模拟集成电路噪声1

1、噪声的统计特性/噪声的影响a）信号是非理想的，包含信息本身和另一些成分例如：由非对称电路引入的共模-差模，噪声。b）当信号幅度下降时，噪声本身没有下降，则信噪比下降c）噪声问题常和功耗、速度、线性度等参数相互制约。“什么是噪声？噪声是一个随机过程，噪声的值在任何时候都不可能被 预测。/噪声的统计模型在很多情况下，噪声的平均功率可以被预测，电路中 的大多数噪声显示出固定的平均功耗。噪声平均功耗对一个周期性的电压血），在一个负载电阻R上消耗的平均功耗:Pav =R则，随机信号的平均功耗巧卩定义为:巴=limTs1TR测量时间很长，T g。X（t）是电压值。定义： 匕单位是V2,只和信号有关/均方根

2、电压（rms）氏单位是V。噪声的统计特性/信噪比（SNR）假定一个结点的信号Vs,具有功耗和噪声功耗（”小 信噪比定义为：S NR =lOogsignalpower=lOlogV s(mis)T / 2=201ogv5(/7725 )noisepowerV n()vis)Vnnns)当信号和噪声的均方根电压值相等时，SNR二0/ dBm表示dB单位表示两个功耗的相对的比值。同时，知道绝对值是有意义的，dBm是一种表示方法。 定义：所有的功率值以lmw作为参考标准。例：信号Odbm, 1/zvv 30dbm/功率谱一频域表示既然噪声是一种信号，则它随频率的改变而变化，具有 自己的噪声谱。功率谱计

3、算2S(f)： f附近1Hz带宽内信号具有的平均 功率。S(f)的区间为卜00, +O0,双边噪声谱。单边功率谱因为x(t)是实数，可以证明Sx(f)是fx的偶函数。 将双边谱折叠，0, +oo的Sx(f)*2T单边谱。 例，白噪声，在所有频率下具有相同的值。噪声的统计特性噪声谱和均方根功率的关系S疋(/)为噪声谱，单位是V2/Hzo噪声谱的另一种表示为(/)，单位是v/Vhzo/噪声传输定理：若把噪声谱为Sx(f)的信号加到传输函数为H的线性时不变系统上。则输出谱是:/噪声带宽如果一个理想的滤波器(brick-wall filter)和一个电路输 出的噪声谱的相同，则这个滤波器的带宽就是噪声

4、 带宽。例：一个单极点系统的噪声 带宽等于该极点对应频 率的兀/2倍。即：B产M噪声的统计特性/相关和非相关噪声源有二个噪声源：召C) PC)匕=im力Too=Pav + 匕2 +2西(t) X X2 (讪第三项表示二个噪声源之间的相关性，若二者非相关, 贝:limTsPav = Pav + Pav2在大多数情况下，噪声源是非相关的，可以使用叠加 原理。噪声类型电路噪声可分成器件噪声和环境噪声。环境噪声包含电源 或地线、衬底等的随机干扰。只考虑器件的噪声。1.热噪声电阻噪声：导体中的电子的随机运动引起的，和温度成正比Sv = 4kTR /0&一单位是 V2/Hz无丽电阻Af特点：rT=sv(/

5、)T ；是白噪声；噪声是随机量，极 性并不重要，但在电路分析中应保持不变。Q无噪声电阴生=尸 平均功率不变二罟R nR例：RC电路的噪声RS附）=4处川八侥=4 处+ 4沪二2/2 输出总功率：也冷4巧+ 4龙2二2广20 丿例：电阻并联。直观地，二个电阻等效为一个电阻， 即：一个噪声源。v二“=4kTR = 4kT（RJ/R2） 是二个非相关的噪声源， 采用电流源模拟更方便。+l爲 左=兀+疋=t丄+丄占R2）V爲=/爲（尺尺2）2=4好（尺尺2）MOS晶体管噪声:沟道噪声：用电流源模拟。其中系数丫和体效应无关。 ptI； kTygml2s4kTygrn对长沟道，丫=2/3。短沟道的丫增加。

