第7章噪声(一)

1、1 模拟集成电路设计模拟集成电路设计 第第7章章 噪声（一）噪声（一） 董刚董刚 微电子学院微电子学院 2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲 噪声噪声 q噪声的统计特性噪声的统计特性 v噪声谱（频域）噪声谱（频域） v幅值分布（时域）幅值分布（时域） v相关噪声源和非相关噪声源相关噪声源和非相关噪声源 q噪声的类型噪声的类型 v热噪声热噪声 v闪烁噪声闪烁噪声 q电路中噪声的表示电路中噪声的表示 q单级放大器中的噪声单级放大器中的噪声 v共源、共栅、共漏、共源共栅共源、共栅、共漏、共源共栅 q差分对中的噪声差分对中的噪声 q噪声带宽噪声带宽 3西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 为什

2、么要学习噪声知识？为什么要学习噪声知识？ q电路能处理的信号的最小值等于噪声的电路能处理的信号的最小值等于噪声的 水平水平 q设计设计AIC时通常需要考虑噪声指标时通常需要考虑噪声指标 v体现在信噪比（体现在信噪比（SNR）这一指标上）这一指标上 q低噪声低噪声AIC在很多领域有重要应用在很多领域有重要应用 4西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 统计学特性统计学特性 q噪声是一个随机过程噪声是一个随机过程 v每一时刻的幅值是不能预测的每一时刻的幅值是不能预测的 q哪些特性可以被预测？哪些特性可以被预测？ v平均功率、功率谱密度（噪声谱）、幅值分平均功率、功率谱密度（噪声谱）、幅值分 布布 5西

3、电微电子学院董刚模拟集成电路设计 平均功率平均功率 P av lim t 1 T x 2(t)dt T /2 T /2 有些随机过程的平有些随机过程的平 均功率也不可预测均功率也不可预测 电路中大多数噪声源有固电路中大多数噪声源有固 定的平均功率，可以预测定的平均功率，可以预测 平均功率的定义：平均功率的定义： 若若x(t)为电压信号，则为电压信号，则Pav 单位为单位为V2 均方根值（均方根值（root mean square） 的定义：的定义： 2/ 2/ 2 )( 1 lim T Tt av dttx T Prms 平均功率只反映了噪声的功率特性平均功率只反映了噪声的功率特性 （幅值特性

4、），没反映频率特性（幅值特性），没反映频率特性 6西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 噪声噪声谱谱 又称为又称为“功率谱密度功率谱密度” (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 附近附近1Hz带宽带宽 内内X(t)具有的具有的 平均功率；单平均功率；单 位位V2/Hz 电路中大多数电路中大多数 噪声源有可预噪声源有可预 测的噪声谱测

5、的噪声谱 7西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 噪声谱噪声谱 qPSD在整个频率范围内为在整个频率范围内为 相同值相同值 v白噪声白噪声 q定理定理 v适用于线性时不变系统适用于线性时不变系统 v分析电路噪声时的理论依据分析电路噪声时的理论依据 )2()(,)()()( 2 jfsHfHfHfSfS XY 线性时不变系统：线性时不变系统： 具有叠加性、均匀性并具有叠加性、均匀性并 且系统参数不随时间变且系统参数不随时间变 化的系统化的系统 8西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 噪声噪声谱被谱被H(f)“整形整形” 电话系统带宽为电话系统带宽为4KHz，声音信号的高频部分被滤除，声音信号的高频部

6、分被滤除 9西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 “双边双边”谱和谱和“单边单边”谱谱 q参考文献参考文献1 vX(t)如果是实数，则如果是实数，则SX(f) 为为f的偶函数（的偶函数（“双边双边”谱）谱） 从数学角度看从数学角度看 vf1，f2频率范围内频率范围内x(t)总总 功率功率Pf1,f2 v用带通滤波器测量的结果用带通滤波器测量的结果 为为“单边单边”谱（谱（0到到+ Hz） 2 1 2 1 1 2 2, 1 )(2 )()( f f X f f X f f Xff dffS dffSdffSP “双边双边”谱谱“单边单边”谱谱 10西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 幅值分布幅值分

7、布 q概率密度函数概率密度函数 v噪声瞬时值不可预测，但通过长期观察、统计，可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以得到每个值出现的概率大小 vPDF：Probability density function，定义为：，定义为： v许多随机量的许多随机量的PDF表现为高斯（正态）分布，如电表现为高斯（正态）分布，如电 阻的噪声阻的噪声 的概率dxxXxdxxP X )( 11西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 相关相关噪声源和非相关噪声源噪声源和非相关噪声源 q电路中通常同时存在多个噪声源电路中通常同时存在多个噪声源 q相关噪声源相关噪声源 v噪声功率不可以

