CMOS模拟集成电路第7章—噪声.ppt

CMOS模拟集成电路设计 噪声 提纲 1、噪声的统计特性 2、器件的噪声类型 3、电路中的噪声表示 4、单级放大器中的噪声 5、差动对中的噪声 6、噪声带宽 1、噪声的统计特性 噪声的平均功率是可以被预测的。 1.1 噪声谱 也称为“噪声功率谱密度（PSD）” ，表示在每个频率上（噪声）信号具有的功率的大小。 1.1 噪声谱（续） 定理7-1：如果把噪声谱为Sx(f) 的一个信号加在一个传输函数是H(s)的线性时不变系统上，则输出谱由下式给出。 1.2 相关噪声源与非相关噪声源 在噪声分析中，关心的是平均噪声功率。对于两个噪声，平均噪声功率为 2、器件的噪声类型 2.1 热噪声 电阻热噪声 2.1 热噪声（续） RC电路 2.1 热噪声（续） 电阻的热噪声也可用并联的电流源模型表示 2.1 热噪声（续） MOS的热噪声 2.1 闪烁噪声 闪烁噪声 3、电路中的噪声表示 输入参考噪声 例：MOS管的噪声 4、单级放大器中的噪声 4.1 共源级的噪声 4.2 共栅级的噪声 4.3 共漏级（源跟随器）的噪声 4.4 共源共栅级的噪声 5、差动对中的噪声 差动对为二端口电路 由于输入阻抗很大（电压工作型电路），低频工作时，可以忽略 的影响 差动对的输入参考噪声 6、噪声带宽 小结 1、噪声的统计特性 噪声是一个随机过程，其瞬时幅值不能预测 但平均功率可以预测 2、器件的噪声类型 热噪声、1/f噪声（闪烁噪声）、etc 3、电路中的噪声表示 等效输入噪声（电流、电压） 4、单级放大器中的噪声 5、差动对中的噪声 6、噪声带宽 衡量具有相同低频噪声，但具有不同零极点的各种电路的噪声比较 * 提纲 噪声的统计特性 为了便于计算，用V2来表示而不用W， 可将噪声定义一个均方根电压 噪声的统计特性 噪声波形x(t)的PSD，记为Sx(f)，被定义为f附近1Hz的带宽内x(t)具有的平均功率。 Sx(f)用V2/Hz表示，通常对Sx(f)取平方根，以 表示其结果。 噪声的统计特性 式中H(f )=H(s=j2πf ) 噪声的统计特性 对于不相关的波形（不同的噪声机制），结果中的积分就变成0，非相关噪声源功率的叠加是成立的。 噪声的噪声类型 例：50Ω的电阻在T=300K时的热噪声为8.28×10-19V2/Hz。换算成电压量，得到0.91nV/Hz1/2. k：波儿兹曼常数 可以用一个串联的电压源来模拟 噪声的噪声类型 VR到Vout的传输函数为 根据定理7-1，Vout的噪声谱为 则总噪声功率， 噪声的噪声类型 单位为A2/Hz 例： 噪声的噪声类型 在沟道中产生热噪声 with 其中，系数γ（非体效应系数） 对于长沟器件， γ＝2/3 对于短沟器件， γ＝2、3或更大。 欧姆区的热噪声 对于较宽的晶体管，源和漏的电阻可以忽略 栅的集总电阻R1比分布总电阻RG小， R1＝ RG/3 ※ 噪声的噪声类型 “悬挂”键 用一个与栅极串联的电压源模拟 K是一个与工艺有关的常量，数量级在10-25V2F 转角频率 电路中的噪声表示 首先计算总输出噪声电压； 在电路输入端用一个信号源 代表电路中所有噪声源的影响； 将输入置为零，计算各噪声源在输出产生的总噪声 然而，输出噪声与电路的增益有关，无法对不同的电路的噪声性能进行比较 更一般地，对于任何二端口电路，输入参考噪声采用电压源和电流源表示 根据信号源和电路的输入阻抗，来确定采用噪声源的电路形式 而且要考虑二个噪声源的相关系数 电路中的噪声表示 G D S S CGD CGS gmvGS ro vGS VDS 欲↓热噪声，需↑ID、 ↑W、 ↓ L G D S S CGS gmvGS rO vGS vDS CGD 欲↓闪烁噪声，需↑W L Tradeoff？ 单级放大器中的噪声 请同学们思考：低噪声的共源级电路如何设计？Tradeoff？ 单级放大器中的噪声 电路输入阻抗低，不能忽略输入参考噪声电流 忽略沟道长度调制，这里考虑热噪声，1/f噪声同理计算 电流源等效 电压源等效 严重缺点：从输入参考噪声电流的角度，Rd的噪声直接引入到输入上。 单级放大器中的噪声 电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流 这里考虑热噪声，1/f噪声同理计算， M2在输出导致的输出噪声 源跟随器的增益约为1，源跟随器把噪声加入到输入信号上，在低噪声放大器中通常不使用源跟随器。 单级放大器中的噪声 电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流 忽略沟道长度调制，考虑热噪声， 1/f噪声同理计算 共栅的M2的噪声对Vn,out很小的（或近似认为没有）影响 低频时， M1和RD 的噪声电路流