6、使输入为零。a) /. g,” 谆丄在恒流源情况下b) 噪声和输入的位置无关。例：MOS管的噪声电压Rg2十斤“二 Rg分布电阻MOS的栅极寄生电阻噪声:可以证明：r. = -rg13 G ( V=4k7-RG (g”乙F 丿减少栅电阻的方法：折叠、二边加孔。噪声类型2.闪烁噪声（1/f噪声）： 产生的原因：栅氧化和硅界面有悬挂键（Si 侧）多舅硅T能级T载流子的随机俘获和释放 T在漏电流中产生“闪烁”噪声。硅晶体mrm用一个和栅极串联的电压源模拟 歹丄20log 畤COXWL fa）和频率成反比。b）和W、L成反比。WLln谆丄c）K是一个和工艺有关的常数。10_25V2F闪烁噪声的转角频率

7、:对一个MOS器件，热噪声和闪烁噪声Hiog)哪一个是更重要的？可以用闪烁噪声的 频率表示。在低频时,1/f噪声是主要的。在高频时，热噪声是主要的。转折频率点：zj K1 2 , COXWL J；8m = kT7Smfc =K gm _ 3 K gmCoaWL 4kTy SkT Cox WL对于短沟道器件，fc - 500kHzlMHz考虑量化一个电路的噪声影响：测量电路的输出噪声方法：将输入置为零，计算电路中各种噪声源在输出 产生的总噪声。输出噪声是实际的噪声，可采 用仿真和实验的测量方法。例:共源级的总输出噪声 (2 、/；i=%xg”；+4好-gmJ丿V2n221 -JC+ 4kTC,g

8、：+4M/心氐 电路的输入参考噪声输出噪声和电路的增益有关，无法对不同电路的噪 声性能进行合理的比较。将输出噪声等效到输入端，用 一个输入参考噪声电压进行比较。输入参考噪声电压是一个虚拟量，不能测量到。例：共源级+理想放大器Ml和Rd产生的输出噪声为但是，输入信号也放大了A1倍，SNR不变。+ 4kT/RD18 mD输入参考电压可表示在一定SNR条件下，输入信号有多小。 表示输入信号被噪声损坏的程度。可以证明：同时用巨和 兀表示任何线性端口电路的噪声是n.in充分和必要的。O有昨电路y瓷outo无噪声电路若输入阻抗很小，信号源的阻抗很大，则用电压源模拟输入参 考噪声时，噪声0。故必须有一个串联

9、电压源和一个并联电流源 怎样计算？a）噪声电压源输入为零-得到输入噪声-等效到输入电压源验证：输入 短路，计算输出噪声，-得到相同的输出噪声。b）噪声电流源_使输入开路，一根据输入噪声丘，推导输出噪声，-求输 入开路时器件噪声产生的输出噪声，二种输出噪声相等，得 到输入噪声电流源。c）噪声源的相关性输入参考噪声电压源和电流源是相关的，同时用电压源和电 流源表示输入参考噪声，并没有将噪声重复计算。利用输入参考噪声电压源和电流源在输出产生的总噪声，必 须采用电压叠加的方式，就像对待二个独立的激励源一样，而 不能采用功耗叠加的方法。单级放大器中的噪声1）共源级（前面的例子）out+JR+一+ 4好

10、“ CmWLf乩 Rd若要放大栅极的电压，输入噪声越小越好若Ml是恒流源，则乩K 12 丁 g加CxM fcV2. =4kTn.m2n/a out + klgm j显然,Ml作为恒流源和电压放大应用时的设计要求是不同的单级放大器中的噪声MOS管负载共源级计算输入参考噪声电压用电流源表示输出热噪声，输出 阻抗是roX II ro2石农+ B)x(皿2)/ 2 2 =kT - 8tnx + - 8ml XL/Z2)nzlX V2xz2 Vnjn -2f区间内的积分。仏/JV2nout(2 2 、:i+Si /z2)2(wq)2。比)= 4kT - gmA + - gm2i J)3n,out,tot

