《CMOS模拟集成电路设计-ch7噪声》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CMOS模拟集成电路设计-ch7噪声（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、CMOSCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计-ch7-ch7噪声噪声HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生提纲提纲n n1、噪声的统计特性n n2、器件的噪声类型n n3、电路中的噪声表示n n4、单级放大器中的噪声n n5、差动对中的噪声n n6、噪声带宽8/31/20242提纲HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生1、噪声的统计特性、噪声的统计特性n n噪声的噪声的平均功率平均功率是可以被预测的。是可以被预测的。为了便于计算，用为了便于计算，用V V2 2来表示而不用来表示而不用
2、WW，可将噪声定义一个均方根电压可将噪声定义一个均方根电压8/31/20243噪声的统计特性HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n1.1 1.1 噪声谱噪声谱 也称为也称为“ “功率谱密度功率谱密度” ”（PSDPSD），表示在每个频率上（噪），表示在每个频率上（噪声）信号具有的功率的大小。声）信号具有的功率的大小。噪声波形噪声波形x x( (t t) )的的PSDPSD，记为，记为S Sx x( (f f) )，被定义为，被定义为f f附近附近1Hz1Hz的带的带宽内宽内x x( (t t) )具有的平均功率。具有的平均功率。S S
3、x x( (f f) )用用V V2 2/Hz/Hz表示，通常对表示，通常对S Sx x( (f f) )取平方根，以取平方根，以 表示表示其结果。其结果。8/31/20244噪声的统计特性HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n1.1 1.1 噪声谱（续）噪声谱（续） 定理定理7-17-1：如果把噪声谱为：如果把噪声谱为S Sx x( (f f) ) 的一个信号加在一个传的一个信号加在一个传输函数是输函数是H(s)H(s)的线性时不变系统上，则输出谱由下式给的线性时不变系统上，则输出谱由下式给出。出。式中式中H(H(f f )=H(s
4、=)=H(s=j j22f f ) )8/31/20245噪声的统计特性HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n1.2 1.2 相关噪声源与非相关噪声源相关噪声源与非相关噪声源 在噪声分析中，关心的是平均噪声功率。对于两个噪在噪声分析中，关心的是平均噪声功率。对于两个噪声，平均噪声功率为声，平均噪声功率为对于对于不相关不相关的波形（不同的噪声机制），结果中的积的波形（不同的噪声机制），结果中的积分就变成分就变成0 0，非相关噪声源，非相关噪声源功率功率的叠加是成立的。的叠加是成立的。8/31/20246噪声的统计特性HIT Microe
5、lectronicsHIT Microelectronics王永生王永生2、器件的噪声类型、器件的噪声类型n n2.1 热噪声n n电阻热噪声电阻热噪声例：例：5050的电阻在的电阻在T=300KT=300K时的热噪声为时的热噪声为8.28108.2810-19-19V V2 2/Hz/Hz。换算成电压量，得到换算成电压量，得到0.91nV/Hz0.91nV/Hz1/21/2. . k k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数可以用一个可以用一个串联的电压源串联的电压源来模拟来模拟8/31/20247噪声的噪声类型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永
6、生n n2.1 热噪声（续）n nRCRC电路电路V VR R到到V Voutout的传输函数为的传输函数为根据定理根据定理7-17-1，V Voutout的噪声谱为的噪声谱为则总噪声功率，则总噪声功率，8/31/20248噪声的噪声类型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.1 热噪声（续）n n电阻的热噪声也可用电阻的热噪声也可用并联的电流源并联的电流源模型表示模型表示单位为单位为A A2 2/Hz/Hz例：例：8/31/20249噪声的噪声类型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永
7、生王永生n n2.1 热噪声（续）n nMOSMOS的热噪声的热噪声 在沟道中产生热噪声在沟道中产生热噪声withwith其中，系数其中，系数 （非体效应系数）（非体效应系数） 对于长沟器件，对于长沟器件， 2/32/3 对于短沟器件，对于短沟器件， 2 2、3 3或或更大。更大。 欧姆区的热噪声欧姆区的热噪声 对于较宽的晶体管，源和漏的电阻可以忽略对于较宽的晶体管，源和漏的电阻可以忽略 栅的集总电阻栅的集总电阻R R1 1比分布总电阻比分布总电阻R RGG小，小， R R1 1 R RGG/3/38/31/202410噪声的噪声类型HIT MicroelectronicsHIT Microe
