（微电子学与固体电子学专业论文）现代cmos电路的噪声问题及其抗噪声优化设计.pdf

接要 摘要 随精现代c m o s 集成电路向更大规模，璺小特征尺寸方向发展，电路中的主 要噪声源已铁器件的固有噪声避渡到蠢挂底糕会以及数字模拟模块阉瓣相互事撬 而引越的噪声。其中，受噪声影响的不仅仅是传统的模拟部分，还包括数字部分 戈其是动态数字电路。因此传统匏晶体管级电鼹分板技术已经不戆逶瘫集成度霾 益增加的现代c m o s 电路。本论文以现代c m o s 电路中愈来愈突出的噪声问题为 研究对象，从爨论上磷究了嚣 睾噪声鲍巍理，根据不阏模块阉予扰鲍舆体表瑗， 研究了电路耦念噪声的机理并给出了深亚微米集成电路中的噪声解析模型，提出 了具体灼噪声优化电黪设计方法学和鞠应的优化实例。 在器件噪声机理研究中，针对模拟电路中器件噪声的影响和低噪声应用场含， 研究了器传的热噪声、l 馒噪声以及阻性多晶硅拯上的噤声，衬底电阻相关的热 噪声，以及与满源反偏p n 节栩关联的散粒噪声，并己将其在模拟电路的噪声计算 和低噪声分析中加以等效，给如基于器件的低噪声化一般思路謦等效过程。 在深亚微米集成电路的噪声模型建立过程中，研究了以数字电路为主体噪声耦 合方式以及不网单元电路抗噪声建模方法，依据深亚微米噪声的表现形式，绘出 了其体的分析方法学和优亿原刘。 在电路的噪声优化设计方法学成型过程中，以现代c m o s 电路中发现突出的 动态彀龉嗓声阔题和数模混合信号电路中豹同步开关嗓声及槽芙的衬底噪声为研 究实例，提出新的抗噪声动态电路形式，用全加器对此进行了验证；对同步歼关 嗓声律了深入分析，铸真结栗袭明同步开关缣声与开关数嚣凝有亚线往关系。最 后，给出了衬底噪声优化的实用方法。 关键词：集成电路噪声分析深亚微米噪声加固 a b s t r a c t w i t l lc m o si c sd e v e l o p m e n tt ol a r g e rs c a l e m o r en o i s ec o m e sf r o mt h ec o u p l i n g e f f e c ta n di n t e r a c t i o ni nt h ec i r c u i tt h a nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r so fd e v i c e ，w h i l e n o w a d a y s ，i nc m o s i c s ，n o to n l yt r a d i t i o n a la n a l o gc i r c u i t sb u ta l s od i g i t a lc i r c u i ta r e d i s t u r b e db yt h ef o r m e r , e v e nm o r et h ed y n a m i cd i g i t a lc i r c u i t s t l l i sp a p e rg i v e sa n a l y s i s o f d e v i c en i o s e ，c o u p l i n gn o i s ea n di n t e r a c t i o ni nc i r c u i t s ，a n das t u d yo f n o i s em o d e li n d s m ，t h e np r o p o s e d e t a i l e dm e t h o da n d a p p l i e d i n s t a n c eo f n o i s e o p t i m i z a t i o n i nt h e p a r to f d e v i c e n o i s em e c h a n i s m ，a c c o r d i n gt h ee f f e c to f d e v i c en o i s ea n dl o w n o i s ec o n d i t i o n s ，t h en o i s ei n c l u d i n gt h e r m a ln o i s e ，a n dn o i s ei nt h er e s i s t i v ep o l yg a t e ， n o i s ed u et ot h ed i s t r i b u t e ds u b s t r a t er e s i s t a n c e ，a r es t u d i e d s u b s e q u e n t l yg e n e r a l t h o u g h ta n de q u i v a l e n tp r o c e s s a r e p r e s e n t b a s eo nd e v i c en o i s e s c a l i n g 。 