11、 = A：。肿=-(g,! + g,2Xl od S噪声和负载Cl成反比，QfnC/41-12g/lSi 乙2)匕75若输入是正弦波，信号功率为SNR =/3(g,”+g”,2)(GG2)2孕计JrQv：负载ClT，SNRf,带宽J4kT (g初+ g2）共栅级：特点是输入阻抗很小，同时考虑输入噪声电压和电流输入接地，用二个电流源来表示噪声+ 4好丄Rl rd计算输入参考噪声电压A/ = （?m + g JRd丄、1HRd(g 加 + g mb )石弘f）花味珅佥”哙底计算输入参考噪声电流Open令Ml的源极开路，贝施Ml源极的电流 _和为零。Ml的热噪声在输出不产生噪声。 爲ut 即:+ z

12、D = 0=匹 = 4kTRnn.out Dn.outD加入输入参考噪声电流:2 r2 _ T72、iiout Dn.outnn4kT因为没有电流增益，输入参考噪声电流源就 是负载噪声电流源。偏置电流源引入的噪声bcM31WoM2的影响：输入接地时，M2对输出噪声没有 贡献。输入开路时，圧xR爲J2n.outM2的噪声电流直接加到输出端zv gmI = constant.VeffVb T= 输出摆幅下降。VJJVeffM3的影响：负载的噪声影响类似于共源级，要求:1/f噪声的影响:2输入开路:输入接地：M2没有影响，类似共源级的噪声。2 Kpg 讪(w4 g A =+ g泅比1 乙3 )2mp

13、Si/%)忑山+熙纸Coxf(WL(WL)3m + g mb 1Ml没有影响，类似共源共栅级。2S mn 2+A7、7)2out热噪声：Ml、Rd和共源级一样量化。3）共源共栅级：输入阻抗很大，忽略输入噪声电流源。M2的影响：等效成噪声电流源A = 0ID2= In2对输出没有影响。Va _ n.out vvn2若X点的寄生电容很大，等效为噪声电压源分析。1 + 8m2Rs-RS很大，Ay很小高频时，&T丄 增益增加，的影响增大52MM4) 源跟随器：同样，输入阻抗很大，可忽略输入噪声电流源。= v2.n.m计算输入噪声电压：_ Ml用电压源表示： 石 M2用电流源表示： z2 ) 了 g加

14、d 丿v2n.out= /；2M2等效到Ml的栅极：久=S m + g m2 = KI + Av=4| tot/JV2.hah丄丄1 S mA S mb 1 )g mA22 (g切+g检 1)2(1 、1gm2卞2 8tn )5）差动放大器:考虑Ml、M2和R用电流源表示I 4/ =-匕nR=4k2n.outV2n.outI2 +/2 +2/2AkT 訓 x2 + -x2 = 8kT gm + kdk j511 n22 3丿【爲 R； = *kT - gmRl + Rd V2C = = T3yr 2 i )+ 2tn 8 m 丿输入参考噪声电压是共源级的二倍，器件增加导致噪声增加。5) 差动放

15、大器:1/f噪声等效在栅极。 V2C = = 8kT2K 1+CaxWL fMOS负载和单端输出的差动对的情况:MOS负载：根据共源级的公式，唸=4灯J +薯x2Jg加13g加1丿I 2 心 1 | 2鸣 1 g”,3 Cox(WL 7 C”(WL)3g爲单端的情况和共源级一致。套筒式结构:在共源共栅级中，低频时，共栅器件的 噪声影响可忽略。故只有Ml、M7的噪 声对输出有影响。又，共源共栅级的噪声公式和共源级相 同。x2l 2心1 |2丄如COX(WL 7 COXWL J折叠结构:Ml、M2是输入对管，M9、M10是负载。M7、M8是电流源。M7、M8的噪声：=2x4kT 2 勺了M7,83 S/n 丿匕爲=2x 4kT-g(2qmlJ 3 丿折叠结构比套筒式多了一项M7,8的噪声。二级运放的情况：计算输入参考噪声 考虑第二级的噪声MlM4的噪声:V2.n.in匕爲=2 x 4kT- (g加7 + g加)x (ro5 / ro7)2_3_V2_ n.outM 5 Ay Ay 2 (O2x 4好孑(g加+g加)x (ro5 II rol )2 =13丿gMil Si 乙3)8rn5 (?5 rol )16 kT(gml + gm5)= 2xWx- &址&如Ml-M433 8；必仏么）2总的热噪声：-TT M n.mtot 3、 o + o-