8、直接叠加噪声功率不可以直接叠加 q非相关噪声源非相关噪声源 v不相关器件产生的噪声；噪声功率可以直接叠加不相关器件产生的噪声；噪声功率可以直接叠加 2/ 2/ 2121 2/ 2/ 21 2/ 2/ 2 2 2/ 2/ 2 1 2/ 2/ 2 21 )()(2 1 lim )()(2 1 lim )( 1 lim)()( 1 lim )()( 1 lim T Tt avav T Tt T Tt T Tt T Tt av dttxtx T PP dttxtx T dttx T dtttx T dttxtx T P x1(t)和和x2(t)不存在不存在 相关性时，第三项相关性时，第三项 为零；为零

9、； 相关时第三项不为相关时第三项不为 零；零； 相关性越高（波形相关性越高（波形 相似程度），第三相似程度），第三 项的值越大项的值越大 12西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 相关相关噪声源和非相关噪声源噪声源和非相关噪声源 比赛前体育场中的比赛前体育场中的 观众交谈，产生非观众交谈，产生非 相关噪声，总噪声相关噪声，总噪声 功率低功率低 比赛中，观众齐比赛中，观众齐 声呐喊，产生相声呐喊，产生相 关噪声，总噪声关噪声，总噪声 功率高功率高 2/ 2/ 2121 )()(2 1 lim T Tt avavav dttxtx T PPP AIC设计中研究设计中研究 的噪声源通常的噪声源通常 是

10、不相关的，是不相关的， 因此噪声功率因此噪声功率 可直接叠加可直接叠加 13西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲 噪声噪声 q噪声的统计特性噪声的统计特性 v噪声谱（频域）噪声谱（频域） v幅值分布（时域）幅值分布（时域） v相关噪声源和非相关噪声源相关噪声源和非相关噪声源 q噪声的类型噪声的类型 v热噪声热噪声 v闪烁噪声闪烁噪声 q电路中噪声的表示电路中噪声的表示 q单级放大器中的噪声单级放大器中的噪声 v共源、共栅、共漏、共源共栅共源、共栅、共漏、共源共栅 q差分对中的噪声差分对中的噪声 q噪声带宽噪声带宽 14西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 噪声的分类噪声的分类 q“环境环

11、境”噪声和器件噪声噪声和器件噪声 v“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） v器件噪声指构成器件噪声指构成AIC的器件本身所产生的噪的器件本身所产生的噪 声，如电阻、声，如电阻、MOS管等管等 q器件噪声器件噪声 v热噪声热噪声 电阻噪声、电阻噪声、MOS管的沟道热噪声管的沟道热噪声 v闪烁噪声闪烁噪声 MOS管管 15西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 热噪声热噪声 q来源来源 v导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动 v随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝

12、对随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝对 温度成正比温度成正比 q电阻的热噪声电阻的热噪声 HznVVKTR f R kT IfkTRV n nn / 91. 0300 ,50 )( 4 );(4 22 噪声谱密度：噪声谱密度： SV(f)=4kTR 教材上默认教材上默认 f=1Hz 极性不重要，但在分析电路时要保持不变极性不重要，但在分析电路时要保持不变 16西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 RC电路的输出噪声电路的输出噪声 q计算计算RC电路的输出噪声谱和总噪声功率电路的输出噪声谱和总噪声功率 1 1 )( sRC s V V R out 14 1 4)()()( 2222 2 f

13、CR kTRj V V fSfS R out Rout C kT df fCR kTR P outn 0 2222 , 14 4 1pF电容时为电容时为64.3 V 与与R无关，只能增大无关，只能增大C来减小噪声来减小噪声 开关电容电路开关电容电路 的采样噪声的采样噪声 17西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 用电流源来表示热噪声用电流源来表示热噪声 q 噪声可以用串连电压源来表示，也可以用并联电流源噪声可以用串连电压源来表示，也可以用并联电流源 表示表示 q 多种表示的意义多种表示的意义 v 选择合适的表示法，会降低电路分析的复杂度选择合适的表示法，会降低电路分析的复杂度 v 完整表征噪声需

14、要这两种表示法完整表征噪声需要这两种表示法见见“输入参考噪声输入参考噪声”部部 分分 )( 4 );(4 22 f R kT IfkTRV nn 18西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS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工作在饱和区的长沟道MOS管管 不是不是体效应系数。体效应系数。 长沟道长沟道MOS管的管的 =2/3 亚微米亚微米MOS管会很大（管会很大（0.25微米工微米工 艺时为艺时为2.5） 22 22 ) 3 2 (4 OmOnn rgkTrIV 单个单个MOS管能产生的最大热噪声电压：管能产生的最大热噪声电压： 减少减少gm可降低噪声。当可降低噪声。当g

15、m不影响不影响 其他关键指标时，应尽量小其他关键指标时，应尽量小 19西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管欧姆区的热噪声管欧姆区的热噪声 q欧姆区热噪声欧姆区热噪声 v栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声 一般不考虑一般不考虑 20西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管的闪烁噪声管的闪烁噪声 q来源来源 v载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放，导致源漏载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放，导致源漏 电流有噪声电流有噪声 v用与栅极串联的电压源来模拟用与栅极串联的电压源来模拟 v载流子俘获与释放多发生在低频下载流子俘获与释放多发生在低频下 v其噪声功率与所选