i nt h e p a r to f i c n o i s e m o d e l i n g i nd s m ，t h e m o d e l i n go f d i g i t a ln o i s ec o u p l i n g a n dd i f f e r e n tc i r c u i tc e l la r es t u d i e d ，b a s e do nb e h a v eo f n o i s e ，t h ed e t a i l e dm e t h o d o - l o g yo f n o i s ea n a l y s i sa n dp r i n c i p l eo f n o i s eo p t i m i z a t i o n a r eb o t ha t t a i n e d i nt h ep a r to f n o i s e - i m m u n i t y d e s i g n , a n e wn o i s e - t o l e r a n tt e c h n i q u ei sp r e s e n t e d c o m p a r e w i t ht r a d i t i o n a ld y n a m i cc i r c u i t , t h i st e c h n i q u ec a ng r e a t l yi m p r o v et h en o i s e t o l e r a n ti nt h e p r i c e o f l e s s p e r f o r m e n t l o s s i t sg e tt h el o w e s ta v e r a g en o i s et h r e s h o l d e n e r g y t h ef a c t o ro f s s ni sa l s os t u d i e da n dt h es i m u l a t i r e s u l ts h o w st h a tt h es s n e x h i b i t sas u b l i n e a rb e h a v i o rw i t ht h en u m b e ro f o u t p u t ss i m u l t a n e o u s l ys w i t c h i n ga n d t h em e a s u r e sa r co b t a i n e do nh o w t or e d u c et h es s n s s nd i s t u r b ss e n s i t i v ec i r c u i t s t h r o u g hs u b s t r a t ec o u p l i n g i nm i x - s i g n a li c si nd s m ，t h eq u a l i t a t i v es u b s t r a t ec o u p l i n g m o d e la n dt h ea p p l i e dt e c h n i q u ea r eg i v e nf i n a l l y k e y w o r d s ：i c s n o i s e a n a l y s i s d s mn o i s er e i n f o r c e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期：迦；： ：世 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期兰塑；：f 丛 日期坠21 ：1 ：! 里 第一章鳍论 第一章绪论 1 1 现代c m o s 电路与噪声 九十年代以后，大规模集成电路工艺的发展仍然依照摩尔定律( 摩尔定律： 每三年器件尺寸缩小2 3 ，芯片面积约增加1 5 倍和芯片中的晶体管数目增加4 倍) 所预言的发展速度急剧增加。集成电路技术目前已发展到甚大规模阶段，即u l s i ( u l t r al a r g e - s c a l ei n t e g r a t i o n ) ，芯片中最多元晶体管数目已达1 亿个，其 微细加工工艺已到达深亚微米级( 小于等于0 3 5 1 u n ) 技术，并将继续向0 2 5 1 u n 、 0 1 8 1 m l 、0 1 岬普及发展，见表1 1 。器件性能则向着高速、低功耗发展。s i a ( s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 在曾在9 5 年就曾预测未来1 0 年内i c 的特征尺寸将达到0 0 7 岬，线宽0 0 8 1 m ，布线间距0 1 2 1 t m ，介质厚度0 5 0 l _ l m ， 电源电压将降到1 伏，工作频率将达到1 1 g h z ，表1 1 为世界集成电路技术发展 预测，而实际的发展已突破了这一预测。