪声.ppt

模拟集成电路设计第7章 噪声（一）董刚微电子学院1)2上一讲频率特性电路性能指标随信号频率的变化特性考虑电容、电感等参数对频率敏感的元件的影响Av=VYVX用s域分析法来分析频率特性密勒定理Z1 =Z(1 Av)Z2 =Z1(1 A v)一种为了方便电路分析而进行的电路转换X和和Y之间只有一个信号通之间只有一个信号通路时往往不适用阻抗Z和信号主通路并联时适用极点-节点的关联每个节点对应一个极点节点之间有相互作用时不再是每个节点贡献一个极点H (s)=A v 0 V outV in(1+(s)sp 1)(1+1sp 2)(1+sp 3西电微电子学院董刚模拟集成电路设计(s)=Vin s s out =1in =s s s Rin =23DB+CGDCDB)+sRS(1+gmRD)CGD上一讲共源级的频率特性传输函数（增益）和输入阻抗用极点-节点关联法计算简单直观。有误差；没反映出零点Vout gm RD(1+)(1+)in outRS CGS +(1+g m RD)CGD 1(CGD+CDB)RDVoutVin(s)=1z +1 +1p1 p 2 用完整等效电路推导法计算复杂，但结果精确，反映了零点的影响1+RD(CGD+CDB)s 1CGDs(1+gm RD+RDCDBs)CGS svo (sCGD gm)RDvi s RS RD(CGSCGD+CGSC西电微电子学院董刚模拟集成电路设计+RSCGS+RD(CGD+CDB)+11 11+=24 Sm上一讲源跟随器1、做电压平移、做电压平移2、做阻抗转换缓冲器、做阻抗转换缓冲器Av =1gm RS+(1+)1+传输函数和极零点：根据该式，合理设计可获得期望带宽、相位裕度等指标输入阻抗：Zin=VX 1 1 gm 1I X sCGD sCGS sCGS gmb+sCL vo gm+sCGSvi s RS(CGS CL+CGS CGD+CGDCL)+s(gm RS CGD+CL+CGS)+gm输出阻抗：Z OUT =(sRS CGS +1)/(g m +sCGS)1/g（低频时），R（高频时）西电微电子学院董刚模拟集成电路设计1vovi+S)5上一讲共栅级Rin小，Rout大传输函数：无密勒电容项，高带宽(s)=(gm+gmb)RD1+(gm+gmb)RS (1+1CSgm+gmb+RSs)(1+RDCD s)输入阻抗：频率增大时，ZL趋近于0，Rin趋近于Rin =1/(gm+gmb)Z L+rO Z L 11+(g m+g mb)rO (g m+g mb)rO g m+g mbZ L =R D1sC D输出阻抗R out =1+(gm+gmb)ro R S1sC+ro|(R D1sC D西电微电子学院董刚模拟集成电路设计6上一讲共源共栅级Rin和Rout大，高增益密勒效应小，高频极点为了保证放大器的稳定性，通常设计fpX最大输出阻抗频率增大时下降，影响共源共栅电流镜的精度Z out (1+g m 2 rO 2)Z X +rO 2 (1/sCY)Z X =rO1 (sC X),忽略CGD1西电微电子学院董刚模拟集成电路设计1s 1+1)7上一讲电流源负载的差分放大器差模频率特性用半电路法分析CL包括CDB3、CGD3（G点为交流地）、CDB1用共源放大器传输函数结论得：ACMDM=gm1 gm2(gm1+gm2)(rO3sCP)+1(RD1sCLVoutVin(s)=Av 0 sp 1 z sp 2+1 高频时共模抑制能力下降主极点为：f p1=1/2CL(rO1 rO 3)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计=L=8上一讲电流镜负载的差分放大器vout gmNrON(2gmP+sCE)vin 2rONrOPCECLs2+(2rON+rOP)CE+rOP(1+2gmPrON)CL s+2gmP(rON+rOP)镜像极点通常比输出极点大，即p1 p2，因此有：p1=(2 rON2 g mP(rON +rOP)+rOP)C E +rOP(1+2 g mP rON)C L忽略分母中第一项并假 设 2 g mP rON ff 1，则：p1 1C（rOP rON）1 1 p1 p 2rON rOP CE CLg mP(rON +rOP)p 2 g mPCEZ =2 p 2 =2 g mPCE西电微电子学院董刚模拟集成电路设计9本讲 噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院董刚模拟集成电路设计10为什么要学习噪声知识？电路能处理的信号的最小值等于噪声的水平设计AIC时通常需要考虑噪声指标体现在信噪比（SNR）这一指标上低噪声AIC在很多领域有重要应用西电微电子学院董刚模拟集成电路设计11统计学特性噪声是一个随机过程每一时刻的幅值是不能预测的哪些特性可以被预测？