模拟CMOS集成电路设计拉扎维第7章噪声二.ppt

1、模拟集成电路设计,第7章 噪声（二,董刚,微电子学院,1,1,2,I n , MOS,2,2,2,上一讲,噪声的统计特性 平均功率,Pav = lim t T,T / 2 T / 2,2 x (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 n,2,4 kT R,f,Vn , MOS,K 1 CoxWL f 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,4kT ( g m ) 3 2,3,上一讲,电路中噪声的表示,串联的输入参考噪声电压 并联的输入参考噪声电流,西电微电子学院董刚模拟集成

2、电路设计,4,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,2,2,起作用,5,辅助定理 用于简化噪声分析和计算 定理内容 源漏之间的噪声电流源可以等效为与栅级串 联的噪声电压源（对任意的ZS），反之亦可 条件：均由有限阻抗驱动；低频时 Vn2,gate = I n , DS / g m 若驱动阻抗无限 大，则右图中Vn2 一端悬浮，无法 高频时，栅电压到 源漏电流的跨导会,西电微电子学院董刚模拟集成

3、电路设计,随频率改变,2,6,辅助定理的证明 思路： 考察这两个电路在下列条 件成立时是否真等效,Vn , gate,I,2 n , DS,g,2 m,证明： 输出阻抗相同，只考察输出 短路电流是否相等即可,I n ,out 1 I n ,out 2,I n Z S ( g m + 1 / rO ) + 1 g mVn Z S ( g m + 1 / rO ) + 1,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,7,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

4、的噪声 噪声带宽,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,K 1 2 4 kT,2,V,2 1,4 kT,K 1,2,1,2,0,8,共源级,2 n , out,4 kT g m + 3,C ox WL f R D,g m,R D,V,2 n , in,V n2, out Av20,3 g m + g m R,D,C ox WL f,I,2 n , in,2 Z in,4 kT,2 3 g,m,1 K 1 g m R D C ox WL f （低频时,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2 1,4 kT,K 1,2,2,K 1 2 4 kT,2,V,9,共源级 做放大器器适用时， 增大gm可L

5、N 增大RD可LN,V,2 n , in,V n2, out Av20,3 g m + g m R,D,C ox WL f,2 n , out,4 kT g m + 3,C ox WL f R D,g m,R D,做电流源使用 时，减小gm可LN 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2 2,2,2,2 2 1,3,g m1,3,2 2 g m 2,4kT,2,10,共源级实例分析 M1和M2均工作在饱和区。计算： 1、输入参考热噪声电压 2、若负载电容为CL，求总输出热噪声 3、若输入是振幅为Vm的低频正弦信号，求 输出信噪比 1、求输入参考热噪声电压,V,2 n , out,4 kT g m

6、 1 + g m 2 ( rO 1 rO 2 ) 2 3 3,Vn ,in,Vn ,out,Av 0 = 4kT g m1 + g m 2 2,增大gm 1、减小gm2 ， 可LN,3g m1 + 3g m1,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2 2,V,2 2,3,1 2,V,2,C L,kT,11,共源级实例分析 2、若负载电容为CL， 求总输出热噪声,2 n , out,4 kT g m 1 + g m 2 ( rO 1 rO 2 ) 3 3,2 频带内积分，得总输出 热噪声,2 n , out , tot,0 4 kT g m 1 + 3 g m 2 ( rO 1 rO 2,sC L

7、,df,(g m 1 + g m 2 )( rO 1 rO 2 ) 3 增大CL可以LN，但牺牲带宽；而带宽由输入信号带宽决定 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,V,kT,V m,2,3,12,共源级实例分析 3、若输入是振幅为 Vm的低频正弦信 号，求输出信噪比 1、增大CL可以提高 SNR，但牺牲带宽,2 n , out , tot,(g m 1 + g m 2 )( rO 1 rO 2 ) 3,kT C L,2、增大gm1、减小gm2可以 提高SNR 3、增大Av0可以增大SNR,输入信号在输出端产生的信号振幅为： g m 1 ( rO 1 rO 2 )V m SNR为功率之比,S

8、NR out,g m 1 + g m 2 )( rO 1 rO 2,g m 1 ( rO 1 rO 2 )V m / 2 2 C L,2 3C L g m 1 ( rO 1 rO 2 ) 2 4 kT g m 1 + g m 2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,L,2 1,4 kT,K 1,2,2,2 1 g m 2 1 K P g m 2 K N 1,4kT,Vn2,in,13,2 2,共源级的LN设计 减小热噪声： 增大IDS使gm1最大，牺牲功 耗和输出摆幅 增大W使gm1最大，会增大 寄生电容,减小1/f噪声,gm = 2nCox W ID,增大WL，但增大寄生电容降低速度,V,2

9、 n , in,V n2, out Av20,3 g m + g m R,D,C ox WL f,3 g m1 + g m1 + COX (WL) 2 g m1 + (WL)1 f 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,14,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,15,共栅级,先只考虑热噪声 计算输入参考噪 声电压,思路,将输入短接到地（相 当于驱动源内阻为零 情形），计算输出端 噪声电压；再除

10、以低,频增益Av0,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2 4 kT,2,2,2,2 1,16,输入参考热噪声电压,V n2,in,V n2,out Av20,4 kT g m + ) R D 3 R D (g m + g mb ) R D,4 kT ( g m + 3 R D (g m + g mb )2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,17,输入参考热噪声电流 思路,将输入断路（相当于驱动 源内阻为无穷大情形）， 计算输出端噪声电压；再,I,2 n , in,4 kTR D 2 R D,4 kT R D,计算输入增益 In12对Vn,out2的计 算无影响 共栅级的缺点： 由于从输入到

