模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第7章噪声.ppt
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1、,模拟集成电路设计,第7章 噪声(一),董刚,微电子学院,1,),2,上一讲频率特性电路性能指标随信号频率的变化特性,考虑电容、电感等参数对频率敏感的元件的影响,Av=,VYVX,用s域分析法来分析频率特性密勒定理,Z1=,Z(1 Av),Z2=,Z1(1 A v),一种为了方便电路分析而进行的电路转换X和Y之间只有一个信号通路时往往不适用,阻抗Z和信号主通路并联时适用极点-节点的关联每个节点对应一个极点节点之间有相互作用时不再是每个节点贡献一个极点,H(s)=A v 0,V outV in(1+,(s)sp 1,)(1+,1,sp 2,)(1+,sp 3,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,
2、(s)=,Vin s s out=,1,in=,s,s s,Rin=,=2,3DB+CGDCDB)+sRS(1+gmRD)CGD,上一讲共源级的频率特性传输函数(增益)和输入阻抗用极点-节点关联法计算简单直观。有误差;没反映出零点,Vout gm RD(1+)(1+)in outRS CGS+(1+g m RD)CGD,1(CGD+CDB)RD,VoutVin,(s)=,1 z+1+1 p1 p 2,用完整等效电路推导法计算复杂,但结果精确,反映了零点的影响,1+RD(CGD+CDB)s 1CGDs(1+gm RD+RDCDBs)CGS s,vo(sCGD gm)RDvi s RS RD(CG
3、SCGD+CGSC西电微电子学院董刚模拟集成电路设计+RSCGS+RD(CGD+CDB)+1,1 1,1+,+,=2,4,Sm,上一讲,源跟随器1、做电压平移2、做阻抗转换缓冲器,Av=,1gm RS,+(1+)1+,传输函数和极零点:根据该式,合理设计可获得期望带宽、相位裕度等指标输入阻抗:,Zin=,VX 1 1 gm 1I X sCGD sCGS sCGS gmb+sCL,vo gm+sCGSvi s RS(CGS CL+CGS CGD+CGDCL)+s(gm RS CGD+CL+CGS)+gm输出阻抗:Z OUT=(sRS CGS+1)/(g m+sCGS)1/g(低频时),R(高频时
4、)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,vo,vi,+,S,),5,上一讲共栅级Rin小,Rout大传输函数:无密勒电容项,高带宽,(s)=,(gm+gmb)RD1+(gm+gmb)RS(1+,1CSgm+gmb+RS,s)(1+RDCD s),输入阻抗:频率增大时,ZL趋近于0,Rin趋近于,Rin=,1/(gm+gmb)Z L+rO Z L 11+(g m+g mb)rO(g m+g mb)rO g m+g mb,Z L=R D,1sC D,输出阻抗,R out=1+(g,m,+g,mb,)ro R S,1sC,+ro|(R D,1sC D,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,6,上一讲
5、,共源共栅级,Rin和Rout大,高增益,密勒效应小,高频,极点,为了保证放大器的稳定,性,通常设计fpX最大,输出阻抗,频率增大时下降,影响共源共栅电流镜的精度,Z out(1+g m 2 rO 2)Z X+rO 2(1/sCY)Z X=rO1(sC X),忽略CGD1,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,s,1,+1,),7,上一讲,电流源负载的差分放大器,差模频率特性用半电路法分析CL包括CDB3、CGD3(G点为交流地)、CDB1用共源放大器传输函数结论得:,ACMDM=,gm1 gm2(gm1+gm2)(rO3sCP,)+1,(RD,1sCL,VoutVin,(s)=Av 0,s
6、 p 1,z s p 2,+1,高频时共模抑制能力下降,主极点为:,f p1=1/2CL(rO1 rO 3),西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,=,L,=,8,上一讲电流镜负载的差分放大器vout gmNrON(2gmP+sCE)vin 2rONrOPCECLs2+(2rON+rOP)CE+rOP(1+2gmPrON)CL s+2gmP(rON+rOP)镜像极点通常比输出极点大,即p1 p2,因此有:,p1=,(2 rON,2 g mP(rON+rOP)+rOP)C E+rOP(1+2 g mP rON)C L,忽略分母中第一项并假 设 2 g mP rON ff 1,则:,p1,1C(rO
7、P rON),1 1 p1 p 2,rON rOP CE CLg mP(rON+rOP),p 2,g mPCE,Z=2 p 2=,2 g mPCE,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,9,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,10,为什么要学习噪声知识?,电路能处理的信号的最小值等于噪声的,水平,设计AIC时通常需要考虑噪声指标,体现在信噪比(SNR)这一指标上,低噪声AIC在很多领域有重要
8、应用,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,11,统计学特性,噪声是一个随机过程,每一时刻的幅值是不能预测的,哪些特性可以被预测?,平均功率、功率谱密度(噪声谱)、幅值分,布,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1+T/2,1+T/2 2,t,12,平均功率有些随机过程的平均功率也不可预测,电路中大多数噪声源有固定的平均功率,可以预测,均方根值(root mean square)的定义:,平均功率的定义:Pav=lim T/2t T,2x(t)dt,rms=Pav=limT T/2 x(t)dt平均功率只反映了噪声的功率特性,若x(t)为电压信号,则Pav单位为V2,(幅值特性),没反映频率特性
9、,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,13,噪声谱,又称为“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;反映了噪声的功率和频率两方面的特性,X(t)信号的PSD写为,SX(f);,SX(f)定义为:f附近1Hz带宽内X(t)具有的平均功率;单位V2/Hz,电路中大多数噪声源有可预测的噪声谱,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,14,噪声谱PSD在整个频率范围内为相同值白噪声,定理适用于线性时不变系统分析电路噪声时的理论依据,线性时不变系统:具有叠加性、均匀性并且系统参数不随时间变化的系统,SY(f)=S X(f)H
10、(f),H(f)=H(s=2jf)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,15,噪声谱被H(f)“整形”,电话系统带宽为4KHz,声音信号的高频部分被滤除,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,f 1,16,“双边”谱和“单边”谱参考文献1X(t)如果是实数,则SX(f)为f的偶函数(“双边”谱)从数学角度看f1,f2频率范围内x(t)总f 2功率Pf1,f2 Pf 1,f 2=f 2 S X(f)df+f 1 S X(f)df用带通滤波器测量的结果 f 2为“单边”谱(0到+Hz)=f 1 2S X(f)df,“双边”谱,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,“单边”谱,17,幅值分布,概率密度函数
11、,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,PDF:Probability density function,定义为:,PX(x)dx=x X x+dx的概率,许多随机量的PDF表现为高斯(正态)分布,如电阻的噪声,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1+T/2,1+T/2 1+T/2,2,1+T/2,1+T/2,18,t,t t,t,t,相关噪声源和非相关噪声源电路中通常同时存在多个噪声源相关噪声源噪声功率不可以直接叠加非相关噪声源不相关器件产生的噪声;噪声功率可以直接叠加,Pav=lim T T/2 x1(t)+x2(t)2 dt=lim T T/2 x1(t
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