平均功率、功率谱密度（噪声谱）、幅值分布西电微电子学院董刚模拟集成电路设计1 +T/21 +T/2 2t 12平均功率有些随机过程的平均功率也不可预测电路中大多数噪声源有固定的平均功率，可以预测均方根值（root mean square）的定义：平均功率的定义：Pav=lim T/2t T2x(t)dtrms=Pav =limT T/2 x(t)dt平均功率只反映了噪声的功率特性若x(t)为电压信号，则Pav单位为V2（幅值特性），没反映频率特性西电微电子学院董刚模拟集成电路设计13噪声谱又称为“功率谱密度”(PSD:Power spectral density)；PSD定义为：在每个频率上信号具有的功率的大小；定义为：在每个频率上信号具有的功率的大小；反映了噪声的功率和频率两方面的特性X(t)信号的信号的PSD写为写为SX(f)；SX(f)定义为：定义为：f附近1Hz带宽内X(t)具有的平均功率；单位V2/Hz电路中大多数噪声源有可预测的噪声谱西电微电子学院董刚模拟集成电路设计214噪声谱PSD在整个频率范围内为在整个频率范围内为相同值白噪声定理适用于线性时不变系统分析电路噪声时的理论依据线性时不变系统：具有叠加性、均匀性并且系统参数不随时间变化的系统SY(f)=S X(f)H(f),H(f)=H(s=2jf)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计15噪声谱被H(f)“整形”电话系统带宽为4KHz，声音信号的高频部分被滤除西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 f 116“双边双边”谱和谱和“单边单边”谱谱参考文献1X(t)如果是实数，则如果是实数，则SX(f)为f的偶函数（“双边”谱）从数学角度看f1，f2频率范围内频率范围内x(t)总总f 2功率Pf1,f2 Pf 1,f 2 =f 2 S X(f)df+f 1 S X(f)df用带通滤波器测量的结果 f 2为“单边”谱（0到+Hz）=f 1 2S X(f)df“双边双边”谱谱西电微电子学院董刚模拟集成电路设计“单边单边”谱谱17幅值分布概率密度函数噪声瞬时值不可预测，但通过长期观察、统计，可以得到每个值出现的概率大小PDF：Probability density function，定义为：，定义为：PX(x)dx=x X x+dx的概率许多随机量的PDF表现为高斯（正态）分布，如电阻的噪声西电微电子学院董刚模拟集成电路设计1 +T/21 +T/2 1 +T/221 +T/21 +T/218t t t t t 相关噪声源和非相关噪声源电路中通常同时存在多个噪声源相关噪声源噪声功率不可以直接叠加非相关噪声源不相关器件产生的噪声；噪声功率可以直接叠加Pav =lim T T/2 x1(t)+x2(t)2 dt=lim T T/2 x1(t)(t)dt+lim T T/2 x2(t)2 dt+lim T T/2 2 x1(t)x2(t)dt=Pav1+Pav 2 +lim T T/2 2 x1(t)x2(t)dt西电微电子学院董刚模拟集成电路设计x1(t)和和x2(t)不存在不存在相关性时，第三项为零；相关时第三项不为零；相关性越高（波形相似程度），第三项的值越大119相关噪声源和非相关噪声源比赛前体育场中的观众交谈，产生非相关噪声，总噪声功率低AIC设计中研究设计中研究的噪声源通常是不相关的，比赛中，观众齐 因此噪声功率声呐喊，产生相 可直接叠加关噪声，总噪声功率高Pav =Pav1+Pav 2 +limt T西电微电子学院董刚模拟集成电路设计T/2 2 x1(t)x2(t)dt+T/220本讲 噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院董刚模拟集成电路设计21噪声的分类“环境环境”噪声和器件噪声噪声和器件噪声“环境环境”噪声指来自电源线、地线、衬底等噪声指来自电源线、地线、衬底等“外环境外环境”的噪声（干扰）的噪声（干扰）器件噪声指构成AIC的器件本身所产生的噪声，如电阻、MOS管等器件噪声热噪声电阻噪声、MOS管的沟道热噪声闪烁噪声MOS管管西电微电子学院董刚模拟集成电路设计2222热噪声来源导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝对温度成正比电阻的热噪声极性不重要，但在分析电路时要保持不变噪声谱密度：SV(f)=4kTR教材上默认f=1HzVn =4 kTR(f);I n =4 kTR(f)R=50,T=300 K Vn =0.91 nV/Hz西电微电子学院董刚模拟集成电路设计14 R C f +12 2 2 2n23RC电路的输出噪声电路的输出噪声计算RC电路的输出噪声谱和总噪声功率开关电容电路的采样噪声VoutVR(s)=1sRC+1Sout(f)=SR(f)VoutVR2(j)=4kTR 2 2 2 2P,out 04kTR4 R C f +1df=kT 1pF电容时为电容时为64.3VC 与R无关，只能增大C来减小噪声西电微电子学院董刚模拟集成电路设计2224用电流源来表示热噪声噪声可以用串连电压源来表示，也可以用并联电流源表示多种表示的意义Vn =4 kTR(f);I n =4 kTR(f)选择合适的表示法，会降低电路分析的复杂度完整表征噪声需要这两种表示法见“输入参考噪声”部分西电微电子学院董刚模拟集成电路设计222225MOS管沟道区的热噪声管沟道区的热噪声工作在饱和区的长沟道MOS管不是体效应系数。长沟道MOS管的=2/3亚微米MOS管会很大（0.25微米工艺时为2.5）单个MOS管能产生的最大热噪声电压：Vn2=I n rO =4 kT(g m)rO3减少gm可降低噪声。