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

12、)(t)dt+lim T T/2 x2(t)2 dt+lim T T/2 2 x1(t)x2(t)dt=Pav1+Pav 2+lim T T/2 2 x1(t)x2(t)dt西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,x1(t)和x2(t)不存在相关性时，第三项为零；相关时第三项不为零；相关性越高（波形相似程度），第三项的值越大,1,19,相关噪声源和非相关噪声源比赛前体育场中的观众交谈，产生非,相关噪声，总噪声功率低,AIC设计中研究的噪声源通常,是不相关的，比赛中，观众齐 因此噪声功率声呐喊，产生相 可直接叠加关噪声，总噪声功率高,Pav=Pav1+Pav 2+limt T西电微电子学院董刚模拟集

13、成电路设计,T/2 2 x1(t)x2(t)dt,+T/2,20,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,21,噪声的分类,“环境”噪声和器件噪声,“环境”噪声指来自电源线、地线、衬底等,“外环境”的噪声（干扰）,器件噪声指构成AIC的器件本身所产生的噪,声，如电阻、MOS管等,器件噪声,热噪声,电阻噪声、MOS管的沟道热噪声,闪烁噪声,MOS管,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2,2

14、2,热噪声来源导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝对,温度成正比电阻的热噪声,极性不重要，但在分析电路时要保持不变噪声谱密度：SV(f)=4kTR教材上默认f=1Hz,Vn=4 kTR(f);I n=,4 kTR,(f),R=50,T=300 K Vn=0.91 nV/Hz西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,4 R C f+1,2 2 2 2,n,23,RC电路的输出噪声计算RC电路的输出噪声谱和总噪声功率开关电容电路的采样噪声,VoutVR,(s)=,1sRC+1,Sout(f)=SR(f),VoutVR,2(j)=4kTR 2 2 2

15、2,P,out 0,4kTR4 R C f+1,df=,kT 1pF电容时为64.3VC 与R无关，只能增大C来减小噪声,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2,24,用电流源来表示热噪声噪声可以用串连电压源来表示，也可以用并联电流源表示,多种表示的意义,Vn=4 kTR(f);I n=,4 kTR,(f),选择合适的表示法，会降低电路分析的复杂度完整表征噪声需要这两种表示法见“输入参考噪声”部分西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2,2,2,25,MOS管沟道区的热噪声工作在饱和区的长沟道MOS管不是体效应系数。长沟道MOS管的=2/3亚微米MOS管会很大（0.25微米工艺时为2.5

16、）单个MOS管能产生的最大热噪声电压：,Vn,2,=I n rO=4 kT(g m)rO3,减少gm可降低噪声。当gm不影响其他关键指标时，应尽量小西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,26,MOS管欧姆区的热噪声,欧姆区热噪声,栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声,一般不考虑,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,27,MOS管的闪烁噪声来源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,用与栅极串联的电压源来模拟载流子俘获与释放多发生在低频下,1/f噪声,其噪声功率与所选工艺密切有关,Vn=,K 1CoxWL f,K数量级10 25V 2 F减少1/f噪声主要靠增大器件面积西电微电子学

17、院董刚模拟集成电路设计,2 K 1 2,2,K 3,gm,28,MOS管的闪烁噪声1/f噪声的转角频率fC定义为：热噪声和1/f噪声曲线的交叉点用来界定1/f噪声起主导作用的频段与面积和偏置电流有关。,对于给定的L，fC相对固定。亚微米MOS管的fC在500KHz-1MHz之间,4kT gm gm 3 CoxWL fc,Vn=,K 1CoxWL f,fc,（对长沟道器件）CoxWL 8kT,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2,2 2,2,6,3,2,2,2,1,29,MOS管的总噪声在1KHz1MHz频带内，计算NMOS管源漏电流的总噪声热噪声：I n=4 kT(g m)3I n,to

18、t=4 kT(g m)(10 10)4 kT(g m)10 63 3,1/f噪声：Vn,1/f,=,K 1CoxWL f,I n,1/f,=,K 1 2C OX WL f,g m,I n,1/,ftot,=,2Kg mC OX WL,KHz,1MHz,dff,=,2Kg mC OX WL,ln 10 3=,26.91Kg mC OX WL,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,30,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

19、子学院董刚模拟集成电路设计,2,RD,gm+,31,电路中噪声的表示表示方法一输出参考噪声电压：把输入置零，计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声这种表示法的不足：输出参考噪声与电路增益有关，,Vn,out,2,=4kT gm+3,K 1 2 4kT 2CoxWL f RD,无法比较不同电路的噪声性能,M1管的热噪声+M1管的1/f噪声+RD的热噪声西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,32,电路中噪声的表示表示方法二输入参考噪声电压：在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响,Vn2,in=,Vn2,outAv2,输入参考噪声反映了输入信号被噪声“侵害”的程度，能用于不同电路的噪声指标的比较西

20、电微电子学院董刚模拟集成电路设计,Vn,out Vn,out,Vn,in,2,2,RD 2 2,gm+,+,+2,2,V,33,电路中噪声的表示,计算输入参考噪声电压,2 2=2=2 2Av gm RD,2Vn,in,=4kT gm+3,K 1 2 4kT 2 1CoxWL f RD gm RD,=4kT,2 K 1 4kT3gm CoxWL f gm RD,等效热噪声电阻RT：电路在单位带宽内的总的输入,n,in,热噪声部分,=4kT（,2 1 2）3gm gm RD,参考热噪声等于RT 的热噪声,RT=,2 1 23gm gm RD,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,34,电路中噪声的表

21、示仅用与输入串联的电压源来表示输入参考噪声是不够的该电路由一信号源Vin驱动，信号源输出阻抗为sL1，电路输入阻抗为1/sCin。若仅用输入参考电压源来表示噪声，则当L1增大时，计算得到的输出噪声会越,来越小，与事实不符。,事实上输出噪声与L1和Cin无关,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,35,电路中噪声的表示,用串联电压源和并联电流源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：针对信号源内阻为零和无穷大两种极端情形来计算,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,2,2 4kT,2,1 2 2 2 2,Cin,(,4kT 2 1,2,36,电路中噪声的表示串联电压源和并联电流源的

22、计算,Vn,in=4kT,+2(不含1/f噪声)3gm gm RD,Vn,out,=I,2n,in,)gm RD=(4kT gm+3,4kT 2)RDRD,I,2n,in,=(Cin),2(gm+)gm 3 RD,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,37,电路中噪声的表示,用串联电压源和并联电流源同时来表示输入参考噪声，是否把“噪声计算了两次”？没有,可以证明：,对任何源阻抗ZS，计算的输出,噪声都是正确的,证明思路：,由Vn,in和In,in，求出Vn,X，再乘以增益(gmRD)，即可求出Vn,out,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,1,2,I n,MOS,2,2,2,总结,噪声的统计特性平均功率,Pav=limt T,+T/2T/2,2x(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 kTR,(f),Vn,MOS,=,K 1CoxWL f西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,=4kT(g m)338,39,总结,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,40,作业,7.1,应用本讲内容,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,