8、lectronics王永生王永生n n2.1 闪烁噪声n n闪烁噪声闪烁噪声 “ “悬挂悬挂” ”键键 用用一个与栅极串联的电压源模拟一个与栅极串联的电压源模拟K K是一个与工艺有关的常量，是一个与工艺有关的常量，数量级在数量级在1010-25-25V V2 2F F 转角频率转角频率8/31/202411噪声的噪声类型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生3、电路中的噪声表示、电路中的噪声表示n n输入参考噪声 首先计算总输出噪声电压；首先计算总输出噪声电压； 在电路输入端用一个信号源在电路输入端用一个信号源 代表电路中所有噪声源的影响；
9、代表电路中所有噪声源的影响； 将将输入置为零，计算各噪声源在输入置为零，计算各噪声源在输出产生的总噪声输出产生的总噪声 然而，输出噪声与电路的增益有然而，输出噪声与电路的增益有关，无法对不同的电路的噪声性关，无法对不同的电路的噪声性能进行比较能进行比较 更更一般地，对于任何二端口电路，输一般地，对于任何二端口电路，输入参考噪声采用电压源和电流源表示入参考噪声采用电压源和电流源表示 根据根据信号源和电路的输入阻抗，来确信号源和电路的输入阻抗，来确定采用噪声源的电路形式定采用噪声源的电路形式 而且要考虑二个噪声源的相关系数而且要考虑二个噪声源的相关系数8/31/202412电路中的噪声表示HIT
10、MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生GDSSCGDCGSgmvGSrovGSVDS欲欲 热噪声，热噪声，需需IIDD、 W W、 L LGDSSCGSgmvGSrOvGSvDSCGD欲欲 闪烁噪声，闪烁噪声，需需W LW LTradeoffTradeoff？n n例：例：MOSMOS管的噪声管的噪声8/31/202413电路中的噪声表示HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生4、单级放大器中的噪声、单级放大器中的噪声n n4.1 共源级的噪声请同学们思考：低噪声的共源级电路如何设计？请同学们思考
11、：低噪声的共源级电路如何设计？TradeoffTradeoff？8/31/202414单级放大器中的噪声HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n4.2 共栅级的噪声电路输入阻抗低，不能忽略输入参考噪声电流电路输入阻抗低，不能忽略输入参考噪声电流忽略沟道长度调制，考虑忽略沟道长度调制，考虑热噪声热噪声，1/f1/f噪声同理计算噪声同理计算电流源等效电流源等效电压源等效电压源等效8/31/202415单级放大器中的噪声HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n4.3 共漏级（源跟随器）
12、的噪声电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流考虑热噪声，考虑热噪声，1/f1/f噪声同理计算，噪声同理计算，MM2 2在输出导致的输出噪声在输出导致的输出噪声8/31/202416单级放大器中的噪声HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n4.4 共源共栅级的噪声电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流忽略沟道长度调制，考虑忽略沟道长度调制，考虑热噪声热噪声， 1/f1/f噪声同理计算噪声同理计算共栅的共栅的M2M2的噪声对的噪声对V Vn,outn,out没有影响没有影响
13、低频时，低频时， M M1 1和和R RDD 的噪声电路流过的噪声电路流过R RDD，MM1 1和和R RDD贡献的噪声可以像共源贡献的噪声可以像共源级电路一样量化级电路一样量化M18/31/202417单级放大器中的噪声HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生5、差动对中的噪声、差动对中的噪声n n差动对为二端口电路差动对为二端口电路n n由于输入阻抗很大（电压工作型电路），低频工作时，可由于输入阻抗很大（电压工作型电路），低频工作时，可以忽略以忽略 的影响的影响8/31/202418差动对中的噪声HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n差动对的输入参考噪声差动对的输入参考噪声忽略沟道长度调制忽略沟道长度调制各噪声是非相关的，功率量可以叠加各噪声是非相关的，功率量可以叠加8/31/202419差动对中的噪声HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生6、噪声带宽、噪声带宽考虑一个多极点电路，总输出考虑一个多极点电路，总输出噪声的功率噪声的功率B Bn n为为“ “噪声带宽噪声带宽” ”。一个单极点系统的噪声带宽等一个单极点系统的噪声带宽等于该极点对应频率的于该极点对应频率的/2/2倍。倍。8/31/202420噪声带宽