当gm不影响其他关键指标时，应尽量小西电微电子学院董刚模拟集成电路设计26MOS管欧姆区的热噪声管欧姆区的热噪声欧姆区热噪声栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声一般不考虑西电微电子学院董刚模拟集成电路设计227MOS管的闪烁噪声管的闪烁噪声来源载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放，导致源漏电流有噪声用与栅极串联的电压源来模拟载流子俘获与释放多发生在低频下1/f噪声噪声其噪声功率与所选工艺密切有关Vn =K 1CoxWL fK数量级10 25V 2 F减少1/f噪声主要靠增大器件面积西电微电子学院董刚模拟集成电路设计2 K 1 22K 3gm28MOS管的闪烁噪声管的闪烁噪声1/f噪声的转角频率噪声的转角频率fC定义为：热噪声和1/f噪声曲线的交叉点用来界定1/f噪声起主导作用的频段与面积和偏置电流有关。对于给定的L，fC相对固定。亚微米MOS管的fC在500KHz-1MHz之间之间4kT gm gm3 CoxWL fcVn =K 1CoxWL ffc （对长沟道器件）CoxWL 8kT西电微电子学院董刚模拟集成电路设计222 2263222129MOS管的总噪声管的总噪声在1KHz1MHz频带内，计算NMOS管源漏电流的总噪声热噪声：I n =4 kT(g m)3I n,tot =4 kT(g m)(10 10 )4 kT(g m)10 63 31/f噪声：噪声：Vn,1/f=K 1CoxWL fI n,1/f=K 1 2C OX WL fg mI n,1/,ftot=2Kg mC OX WL KHz1MHzdff=2Kg mC OX WLln 10 3 =26.91Kg mC OX WL西电微电子学院董刚模拟集成电路设计30本讲 噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院董刚模拟集成电路设计2RDgm+31电路中噪声的表示表示方法一输出参考噪声电压：把输入置零，计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声这种表示法的不足：输出参考噪声与电路增益有关，Vn,out2=4kT gm +3K 1 2 4kT 2CoxWL f RD 无法比较不同电路的噪声性能M1管的热噪声管的热噪声+M1管的管的1/f噪声噪声+RD的热噪声西电微电子学院董刚模拟集成电路设计32电路中噪声的表示表示方法二输入参考噪声电压：在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响Vn2,in =Vn2,outAv2输入参考噪声反映了输入信号被噪声“侵害”的程度，能用于不同电路的噪声指标的比较西电微电子学院董刚模拟集成电路设计Vn,out Vn,outVn,in22RD 2 2gm+22V33电路中噪声的表示计算输入参考噪声电压2 2=2 =2 2Av gm RD2Vn,in=4kT gm+3K 1 2 4kT 2 1CoxWL f RD gm RD=4kT2 K 1 4kT3gm CoxWL f gm RD等效热噪声电阻RT：电路在单位带宽内的总的输入n,in,热噪声部分=4kT（2 1 2 ）3gm gm RD参考热噪声等于RT 的热噪声RT =2 1 23gm gm RD西电微电子学院董刚模拟集成电路设计34电路中噪声的表示仅用与输入串联的电压源来表示输入参考噪声是不够的该电路由一信号源Vin驱动，信号源输出阻抗为sL1，电路输入阻抗为1/sCin。若仅用输入参考电压源来表示噪声，则当L1增大时，计算得到的输出噪声会越来越小，与事实不符。事实上输出噪声与L1和Cin无关西电微电子学院董刚模拟集成电路设计35电路中噪声的表示用串联电压源和并联电流源共同来表示输入参考噪声串联电压源和并联电流源的计算方法：针对信号源内阻为零和无穷大两种极端情形来计算西电微电子学院董刚模拟集成电路设计22 4kT21 2 2 2 2Cin(4kT 2 1236电路中噪声的表示串联电压源和并联电流源的计算Vn,in=4kT+2 (不含1/f噪声)3gm gm RDVn,out=I2n,in)gm RD=(4kT gm+34kT 2)RDRDI2n,in=(Cin)2 (gm+)gm 3 RD西电微电子学院董刚模拟集成电路设计37电路中噪声的表示用串联电压源和并联电流源同时来表示输入参考噪声，是否把“噪声计算了两次”？没有可以证明：对任何源阻抗ZS，计算的输出噪声都是正确的证明思路：由Vn,in和In,in，求出Vn,X，再乘以增益(gmRD)，即可求出，即可求出Vn,out西电微电子学院董刚模拟集成电路设计12I n,MOS222总结噪声的统计特性平均功率Pav=limt T+T/2T/22x(t)dt噪声谱（功率谱密度PSD）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型Vn =4 kTR(f)环境噪声和器件噪声热噪声和闪烁噪声I n2=4 kTR(f)Vn,MOS=K 1CoxWL f西电微电子学院董刚模拟集成电路设计=4kT(g m)33839总结电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院董刚模拟集成电路设计40作业7.1应用本讲内容西电微电子学院董刚模拟集成电路设计