16、工艺密切有关其噪声功率与所选工艺密切有关 FVK fWLC K V ox n 225 2 10 1 数量级 1/f噪声噪声 减少减少1/f噪声主要靠增大器件面积噪声主要靠增大器件面积 21西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管的闪烁噪声管的闪烁噪声 （对长沟道器件） 8 3 1 3 2 4 2 kT g WLC K f g fWLC K gkT m ox c m cox m fWLC K V ox n 1 2 1/f噪声的转角频率噪声的转角频率fC 定义为：定义为： 热噪声和热噪声和1/f噪声曲线的交噪声曲线的交 叉点叉点 用来界定用来界定1/f噪声起主导作噪声起主导作 用的频段用的频段

17、 与面积和偏置电流有关。与面积和偏置电流有关。 对于给定的对于给定的L，fC相对固定。相对固定。 亚微米亚微米MOS管的管的fC在在 500KHz-1MHz之间之间 22西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管的总噪声管的总噪声 q在在1KHz1MHz频带内，计算频带内，计算NMOS管管 源漏电流的总噪声源漏电流的总噪声 ) 3 2 (4 2 mn gkTI 636 2 , 10) 3 2 (4)1010)( 3 2 (4 mmtotn gkTgkTI 1/f噪声：噪声： 热噪声：热噪声： 2 2 /1 , 1 m OX fn g fWLC K I fWLC K V ox fn 1 2 /

18、1 , WLC Kg WLC Kg f df WLC Kg I OX m OX m MHz KHz OX m ftotn 2 3 2 1 1 2 2 /,1 , 91. 6 10ln 23西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲 噪声噪声 q噪声的统计特性噪声的统计特性 v噪声谱（频域）噪声谱（频域） v幅值分布（时域）幅值分布（时域） v相关噪声源和非相关噪声源相关噪声源和非相关噪声源 q噪声的类型噪声的类型 v热噪声热噪声 v闪烁噪声闪烁噪声 q电路中噪声的表示电路中噪声的表示 q单级放大器中的噪声单级放大器中的噪声 v共源、共栅、共漏、共源共栅共源、共栅、共漏、共源共栅 q差分对中的

19、噪声差分对中的噪声 q噪声带宽噪声带宽 24西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 电路电路中噪声的表示中噪声的表示 表示方法一表示方法一输出参考噪声电压：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把输入置零，计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声 Vn,out 2 4kT 2 3 gm K CoxWL 1 f gm 2 4kT RD RD 2 M1管的热噪声管的热噪声+M1管的管的1/f噪声噪声+ RD的热噪声的热噪声 这种表示法的不这种表示法的不 足：足： 输出参考噪声与输出参考噪声与 电路增益有关，电路增益有关， 无法比较不同电无法比较不同电 路的噪声性能路的噪声

20、性能 25西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 电路电路中噪声的表示中噪声的表示 输入参考噪声反映了输入信号被噪声输入参考噪声反映了输入信号被噪声“侵害侵害”的程度，的程度， 能用于不同电路的噪声指标的比较能用于不同电路的噪声指标的比较 表示方法二表示方法二输入参考噪声电压：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在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响 2 2 ,2 , v outn inn A V V 26西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 电路电路中噪声的表示中噪声的表示 Vn,in 2 Vn,out 2 Av 2 Vn,out 2 gm 2 RD 2 Vn,in

21、2 4kT 2 3 g m K CoxWL 1 f gm 2 4kT RD RD 2 1 gm 2 RD 2 4kT 2 3gm K CoxWL 1 f 4kT g m 2 RD 计算输入参考噪声电计算输入参考噪声电 压压 等效热噪声电阻等效热噪声电阻RT ： 电路在单位带宽内的总的输入电路在单位带宽内的总的输入 参考热噪声等于参考热噪声等于RT 的热噪声的热噪声 ）（ 热噪声部分 Dmm inn Rgg kTV 2 2 , 1 3 2 4 Dmm T Rgg R 2 1 3 2 27西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 电路电路中噪声的表示中噪声的表示 仅用与输入串联的电压源来表示输入参仅用与

22、输入串联的电压源来表示输入参 考噪声是不够的考噪声是不够的 该电路由一信号源该电路由一信号源Vin驱动，信号源输驱动，信号源输 出阻抗为出阻抗为sL1，电路输入阻抗为，电路输入阻抗为1/sCin。 若仅用输入参考电压源来表示噪声，则若仅用输入参考电压源来表示噪声，则 当当L1增大时，计算得到的输出噪声会越增大时，计算得到的输出噪声会越 来越小，与事实不符。来越小，与事实不符。 事实上输出噪声与事实上输出噪声与L1和和Cin无关无关 28西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 电路电路中噪声的表示中噪声的表示 用串联电压源和并联电流源用串联电压源和并联电流源 共同来表示输入参考噪声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：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针对信号源内阻为零和无穷大两种极 端情形来计算端情形来计算 29西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 电路电路中噪声的表示中噪声的表示 串联电压源和并联电流源的计算串联电压源和并联电流源的计算 )/1( 4 3 2 4 2 2 , 噪声不含f Rg kT g kTV Dm