现在微细加工技术已从0 6 1 m l 提高到 0 1 8 1 t m 的水平；o 1 8 m n 的l g 位动态随机存取存储器d r a m ( d y n a m i c r a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 已研制成功；2 5 6 m 位的d r a m 已进入大量生产阶段；具有6 4 位速度位2 g h z 的微处理器已宣告研制成功。 表1 , 1 世界集成电路技术发展趋势 年份 1 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 42 0 0 72 0 1 0 d r a m 的最小线宽 o 3 50 2 50 1 80 1 3o 1 00 0 7 l l a n d r a m 位数斛m2 5 6 m1 g4 g1 6 g6 4 g 微处理器的晶体管数4 f7 f1 3 m2 5 f5 0 m9 0 f 连线层数 4 555 666 77 8 芯片面积，埘m 2 1 9 02 8 04 2 06 4 09 6 01 4 4 0 硅片直径，m m 2 2 3 0 03 0 04 0 04 0 0 在半导体集成电路的发展过程中，基于硅半导体的c m o s 电路技术由于其易 于大规模集成的特点，并且在技术和工艺日趋成熟，性价比优势明显的情况下， 目前以及今后相当一段时间内，在大规模，超大规模集成电路中仍牢牢占据主导 地位。而近年来，个人数字系统，个人通讯终端，视频信号处理等大量消费类便 携产品的推动下，以及系统的体积，功耗及成本的要求，使得硅c m o s 电路不断 向高速、高密度、低功耗，芯片系统化迅猛发展并改善了系统的性能：s o c 电路 中，将数字电路，模拟电路以及射频电路集成在同一芯片，一方面，在电路板级， 现代c m o s 电路中的噪声问题及其抗噪声优化设计 只需要单个芯片或少量芯片，从而降低了成本并减小了体积；且相对原来多个芯 片具有较少的压早点数量以及互连线数量，使得与其相关的寄生电容明显减小， 从而降低了系统的功耗；在高频应用场合，由于封装之间互连寄生效应通常使得 高频段响应变坏，因此封装间互连线的减少常常可改善电路的高频相应或甚至于 扩大电路的频带。另一方面，在现代c m o s 片上系统内部，其器件尺寸不断缩小， 集成密度不断增大，金属线间距越来越小，愈低的电源电压以及愈快的系统时钟， 使得在数字电路中，噪声干扰或电路跳变产生的毛刺引起数字电路本身逻辑故障 的可能增大，更重要的是，在数模混合及s o c 电路中，抗噪声能力较强的数字部 分所引入的“人为”噪声，通过电源及衬底耦合到对噪声十分敏感的模拟电路中， 使系统性能恶化。由于这些问题的不断突出，包括低噪声噪声设计和抗噪声加固 等噪声优化技术已成为现代c m o s 电路设计中与面积，时序，功耗同等重要的指 标。 1 2 电路噪声技术现状 低噪声电子学是- - i 7 重要的综合科学，1 9 1 8 年w 肖特基( s c h o t t y ) 最早研究 散粒噪声、1 9 1 7 年一1 9 1 8 年j b 约翰逊( j o h n s o n ) 和h 奈奎斯特( n y q u i s t ) 最 早研究热噪声，已经数十年的历史，但这门学科迅速发展还是近二十年的事情。 8 0 年代以来，人们开始对许多微弱信号进行研究，促使人们在抑制噪声方面做了 很多努力，包括：研制低噪声元器件，设计低噪声电子线路，探讨检测微弱信号 的新方法，以及相应理论工作的展开。现在，低噪声电子学作为一种重要的科学 实验方法，在揭示人类自然界奥秘的活动中发挥着愈来愈大的作用，它的发展和 完善将不断促进有关科学的发展。基于这种原因，“低噪声电子学”成为现代电子 学的中要发展方向之一。 通常，噪声代表基本的随机噪声源，是电系统中的器件和材料自发产生的起 伏物理现象。例如，在温度高于零度时，导电体产生的热噪声是典型的例子。在 半导体v l s i 电路中，噪声通常以噪声电压( 电流) 量出现，定义为驱使节点电 压偏离正常值的扰动【2 1 。对于低噪声电路技术，传统的噪声分析和低噪声化方法 主要集中在中小规模，双极型模拟器件上，并且取得了一系列有效的研究成果【3 1 ， 形成了理论化的工艺，器件，及电路方法，逐步克服了这些电路中的噪声问题。 包括模拟电路的内部物理效应的低噪声设计，也在逐渐形成比较成熟的设计考虑 和一般方法。随着c m o s 工艺的出现发展，在器件噪声主导类型及噪声与器件参 数关系等方面与传统双极器件不尽相同，并随着电路规模的不断增加，电路工艺 的变化，c m o s 电路中的主导噪声源不仅与器件参数和工艺相关，而且和电路行 为，电路结构，电路间的耦合干扰密切相关，这样，寻求合适的电路抗噪声优化 第一章绪论 技术来提高电路可靠性改善芯片系统并与传统的低噪声器件及工艺结合起来，从 这个意义上讲，传统的模拟电路低噪声可纳入抗噪声优化技术范畴。在国外，伴 随着s o c 及p 复用技术。现代c m o s 电路中的噪声评估，电路噪声优化方法以 及r f 中的低噪声化方法作为一项重要技术加以研究，其中的一些成果报道已应 用于电路实现中。