模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第7章噪声(一).pptVIP

,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 =,VY VX,用s域分析法来分析频率特 性 密勒定理,Z1 =,Z (1 Av ),Z2 =,Z 1 (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 out V in ( 1 +,( s ) s p 1,)( 1 +,1 ,s p 2,)( 1 +,s p 3,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,(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 out RS CGS + (1 + g m RD )CGD ,1 (CGD + CDB ) RD,Vout Vin,(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 1 CGDs(1+ gm RD + RDCDBs) CGS s,vo (sCGD gm )RD vi s RS RD (CGSCGD +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 =,1 gm 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 1 I X sCGD sCGS sCGS gmb + sCL ,vo gm + sCGS vi 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） 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 )RD 1+ (gm + gmb )RS (1+,1 CS gm + 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 1 1 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb,Z L = R D,1 sC D,输出阻抗,R out = 1 + ( g,m,+ g,mb,) ro R S,1 sC,+ ro | ( R D,1 sC D,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,6,上一讲,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 )(rO3 sCP,) +1,(RD,1 sCL,Vout Vin,( s ) = Av 0, s 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 ,1 C（ rOP rON ）,1 1 p1 p 2,rON rOP CE CL g mP (rON + rOP ), p 2 ,g mP CE,Z = 2 p 2 = ,2 g mP CE,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 / 2 t T,2 x (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,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 ( 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1 X(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,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 ) (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 + lim t T 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,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,2,2,22,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 kT R,( 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,Vout VR,(s) =,1 sRC + 1,Sout ( f ) = SR ( f ),Vout VR,2 ( j) = 4kTR 2 2 2 2,P ,out 0,4kTR 4 R C f + 1,df =,kT 1pF电容时为64.3V C 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 kT R,( 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） 单个MOS管能产生的最大热噪声电 压：,Vn,2,= I n rO = 4 kT ( g m ) rO 3,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 1 CoxWL 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 1 CoxWL 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 ) 3 I n ,tot = 4 kT ( g m )(10 10 ) 4 kT ( g m ) 10 6 3 3,1/f噪声： Vn ,1/ f,=,K 1 CoxWL f,I n ,1 / f,=,K 1 2 C OX WL f,g m,I n ,1 /, ftot,=,2 Kg m C OX WL, KHz,1MHz,df f,=,2 Kg m C OX WL,ln 10 3 =,2 6.91Kg m C 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 2 CoxWL 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,out Av2,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 2 Av gm RD,2 Vn,in,= 4kT gm + 3,K 1 2 4kT 2 1 CoxWL f RD gm RD,= 4kT,2 K 1 4kT 3gm 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 2 3gm 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