模拟CMOS集成电路设计拉扎维第7章噪声二.ppt

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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=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)32,3,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电路设计,4,本讲 噪声,噪声的统计特性

2、,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

3、件成立时是否真等效？,Vn,gate,=I,2n,DS,/g,2m,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 1I n,out 2,=,I nZ S(g m+1/rO)+1g mVnZ 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,+

4、,+2,0,8,共源级,2n,out,=4 kT g m+3,C ox WL f R D,g m+,R D,V,2n,in,=,V n2,outAv20,3 g m+g m R,D,C ox WL f,I,2n,in,=2Z 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LN增大RD可LN,V,2n,in,=,V n2,outAv20,3 g m+g m R,D,C ox WL f,2n,out,=4 kT

5、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,2n,out,=4 kT g m 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

6、 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,2n,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,2n,out,tot,=0 4 kT g m 1+3 g m 2(rO 1 rO 2,sC L,)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

7、号，求输出信噪比1、增大CL可以提高SNR，但牺牲带宽；,2n,out,tot,=(g m 1+g m 2)(rO 1 rO 2)3,kTC L,2、增大gm1、减小gm2可以提高SNR3、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 mSNR为功率之比：,SNR out=,(g m 1+g m 2)(rO 1 rO 2),g m 1(rO 1 rO 2)V m/2 2C L,23C L g m 1(rO 1 rO 2)24 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

8、 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,2n,in,=,V n2,outAv20,3 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

9、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,outAv20,=,(4 kT g m+)R D3 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：,

10、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,2n,in,=,4 kTR D2R D,=,4 kTR 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=,1COX,2 2g m1 K N g m3 K Pf(WL)1(WL)3,(

11、rO1 rO 3)2,Vn2,in=,Vn2,outAv20,2 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，计算输入参考1/f噪声电流,得输入参考总噪声,Vn2,out=,1COX,2 2g m 2 K N g m 3 K P 2 2f(WL)2(WL)3,2 21 g m 2 K N g m 3 K PCOX 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,2n2,4kT gm 23,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

12、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11/f噪声增大WL,Vn2,in,1/f=,1COX,2 2g m1 K N g m 3 K P 1f(WL)1(WL)3(g m1+g mb1)2,2n,in,热噪声,=,4 kTR D2R D,=,4 kTR D

13、,I n,in,1/f=,1COX,2 2g m 2 K N g m 3 K Pf(WL)2(WL)3,V n2,in,热噪声=,V n2,outAv20,(4 kT g m+)R D3 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+,M

14、2,2,2,V,n,in,n1,2,Av=,2,22,源跟随器用前面方法，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,2n 2,=4kT g m 23,V,2n,out M 2,=I n 2(,1 1g m1 g mb 1,rO1 rO 2),1rO1 rO 2g mb1rO1 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,

15、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 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,outVn 2,=,RD1/sC x+,1g m 2,高频时，X节点的电容还会旁路M1产生的信

16、号电流，从而减小Vin到Vout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

17、噪声电压，除以差动增益的平方即可,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 n12,RD1+,I n12,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,ou

18、t=(I n21+I n22)R D+2(4 kTR D)=8 kT(g m R D+R D)3,2V n,in=2=Av 0,8 kT(g m R D+R D)32 2g 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,2n,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

19、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的噪声平均分配给M1和M2，只在输出端产生一个共模噪声电压若差分信号不为零ISS上的噪声会调制M1和M2管的跨导，产生差分输出噪声,通常忽略I D1 I D 2=g m VinW I SS+I nL 2,I D1 I D 2 2n COX(1+n)VinL 2 2I SS)Vin=g m 0(1+I n)Vin2I SS,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,33,本讲 噪声,噪声的统计特性,噪声谱

20、（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,Bn,噪声带宽为：,2,34,噪声带宽,总噪声：V,2n,out,tot,=,0,V,2n,out,df,有时把总噪声简单地表示为：V0V0 Bn=0 Vn2,out df多个电路具有相同低频噪声、但有不同高频传输函数时，用噪声带宽来比较它们的总噪声西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,35,总结,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,36,作业,7.2、7.12(a图),应用本讲内容,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,