但同时现代c m o s 技术发展日新月异，电路中具体情况又千差 万别，并且任何低噪声设计均以牺牲电路的其他性能为代价，提出各种比较具体 的方法目前，在这一活跃的研究领域，仍在不断寻求最佳的解决方案。研究内容 分布于结合芯片的设计过程，预测所设计系统的噪声，在设计芯片系统的方案时， 就考虑低噪声化，并一级一级进行噪声优化平衡，直到电路的物理设计，即低噪 声化t o p - - d o w n 方法；另一方面，结合工艺，在电路的各个层面上寻求最小噪 声化方法，实现低噪声化的b o t t o m - - l i p 方法1 4 ，目前的深亚微米v l s i 中，噪 声优化设计同芯片面积，速度，以及功耗一样重要。 在国内，无论是在半导体器件噪声的基础研究方面，还是在低噪声器件的研 制方面，都十分薄弱。在利用噪声来评估器件可靠性方面近些年来逐渐成为一个 活跃领域，而包括深亚微米电路本身及其条件下数模混合电路的噪声优化电路技 术的研究还比较年轻，许多的成功经验和和正确理论还没有比较完整、及时的总 结。许多的问题研究还只是散见在国外的一些文献上，这种情况与集成电路的迅 速发展是不相适应的，并且给集成电路设计方面工作带来了相应的障碍。研究现 代c m o s 电路中的噪声问题以及其相应的抗噪声优化技术对于推动集成电路以 及系统芯片设计发展，提高电路性能提供有效的理论依据和使用方法。 1 3 本论文的工作与论文结构 本论文的结构是以作者的研究顺序组织的。 第一章节为绪论，主要介绍了现代c m o s 集成电路中噪声以及电路低噪声化 设计方法学的研究进展。 第二章节的器件噪声机理研究中，依据半导体噪声理论，研究了m o s f e t 器 件中的噪声模型及表征，并已将其在模拟电路的噪声计算和低噪声分析中加以等 效，给出基于器件的低噪声一般思路和等效过程。 第三章节主要介绍了作者对现代c m o s 电路噪声模型的建立过程，研究了以 数字电路为主体噪声耦合方式及以及不同单元电路抗噪声建模方法，依据深亚微 米噪声具体表现形式，给出了具体的分析方法学。 第四章节中提出了具体的噪声优化电路设计方法学和相应的优化实例。首先， 以现代c m o s 电路中表现突出的动态电路噪声为实例，提出了其相应的噪声优化 电路形式，对全加器等单元电路作了验证。其后，对现代c m o s 电路噪声的另一 4 现代c m o si 乜路中的噪声问题及其抗噪声优化l 垃计 个突出表现同步开关噪声进行了分析和模拟，并在此基础上给出实用化方法。 最后以衬底噪声为第三个实例，给出了具体的噪声优化方法。 第五章节为结束语，对本次毕业设计工作的突破点和有待解决的难点问题进 行讨论，并对超大规模电路噪声优化设计作了归纳和展望。 擀= 章糕件噪声机墩耕究 禁二拳爨静噪声辘堡掰巍 零章鞭簧糕逐擎零薄器薅襟拳表鬣获特熹；洪及霞 ：乏翔熬趣蔓荧裴爨分类， 是各种低噪声化方法的理论蕊础。柱器件嗓声机理研究中，针对模j 氅i 电路中器件 漂拳戆影跨敬蕊噪声琏爰器套，疆巍了嚣转煞热臻黟、l 嚣爨声渡及驻蛙多惑黩撰 上的噪声，衬底电阻相关的热嗓声，l l 及琦漏源戚偏p n 节相关联的散粒噪声， 莠予将荚在撰黎龟臻辫臻声诗篓褒觳辕声势撰孛热璐等效，绘鑫甄臻声一般愚路 和等效过程。 2 i 1 噪声表征 2 嗓声表征凝分类 嗓声起源予耪瑗瀵的随概起伏，澎成嗓声酶耪谍机构通常称为嗓声濂。粕粱 骠势澡夔性羧不蘧瓣瘸变鼗，鄂么褒短该蝶辫源熬髓规变爨购统计特性也不髓对 阊变纯，这种变量称为平穗随机交纛。半导体器件巾的礤声箍本上都属于平稳隧 瓿燮爨甥。 器件噪声主要瓣寝征参数宥： i 等效输入噪声具农电疰或媳淡增藏的三段线多端线性有源器擞如擞极 鑫体管，臻敲藏鑫休管释裁缝集成魄蘸等) 在藏夭裔焉信号瓣露辩，也放大了蠹 邦噪声。这样，在嚣转输趣端测褥的噪声太小就与该器 牛麴增益有荧。因此，常 饕穗器舞输穗臻震黎戮懿臻声抉葵灸揍在输入端静禳声漂，帮等效辕入礤零淹嚣 磊载等效输入噪声嘏漉磊。 2 嗓鸯蒸数寄深嚣俸嚣臻声蘸数定义为单馥鬻宽蠹祷效籍爨嗓声翡攀镌 与接在器件输入端鹪源电阻惩的热噪声所产生的噪声功率n , o 之比，可表示为 f = “菇，( 2 - l 蝼声系数麴舅一令等效懋义荛羧八褒黩越竣趣髅噪找越地毽，搿表示为 f = 船 ( 2 - 2 ) v 鸯， 。 斌中，繇岛分掰为输入，输出的信号功率；瓶脯分掰两输入。输出的蠊声功 搴。装蒜努强舞摹靛；臻声系数哥袋暴秀；萎= 1 0 1 0 9 f a b ! 如上所述，半龉体器件的噪声w 以用上述半导体西够数和批两种黪数来 现代c m o s 电路中的噪声问题及其抗噪声优化设计 表征。j ，常用于器件比较线性放大器噪声的大小，它反映了放大器的内部噪声使 系统信噪比恶化的程度，但不是表征特性的最佳指标。现在国外对于半导体器件 ( 特别是集成电路) 的噪声表征多采用晶也参数。 2 1 1 噪声分类 半导体器件中的噪声，一般是按照物理机构的不同来分类的，可分为热噪声， 散粒噪声，g - r 噪声和1 f 噪声四大类，见图2 1 。 