CMOS模拟集成电路设计-ch7噪声up课件

CMOS模拟集成电路设计噪声11/21/20221CMOS模拟集成电路设计噪声11/21/20221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11/21/20222提纲提纲1、噪声的统计特性11/21/20222提纲1、噪声的统计特性噪声的平均功率是可以被预测的。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11/21/20223噪声的统计特性1、噪声的统计特性噪声的平均功率是可以被预测的。为了便于计算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。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。11/21/20224噪声的统计特性1.1噪声谱噪声波形x(t)的PSD，记为Sx(f)，被定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。式中H(f)=H(s=j2πf)11/21/20225噪声的统计特性1.1噪声谱（续）式中H(f)=H(s=j2πf)111.2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。11/21/20226噪声的统计特性1.2相关噪声源与非相关噪声源对于不相关的波形（不同的噪声2、器件的噪声类型2.1热噪声电阻热噪声例：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11/21/20227噪声的噪声类型2、器件的噪声类型2.1热噪声例：50Ω的电阻在T=3002.1热噪声（续）RC电路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，11/21/20228噪声的噪声类型2.1热噪声（续）VR到Vout的传输函数为根据定理7-12.1热噪声（续）电阻的热噪声也可用并联的电流源模型表示单位为A2/Hz例：11/21/20229噪声的噪声类型2.1热噪声（续）单位为A2/Hz例：11/21/20222.1热噪声（续）MOS的热噪声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※11/21/202210噪声的噪声类型2.1热噪声（续）在沟道中产生热噪声with其中，系数γ（2.1闪烁噪声闪烁噪声“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

11/21/202211噪声的噪声类型2.1闪烁噪声“悬挂”键用一个与栅极串联的电压源模拟K是一3、电路中的噪声表示输入参考噪声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11/21/202212电路中的噪声表示3、电路中的噪声表示输入参考噪声首先计算总输出噪声电压；在电GDSSCGDCGSgmvGSrovGSVDS欲↓热噪声，需↑ID、↑W、↓LGDSSCGSgmvGSrOvGSvDSCGD欲↓闪烁噪声，需↑WLTradeoff？例：MOS管的噪声11/21/202213电路中的噪声表示GDSSCGDCGSgmvGSrovGSVDS欲↓热噪声，需4、单级放大器中的噪声4.1共源级的噪声请同学们思考：低噪声的共源级电路如何设计？Tradeoff？11/21/202214单级放大器中的噪声4、单级放大器中的噪声4.1共源级的噪声请同学们思考：低噪4.2共栅级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。11/21/202215单级放大器中的噪声4.2共栅级的噪声电路输入阻抗低，不能忽略输入参考噪声电流4.3共漏级（源跟随器）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。11/21/202216单级放大器中的噪声4.3共漏级（源跟随器）的噪声电路输入阻抗高，忽略输入参考4.4共源共栅级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的噪声电路流过RD，M1和RD贡献的噪声可以像共源级电路一样量化M1M2的电流噪声In2折算到M2的栅端的电压噪声，然后按带源极负反馈的共源级电路计算到Vnout的值，若M1的输出电阻非常大，则增益很小，可以忽略其影响。11/21/202217单级放大器中的噪声4.4共源共栅级的噪声电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流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11/21/202218差动对中的噪声5、差动对中的噪声差动对为二端口电路11/21/202218差动对的输入参考噪声忽略沟道长度调制各噪声是非相关的，功率量可以叠加11/21/202219差动对中的噪声差动对的输入参考噪声忽略沟道长度调制各噪声是非相关的，功率量6、噪声带宽考虑一个多极点电路，总输出噪声的功率Bn为“噪声带宽”。一个单极点系统的噪声带宽等于该极点对应频率的π/2倍。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11/21/202220噪声带宽6、噪声带宽考虑一个多极点电路，总输出噪声的功率Bn为“噪声小结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）、etc3、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11/21/202221小结小结1、噪声的统计特性11/21/202221小结CMOS模拟集成电路设计噪声11/21/202222CMOS模拟集成电路设计噪声11/21/20221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11/21/202223提纲提纲1、噪声的统计特性11/21/20222提纲1、噪声的统计特性噪声的平均功率是可以被预测的。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11/21/202224噪声的统计特性1、噪声的统计特性噪声的平均功率是可以被预测的。为了便于计算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。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。11/21/202225噪声的统计特性1.1噪声谱噪声波形x(t)的PSD，记为Sx(f)，被定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。式中H(f)=H(s=j2πf)11/21/202226噪声的统计特性1.1噪声谱（续）式中H(f)=H(s=j2πf)111.2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。11/21/202227噪声的统计特性1.2相关噪声源与非相关噪声源对于不相关的波形（不同的噪声2、器件的噪声类型2.1热噪声电阻热噪声例：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11/21/202228噪声的噪声类型2、器件的噪声类型2.1热噪声例：50Ω的电阻在T=3002.1热噪声（续）RC电路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，11/21/202229噪声的噪声类型2.1热噪声（续）VR到Vout的传输函数为根据定理7-12.1热噪声（续）电阻的热噪声也可用并联的电流源模型表示单位为A2/Hz例：11/21/202230噪声的噪声类型2.1热噪声（续）单位为A2/Hz例：11/21/20222.1热噪声（续）MOS的热噪声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※11/21/202231噪声的噪声类型2.1热噪声（续）在沟道中产生热噪声with其中，系数γ（2.1闪烁噪声闪烁噪声“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

11/21/202232噪声的噪声类型2.1闪烁噪声“悬挂”键用一个与栅极串联的电压源模拟K是一3、电路中的噪声表示输入参考噪声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11/21/202233电路中的噪声表示3、电路中的噪声表示输入参考噪声首先计算总输出噪声电压；在电GDSSCGDCGSgmvGSrovGSVDS欲↓热噪声，需↑ID、↑W、↓LGDSSCGSgmvGSrOvGSvDSCGD欲↓闪烁噪声，需↑WLTradeoff？例：MOS管的噪声11/21/202234电路中的噪声表示GDSSCGDCGSgmvGSrovGSVDS欲↓热噪声，需4、单级放大器中的噪声4.1共源级的噪声请同学们思考：低噪声的共源级电路如何设计？Tradeoff？11/21/202235单级放大器中的噪声4、单级放大器中的噪声4.1共源级的噪声请同学们思考：低噪4.2共栅级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。11/21/202236单级放大器中的噪声4.2共栅级的噪声电路输入阻抗低，不能忽略输入参考噪声电流4.3共漏级（源跟随器）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。11/21/202237单级放大器中的噪声4.3共漏级（源跟随器）的噪声电路输入阻抗高，忽略输入参考4.4共源共栅级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的噪声电路流过RD，M1和RD贡献的噪声可以像共源级电路一样量化M1M2的电流噪声In2折算到M2的栅端的电压噪声，然后按带源极