11、输出 的电流增益为1，因 此，负载电阻的噪 声电流将直接反映 在输入端 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1 g m1 K N g m 3 K P 1,2,Rout I n ,in,18,输入参考1/f噪声电压和电流 计算输入参考1/f噪声电压和电流 输入短接地，计算输入参考1/f噪声电压,Vn2,out,1 COX,2 2 g m1 K N g m3 K P f (WL)1 (WL)3,rO1 rO 3 )2,Vn2,in,Vn2,out Av20,2 2 把输入参考1/f噪声和输 COX f (WL)1 (WL)3 ( g m1 + g mb1 ) 入参考热噪声相加，可,输入开路，计算输

12、入参考1/f噪声电流,得输入参考总噪声,Vn2,out,1 COX,2 2 g m 2 K N g m 3 K P 2 2 f (WL) 2 (WL)3,2 2 1 g m 2 K N g m 3 K P COX f (WL) 2 (WL)3,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,1,I,19,偏置电路对噪声的影响,2 n2,4kT gm 2 3,ID = gm (VGS VTH ) 2,忽略M0的噪声的影响（电容C0将该 噪声旁路到地） 输入短接地，计算输入参考噪声电压: M2的噪声对计算结果无影响 输入开路，计算输入参考噪声电流： M2的噪声电流直接与前面计算的结果相 加即可。减小gm2

13、可以减小M2贡献的输 入参考噪声电流 对于给定偏置电流，减小gm2需要增大过 电压，导致输入摆幅减小 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,I,2 4 kT,2,2,2,2 1,20,共栅级的噪声特点 热噪声 从输入到输出的电流增益为1 1/f噪声 增大WL,Vn2,in ,1/ f,1 COX,2 2 g m1 K N g m 3 K P 1 f (WL)1 (WL)3 ( g m1 + g mb1 ) 2,2 n , in , 热噪声,4 kTR D 2 R D,4 kT R D,I n ,in ,1/ f,1 COX,2 2 g m 2 K N g m 3 K P f (WL) 2 (

14、WL)3,V n2,in ,热噪声,V n2,out Av20,4 kT g m + ) R D 3 R D (g m + g mb ) R D,4 kT ( g m + 3 R D (g m + g mb )2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,21,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,2,2,I,1 1,4kT,V,M2,2,2,V,n,in,n1,2,Av,2,22,源跟随器 用前面

15、方法，计算输 入参考1/f噪声电压 计算输入参考热噪声电压: 输入短接地,2 n 2,4kT g m 2 3,V,2 n ,out M 2,I n 2,1 1 g m1 g mb 1,rO1 rO 2,1 rO1 rO 2 g mb1 rO1 rO 2 + g mb1 g m1,Vn2,out 2 1 gm2 Av 3 gm1 + gm1 增益小于1，因此输入参考噪声较大,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,23,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

16、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,2 1,4kT,2,V ,n ,in M 1, RD,1,Vn 2,rO1,24,2,共源共栅级,3g m + g m RD 只考虑热噪声,Vn ,out RD,M2的噪声对输出噪声的贡献很小，因为 图（c）中从M2栅极到输出的增益很小,同带源极负反馈的放大器） g m 2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,25,共源共栅级 在高频时X节点的电容会使得从M2栅 极到输出的增益变大，增大输出噪声,Vn ,out Vn 2,RD 1 / sC x,1 g m 2,高频时，X节点的电容还会旁路 M1产生的信号电流，从而减小 Vin到Vou

17、t的增益，导致输入参 考噪声电压增大,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,26,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,27,差分对,可以看作二端口电路,低频时输入端口看到的输入阻抗很大，使得输入参考噪声电 流可忽略,计算输入参考热噪声电压,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,28,计算输入参考热噪声电压,计算输入参考热噪声电压： 需要将输入短路 思路,求出总输出参考热噪声电压， 除以差动增益的

18、平方即可,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2,29,计算输入参考热噪声电压 求出总输出参考热噪声电压 In1和In2不相关，P点不能当作 交流地，因此，无法用半电路 法来简化计算 计算方法： 分别计算每个噪声源对输出的 影响，然后总叠加,Vn ,out,M 1,I n1 2,RD1,I n1 2,RD 2,若RD1=RD2，则,Vn2,out,M 1,I n1 RD 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2,2,V n , in,2,2,2,2 1,2 1,4 kT,D,2,30,计算输入参考热噪声电压 求出总输出参考热噪声电压 加上RD的噪声，总输出噪声电 压为： V n2,out

19、 = ( I n21 + I n22 ) R D + 2 ( 4 kTR D ) = 8 kT ( g m R D + R D ) 3,2 V n , in = 2 = Av 0,8 kT ( g m R D + R D ) 3 2 2 g m R D,8 kT ( + 2 ) 3 g m g m R D 输入参考噪声电压是共源级的两倍,V,2 n , in , CS,3 g m + g m R,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2 K 1,2,2 1 2 K 1,8kT,2,2,31,输入参考热噪声电压的简化计算 如果把M1、M2、RD的噪声用噪 声电压源来表示，计算会很简单,Vn1 = 4kT,3gm Cox WL f,Vn2, RD1 = 4kTRD,Vn ,in,3g m + g m RD + CoxWL f,I n ,in 0(低频时) 因为输入阻抗在低频时很大 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2n COX,W I SS I,32,尾电流源的噪声影响 若差分信号为零且电路对称 ISS