一般的频率范围内，热噪声和散粒噪声的功率谱密度与频率无关，统称为 白噪声。1 f 噪声和g r 噪声则与频率有关，前者与频率成反比，后者则按， r t 尸饷2 ) 规律变化( 其中而为转折频率) ，统称为有色噪声。由于这两种噪声通常 在低频情况下显著，也称为低频噪声。 热噪声起源于晶体中载流子的随机热运动，广泛存在于各种电阻性元器件 之中。热噪声的大小只与电阻和温度有关，即使器件没有电压和电流，也同样存 在；散粒噪声、g - r 噪声和1 f 噪声则与器件的电流和外加电压有关，一旦电流或 电压消失，这些噪声也就不复存在。 半导体器件噪声 低频噪声 ( 有色噪声) g - r 噪声 f 基本1 f 噪n l f 噪n j l l 非基本l f 噪声 图2 1半导体器件中噪声的分类 散粒噪声起源于载流子跨越势垒的随机性，因此只存在于载流子运动受控于 某种势垒的器件中，如金一半接触的肖特基二极管，具有p n 结势垒的双极晶体管 等。m o s f e t 和j f e t 的载流子运动沟道中无势垒存在，所以基本上没有散粒噪 淹 淹 声 噪 噪 噪 声粒 粒 逊 噪散 散 翰 散频 频 约 扩低 高 r 1 l r 1 l 声 声 噪 噪 粒 热 散 厂0，l 声噪 淹 澍 噪 噪 合 发 复 猝 ，0l 厂、l 第二章器件噪声机理研究 声。 热噪声和散粒噪声是器件的基本工作原理决定的，从本质上看是不能彻底消 除的，而g - r 噪声和1 f 噪声在很大的程度上是器件的杂质与缺陷引起的。从这个 意义上讲，低频噪声往往反映了器件内在质量和可靠性的优劣。 由于噪声产生的机理与器件的结构紧密相关，所以在不同结构的器件中，各 种噪声的相对强弱有着很大的差别。常规半导体器件存在的主要噪声类型如下图 2 2 所示： 电子器件的噪声通常由白噪声，1 f 噪声和g r 噪声三种分量构成。其功率谱 密度可写成为： s ( 厂) = a + s f 7 + c o + ( f 五) 8 ) ( 2 - - 3 1 共有六个表征参数，即白噪声的幅度爿，1 f 噪声的幅度占和频率指数因子， g r 噪声的幅度c 转折频率五和指数因子a 。不同的噪声分量以及各个分量的不 同表征参量往往具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征和缺陷量。因 此，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确地确定各个分量表征参数的 值，是对器件进行噪声物理分析的前提。 i双极晶体管t三。二二，f噪声 糊粕髂件卜瞰誊 l l 热噪声 凳主冀墓： 巍栈e 醇0 s 邀藏孛魏稚簿霹蘸爱蠢；挽曝声髓裁设译 2 + 2 醚o s f 萎t 孛熬噪声 辩蹲f e t 孛浆噪声滁毽耩：淘遒审豹瓣煞嗓声，i f 嗓声，辫壤多菇醚疆上懿 噪声，橼疯惫爨鞠美熬热噪声，数及与瀑源袋德p n 繁禳荚载鹣教毅襟声。 柽一黢爨舍下，慕簿嚣蓊释媾撬l # 露鬟蘩，褒 螽噪声建羯踺，必须考惑篡德熬襟 疼漂。 2 2 。1m o s f e t 麴热噪声 蓠巍，对具体韵热臻声模銎撵瑟瑟瀚述： 在经俺一个娥于绝对霉瘦臣土温壤的罨钵中，裁漉子郏农馓涎凝她的热逶魏。 运耱冤瓣弼秘熟遮动囊翱在载流予宥瓶粼熊遮动之上，就零l 怒了电流壤离平羯蕊 的趄茯。蠢滚器粒袄必然弓| 怒在魄隧两端电聪的超铁。遮秘觅规则的起伏邸热噪 声( t h e r m a ln o i s e ) 。药翰避1 9 2 8 年笈瑗热嚷声，掰戮叉潮作筠翰澄臻声( j o h n s o n n o i s e ) 。 皿 l 菇。厨 ； 臻2 , 3 电飘熟潞声萼敲穗路黧a ) 等效旗声电氆誊n b ) 游毅臻声姆瀛王n 一块电隧菇致敬母体，在澄魔毙t ，繁宽梵f 时的热噪声哥戳用令等欺 鞠率联翡窀垂添嚣n 表示( 蓬2 ：3 ( a ) ) ，魄可敬耀一夸与箕亳鼯g = l r 并联翡魄懑 源矗来表示( 餮2 , 3 ( b ) ) 。静服从鞋下头系式，称烫祭豢斯特公斌： 霹= 毒撩琴( 2 - 3 ) 露= 4 k t g a f ( 2 4 ) 靛鸯渡尔兹受鬻鼗，零惫绝对滋发，赉菰上嚣式霹激番赉，热噪声丈零与步 船亳篷 澎关，其与添凄帮电隧德育关系。在逶常酶颡举范霞内，热嗓声的麓攀港密度与 颁攀无美，震予蠡嗓拳。 场效蕊鑫体警楚遴避调裁警激海逶鹣电陵泉工俸静。阖鼗电隧瞧沟遂中妊然 产生热臻声。鬣为霉邀淘遭斡惫辍藏争 热穰嚣嚣囊，数这羚热臻声均方蘧与羚熬 1王， | 菠j ；，r|lr；0上川f 第二章器件噪声机理研究 偏压有关。沟道中的热噪声可以产生两种噪声电流，一是直接在栅源回路产生的， 称为沟道热噪声；二是通过栅沟电容的耦合在栅源回路产生的，称为感应栅噪声。 二者具有同一起源，后者只在甚高频下才起作用。 m o s f e t 在正常工作情况下，在漏源之间形成反型层沟道电阻，在栅压控制 下少数载流子通过沟道。在一定情况下，当漏源电压v o f - o 时，沟道可看作一均 匀电阻，其沟道噪声按式( 2 3 ) 或式( 2 4 ) 给出。而在通常情况下，电压0 ， 电压高于v o o 电压。因此，相比于漏极而言，源极附近呈现更强的电导性， 这样一来m o s f e t 沟道不再是一个均匀电阻，必须将其分割成为一系列小段( x ) 以计算噪声。必须计算每一个小部分的噪声然后再沿整个沟道对其求积分。 噪声谱密度公式为： “ 等k ( 州y ( 2 - 5 ) l 。0 其中，矿为沟道宽度，上为沟道长度，u 为沟道有效迁移率，j 赫为漏源电流。 式( 2 5 ) 中的积分很难求解。简言之： i ；= 4 k t ，g 。 ( 2 6 ) r 因子是晶体管基本参数和偏置条件的复函数，要求出y 值，需用数值方法。 对于现代c m o s 工艺，氧化层厚度为5 0 r i m 量级，衬底搀杂浓度降低到1 0 1 5 1 0 1 6 c m 4 ，因子的值在o 6 7 1 0 之间。 沟道中的噪声同样通过沟道与栅之间的电容c 。w l 耦合产生感应栅噪声，感 应栅噪声与容性耦合频率相关( f 2 ) ，噪声表达式近似为： ，、2 2 * 4 k t 去( 2 吖) 2 4 “n 警 协7 ) 矗* 2 疋k 为m o s f e t 的截止频率c o s 为栅源电容 当频率i f t ，栅噪声电流起非常重要的作用时，才将栅噪声与漏极电流相比较， 因此，在大多数实际情况下，将此噪声忽略不计。 2 2 2 m o s f e t 的1 f 噪声 从均匀金属薄层电阻，及各种不同类型的电阻到半导体器件甚至于化学电源， 几乎在所有类型的器件中都发现了1 ，f 噪声。由于1 f 噪声广泛的存在于各种器件， 因而在它的背后必然有其根本的物理机制，但至今还没有找到确定统一的答案。 l f 噪声具有两个基本特征： ( 1 ) 在一个相当宽的频率范围内，1 f 噪声的功率谱密度与频率成反比。 ( 2 ) 1 f 噪声电压或电流的功率谱密度近似与通过器件的电流的平方成正比。 0 现代c m o sl 乜路中的噪声问磁敷j e 抗噪声优化设计 稚所有有源半导体器件中，由于寝面导电机制，m o s 晶体管具肖最高的i f 噪 声。葵缝象楚好晁个理论及耪毽模黧受靼来艇释m o s f e t 孛鹣1 ，撩枣。这黧理论 和模型除在细节上育所差剐外，均鏊于由胡格( h o o g e ) 经狳关系式所表示的迁移 率涨藩貘型，以及迦变霍势m c 弩髓。牲。蠖；一次葶l 囊载滚孑浓菠蠛数鬟涨藜模撰。、 可以证明f “，对于迁移率涨落模擞，等效电压功率谱密液为： 归；若器爵 沼鼬 黠予数涨落模型，等效毫压堵率遴密度楚： ”；( ，) 2 虿旁可 2 “9 t l f 为只考虑散射的迁移率，u e f f 为器件的有效迁移率，ol 称为胡格l f 参数，c 。 为擎霞嚣稷瓣蓑窀容。 比较式( 2 8 ) 与( 2 9 ) ，可以糟剖两个模型有两点不同，其一，式( 2 ，9 ) 噪 声与童滚箍鬻蘩终笼荧，臻声夫枣瀣接与蠢效撩窀篷( v o s - 砖) 成蔗毙美笨。 其二，式( 2 - 9 ) 噪声与c 2 0 x 成反比关系，而在式( 2 * 8 ) 中，其与c 。成反比燕系。 一般漤，这嚣拿差辩并不意喙着其中零令模壁不正确。冀缝参蘩，霄效迁移警袭 得嗓声还与巅流偏鬣以及氧化层厚度等条件相关。许多试验均以证明了以上两式 斡遁惩毪。翅瓣予数涨落摸整最壹接翡泛摄m o s f e t 豹雾嚣态密度与噪声邀篮或 电流成严格的正比燕系。因而，往往通过缩龠工艺擒帝0 来减小陷阱密度，降低l ，f 臻声戆影酶。 2 。2 + 3 其它噪声源 在抵噪声应用环境中，箕缝豹一些噪声濮也变锝比较重要。这拨噪声源蝴下： 1 ) 与电阻靛多晶硅褥电阻酞。福关的热噪声， 2 ) 由于衬底电阻箍弓 起的热噪声， 3 ) 鸯漏源葳褶络豹瀵漏电流福关的教粒嗓声( s h o tn o i s e ) 由予泄漏电流通常避小于漏搬电流i n s ，因此其效成可以忽略不计。男方谣，如 不对敝餮帮硒采取特尉酶预防措施由鬟g 稷r b 雩| 超鹩噪声将有可麓超过诲邀热嗓 声。因而在此可以说明的怒，低噪声应用环境中，常采取种称为手指结构的 m o s 管电阻性多燕穗褥电随稳关鲸热磲声( 图2 4 ( a ) ) 程实际潘况孛，手指结 构的m o s f e t 具礴很大的宽长比，这种结构的有点为：低c b s 和c b d 电容( 减 少了骞生添电容) ，在敝霞嶷瓒对狠裔爱。对予交予枣重底窀漱风瑟弓| 起鹣热噪声， 如幽( 2 4 ( b ) ) ，常常通过衬底偏置的方法采减小噪声。 第二章器件噪声机理研究 瞄啊 翟_ 啊_ 翻啊 礴_ 嘲_ 豳 ：! ! ： ! 翊 嘧啊 鸺啊 嘲卜l _ _ _ 墨曼强 l 翱目 i 龃l j 1 暖菡盔鹫墨疆面墨曩 叫幽幽 匕= 一 p - s u b s t l a t e 胁 口胁v v 图2 4 栅电阻噪声与衬底电阻噪声( a ) 手指结构m o s 管方法( b ) 衬底偏置方法 2 3 器件噪声模型 考虑以上的主要噪声源，一个描述m o s f e t 的噪声特性模型如图5 所示， 4 t f f g s d b 图2 5m o s f e t 共源小信号噪声等效电路 在图2 5 中，包括沟道电阻引起的热噪声，阻性栅噪声，以及低频噪声。忽略了 在频率高于截至频率时才起重要作用的感应栅噪声。在实际应用中，由于通常为 了确定噪声在输入端的等效大小，应用e n i n 模型，把图2 5 所示的噪声模型绘 成图2 6 所示的e n i l i 模型，即把噪声电流源折算到输入端。 现代c m o s 电路中的噪声问题及其抗噪声优化设计 圈2 6m o s f e t 的e n - - i n 模型 对图2 6 来说，当输入短路，仅e n 对输出噪声电流i n 。作相互贡献，即 ，二= 9 2 , , u ? = g 二2 b 。2 ( 2 - - 1 0 ) 考虑热噪声和1 f 噪声，可以得到， 霹= 等枷t w ( 2 、1 1a f 似轰鲈( 2 - - 1 1 ) 其中，i g 为栅极漏电流，i d 为漏极工作点电流，k 为由器件决定的常熟，a 为0 5 2 之间的常熟。图2 7 示出了m o s 管e n 的谱密度曲线，由图可见，由于式( 2 - - 1 1 ) 等号右边第二项为1 f 噪声的贡献，使得e n 随频率的降低而上升。与双极晶体管 不同，对场效应晶体管来说，其l f 噪声区可扩展到兆赫兹范围。在中频段和高 频段主要是沟道热噪声对e n 的贡献，所以谱密度是平坦的。为了减少这个区域 的噪声，必须把m o s f e t 应用在g m 大的工作点上，即静态漏极电流要大通常i d 在i d d s ( 为u g s = o 的i d ) 附近，g m 可达最大。 图2 7 典型m o s f e t 的e 2 。谱密度 在常规s p i c e 的m o s 器件模型中，用四个噪声电流源模拟噪声，都用谱密度表 示。其中两个代表漏极和源极的寄生串联电阻的热噪声，它们分别表示为 s 。= 4 k t r 。以及s 。= 4 k t r s ，另外两个从漏极到源极的噪声电流源，其一 为热白噪声( 散粒噪声) ，另外一个为1 f 噪声，表示为，s 。= 8 k t g 。3 以及 矿r f s r2 二f c 。, 生w l l , g ，式中k f 和a f 是可由用户输入的参数，g m 是q 点的小信号模型 第：章器件噍声机理研究 跨导，i 静态漏极电流，k 行悬有效沟遒长度，假定信号源不相关，将所有噪声 苓籀热藏褥鬟全都懿礤声灌密震。这徉，在分褥c m o s 线路鹣骧声性貔潼，霹将 器件的噪声源反应在其输入上，对与噪声分析将十分方便。 2 4c m o s 模拟电路中的噪声 模拟集成电路对噪声比较敏感，其自身电路内部物理量的超伏所引入噪声火 ，i 、对其瓤影昀戮其牲能，本苇麸其内秘噪声性戆方嚣逃行分据，在此纂础土，从 电路角度简述低噪声设计方法。 在模羧m o s 电鼹巾，对噪声敏感的电路如放大器，莲控振荡器等电路，在线 路和版图的低噪声设计其体细节不尽栩同，但基于2 3 节的模型化以及等效输入 噪声，在分 厅鄹设计原则上是一致的。对于离增益电路，输入溃鲍噪声性能，镬 往对予电路的噤声特憔起决定作用，因而，差分放大器为例，给出低噪声一般思 路和等效过程。 分潮考虑麓分放大器的噪声性能的各个频段噪声，如低频的1 f 噪声，高频段 的热噪声等。根据频段的不同，可以忽略其中的一种。图2 8 给出了一耪通常n 沟差分放大舔，其中每个器件输入端都有一个等效噪声电压源。 漆 蹦2 8 差分放大器的等效噪声 嵋。，。，l ；乏歉v 一2 分翔为t 1 ，t 2 ，t 3 戮及甄输入端瓣嗓声蠢篚均方俊， 显然谈电路的总噪声电流均方值为 i i o ：g ：2 m 麝+ 磊j + g ：。露+ 石；( 2 - - 1 2 ) 若把嗣8 ( a ) 等效为图8 蚴，该电路输出的总噪声电流均方值应为 譬= g k ( 2 - - 1 3 ) 两个等效电路中的输出噪声电流应相等，于悬有 巧；百+ 焉- g m 3 - 4 j 陈+ 百) ( 2 - - 1 4 ) 由上式可以看到，t l ，t 2 的噪声壹按提供刮放大器静输入端，丽t 3 ，私的礤声 对放大器输入端的影响与 ( 如。g ，。) 成正比。为了减小这一项的影响，在 现代c m o si 乜路中的噪声问题及其抗噪声优化破计 电路设计中也应尽量减小t 3 ，t 4 的跨导值。为了减小输入管本身的噪声，则应 适当增搬器件熬只寸。嚣一般来说。p 沟m o s 管的t f 噪声将比n 沟m o s 管的 小，因此，以p 沟m o s 管作为输入级，将有利于噪声的改蒋。 如上分攒，对于模拟电鼹靛内部物理效应的低噪声设计，已有比较成熟的设 计考虑和一般方法。即从电路设计的各个环节考虑，确定设计方法和过程：在实 际 壬务方案上，着眼予低噪声特性，从低噪声的特性出发，选择输入级器件参数 及其工作点，以满足噪声指标，然盾选择电路组态和负反馈方式等采满足增益、 带宽以及输入输出阻抗的要求，达到噪声特性最佳【7 j 。 2 5 小结 在本章节的器件噪声机理研究中，针对模拟电路中器件噪声的影响和低噪声 应掰场合，磷究了器件静燕蝾声、l f 噪声蔽及隧往多磊硅褥士的嗓声，衬底电阻 r b 相关的热噪声，以及与漏源反偏p n 节相关联的散粒噪声，并已将其在模拟电 路的嗓声专辛弊和低嗓声分褥中热默等效，给蹬低猱黟豹一般憨路霹等效遥程。低 噪声和抗噪声电路优化对于c m o s 电路是相互结合在一起的，本论将进一步对现 代c m o s 魄路辛豹深耍徽米丈燕攘集藏奄鼯噪声模鍪帮抗噪声鸯羹瀚按术佟深入 讨论。 第三章现代c m o s 电路噪声模型建立 第三章现代c m o s 电路噪声模型建立与分析 在现代c m o s 芯片中，噪声问题随着电路规模的增大已经愈来愈严重，芯片 的电路噪声已经超过由器件本身物理特性所引起器件噪声，成为噪声主体，因此， 相对于芯片上模拟电路部分，数字电路部分“规模庞大，噪声嘈杂”，是整个芯片 的主要噪声源。在现代c m o s 深亚微米集成电路的噪声模型建立过程中，研究了 以数字电路为主体噪声耦合方式及以及不同单元电路抗噪声建模方法，依据深亚 微米噪声具体表现形式，给出了具体的分析方法学，是论文工作的重点之一。 3 1 数字电路中的器件噪声 在数字集成电路中，白噪声是主要源自器件参数的噪声源。也就是说，对m o s 电路以自噪声为主，在绝大多数情况下，1 f 噪声可以忽略。其原因说明如下。 令白噪声源谱密度为a ，1 f 噪声在f 1 0 0 h z 时的谱密度为a 彬f ，f i 为白噪 声区与l f 噪声区之间的拐角频率。通常以计算机为代表的数字集成电路的带宽 可大 j 7j ， 于i o m h z ，于是若l ，爿 c ，( 矾厂妙，则l f 噪声必定低予自噪声，解之可 得厂， 4 0 0 k h z ，因此，在c m o s 数字电路中，1 f 噪声的影响可不考虑。可以证 明【8 】，对于c m o s 电路，白噪声的电压均方值可用v 2 = k t c o = k r ( m c i + c ，。) 表 示，其中，c 0 位负载电容，m 是输出所接的电路单元数，c t 是每个单元的输入电 容，c 。是杂散电容和引线电容。从上面可以看出，v 2 与器件的与器件的有源区 面积成反比，因而随着m o s f e 尺寸的不断缩小，电路的噪声电压将随之增大， 到达一定程度，就有可能引起信号误触发，对于具有上百亿个管子的计算机电路， 由此带来的不良作用是不容忽视的。表3 1 列出了m o s 器件按比例缩小规则，可 见，当器件尺寸缩小p 倍时，噪声电压则增加p m 倍。为了保证电路不出现误触 发必须确定所受到噪声限制的器件最小阈值电压。 表3 1 m o s 器件的按比例缩小关系 参数缩小比例因子参数缩小比例因子 器件尺寸w l ，k l p 延迟时间，电流v c i1 ，p 参杂浓度n p 功率耗散v ii p 2 电压v 1 伊 功率密度v 丛 1 电流i l p 输出噪声电压( v 2 1 2 p 1 0 电容c = o a t o 。 l p 对于m o s 器件中服从正态分布的热噪声电压，可以证明，当阙值电压为 现代c m o s 电路中的噪声问题及其抗噪声优化设计 1 0 芦，具有1 8 亿管子的计算机在每1 0 0 0 小时中出现一个错误【3 。于是，由噪 声决定的最小闽值电压必须达到l o v 2 。 可见，在现代大规模c m o s 电路中，器件噪声不是最重要的噪声源，由于电 路的寄生耦合作用是目前v l s i 数字电路的主要噪声源。 3 2 数字电路部分中的电路噪声耦合 尽管数字电路部分的“噪声嘈杂”，但其内部电路噪声主要源自以下两个方面： 一是来自电路电源到地的公共电阻通道；二是其它信号通过电容耦合过来的噪声【9 1 。 3 2 1 阻性耦合噪声 如图所示，两个反相器通过一个公共电阻r c 连接到地，在实际电路中，这个 r c 是由反相器到金属地总线的传导通道电阻造成的。把每一个晶体管都用等效电 阻代替就是图3 1 ( b ) 的模型j 运用此模型作简单的分析，如果开关s 1 接通而 开关s 3 断开，则输出电压v 1 为 v 1 ：垫生! ( 3 1 1 r l + r 2 + r c 。 如果r c = 0 欧姆，则输出电压对应于低电平逻辑状态，如果i k 不为零，输出电 压增大，从而使低电平逻辑状态退化。 如果图3 1 ( b ) 中的开关s 3 接通，那么输出电压v 1 将出现变动。这个变动 产生了一个不希望有的噪声电压，如果它足够大，则会影响从下一级看过来的逻 辑值。图3 1 ( c ) 示出了两个反相器完全相同，两个开关都接通时的等效电路。 这时输出电压v 1 为 v 1 ：f d d ( r i + 2 一r c ) ( 3 ，2 ) r i + r 2 + 2 r c 。 输出电压增量取决于r c 的阻值和反相器的等效输出电阻。 v d d v d d v d d 第三章现代c m o s 电路臻声模型建立 豳3 1 黻性耦台噪声 ( a ) 嚣令爱档器通过一个公共壤阻壤銎| 地( b ) 呶阻模型( o ) 一对选配豹魇糊器模型 戳t 以反