模拟集成电路噪声1课件.ppt

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1、噪声的统计特性 噪声的影响a) 信号是非理想的，包含信息本身和另一些成分 例如：由非对称电路引入的共模差模，噪声。b) 当信号幅度下降时，噪声本身没有下降，则信噪比下降c) 噪声问题常和功耗、速度、线性度等参数相互制约。 什么是噪声？ 噪声是一个随机过程，噪声的值在任何时候都不可能被预测。 噪声的统计模型 在很多情况下，噪声的平均功率可以被预测，电路中的大多数噪声显示出固定的平均功耗。噪声的统计特性 噪声平均功耗对一个周期性的电压 ，在一个负载电阻R上消耗的平均功耗： tv dtRtvTPTTav2221则，随机信号 的平均功耗 定义为： txavP dtRtxTPTTTav2221lim测量

2、时间很长， 。X(t) 是电压值。T定义： 单位是V2，只和信号有关 dttxTPTTTav2221lim 均方根电压（rms） 单位是V。avP噪声的统计特性 信噪比（SNR）假定一个结点的信号Vs，具有功耗 和噪声功耗信噪比定义为：)()()(2)(2log20log10log10rmsnrmssrmsnrmssVVVVpowernoisepowersignalSNR)(2rmssV)(2rmsnV当信号和噪声的均方根电压值相等时，SNR =0 dBm表示 dB单位表示两个功耗的相对的比值。 同时，知道绝对值是有意义的，dBm是一种表示方法。 定义：所有的功率值以1mw作为参考标准。例：信

3、号,01dbmmwdbmw301噪声的统计特性 功率谱频域表示既然噪声是一种信号，则它随频率的改变而变化，具有自己的噪声谱。功率谱计算S(f)：f附近1Hz带宽内信号具有的平均 功率。 S(f) 的区间为-，+ ， 双边噪声谱。 噪声的统计特性单边功率谱因为x(t) 是实数，可以证明Sx(f) 是fx的偶函数。将双边谱折叠， 0，+ 的Sx(f)*2单边谱。例，白噪声，在所有频率下具有相同的值。噪声的统计特性噪声谱和均方根功率的关系 dffVrmsVnn022 fVn2为噪声谱，单位是V2/Hz。噪声谱的另一种表示为 ，单位是 。 fVnHzV / 噪声传输定理：若把噪声谱为Sx(f)的信号加

4、到传输函数为H(s)的 线性时不变 系统上。则输出谱是: 2)()(fHfSfSxy噪声的统计特性 噪声带宽 如果一个理想的滤波器（brick-wall filter）和一个电路输出的噪声谱的 相同，则这个滤波器的带宽就是噪声带宽。 fVn2 dffVBVnno022例：一个单极点系统的噪声带宽等于该极点对应频率的/2倍。即：12fBn噪声的统计特性 相关和非相关噪声源有二个噪声源： tx1 tx2 dttxtxTPPdttxtxTPTTTavavTTTav22212122221211limlim第三项表示二个噪声源之间的相关性，若二者非相关，则： 012221limdttxtxTTTT21a

5、vavavPPP在大多数情况下，噪声源是非相关的，可以使用叠加原理。噪声类型电路噪声可分成器件噪声和环境噪声。环境噪声包含电源或地线、衬底等的随机干扰。只考虑器件的噪声。1. 热噪声电阻噪声：导体中的电子的随机运动引起的，和温度成正比 kTRfSV40f单位是HzV /2特点： ；是白噪声； 噪声是随机量，极 性并不重要，但在电路分析中应保持不变。 fSTV22nnIRV平均功率不变RkTIn42噪声类型例：RC电路的噪声 kTRfSR4 RCsfH11 222224114fCRkTRfHfSfSRout输出总功率：202222,4114VCkTdffCRkTRPoutn结论：噪声和R无关，和

6、C成反比。噪声类型例：电阻并联。直观地，二个电阻等效为一个电阻，即：一个噪声源。是二个非相关的噪声源，采用电流源模拟更方便。2122212114RRkTIIInnn212,/44RRkTkTRVoutn212212,2,/4/RRkTRRIVoutnoutn噪声类型MOS晶体管噪声：沟道噪声：用电流源模拟。其中系数和体效应无关。mngkTI42对长沟道，=2/3。短沟道的增加。例：MOS管的噪声电压 使输入为零。 2222324omonnrgkTrIV2nmVga) 在恒流源情况下b) 噪声和输入的位置无关。噪声类型MOS的栅极寄生电阻噪声：分布电阻可以证明：GRR31122314omGnrg

7、RkTV减少栅电阻的方法： 折叠、二边加孔。噪声类型2. 闪烁噪声（1/f 噪声）：产生的原因：栅氧化和硅界面有悬挂键（Si 一侧） 能级 载流子的随机俘获和释放 在漏电流中产生“闪烁”噪声。用一个和栅极串联的电压源模拟fWLCKVoxn12a) 和频率成反比。b) 和W、L成反比。c) K是一个和工艺有关的常数。2nVWL2nVfFV22510噪声类型闪烁噪声的转角频率：对一个MOS器件，热噪声和闪烁噪声哪一个是更重要的？可以用闪烁噪声的频率表示。在低频时，1/f 噪声是主要的。在高频时，热噪声是主要的。转折频率点：mmCoxngkTgfWLCKI4122WLgCKkTkTgWLCKfmox

8、moxC834对于短沟道器件，MHzkHzfC1500电路的噪声考虑量化一个电路的噪声影响： 测量电路的输出噪声方法：将输入置为零，计算电路中各种噪声源在输出 产生的总噪声。输出噪声是实际的噪声，可采 用仿真和实验的测量方法。例: 共源级的总输出噪声mmCoxmmfnngkTgfWLCKgkTgVI32413242221 ,21222/4324DDmoxmnRRkTgWLfCKgkTV 电路的输入参考噪声 输出噪声和电路的增益有关，无法对不同电路的噪声性能进行合理的比较。 将输出噪声等效到输入端，用一个输入参考噪声电压进行比较。 输入参考噪声电压是一个虚拟量，不能测量到。电路的噪声例：共源级+

9、理想放大器M1 和 RD 产生的输出噪声为2122/4324ARRkTgWLfCKgkTDDmoxm2121,2,AVVoutnoutn但是，输入信号也放大了A1倍，SNR不变。电路的噪声输入参考电压可表示在一定SNR条件下，输入信号有多小。表示输入信号被噪声损坏的程度。例: 共源级的输入参考噪声22,2,/ AVVoutninnDmoxmmDmoxminnRgkTWLfCKgkTgRkTgWLfCKgkTV2222,143241/4324AVVinnoutn,电路的噪声可以证明：同时用 和 表示任何线性端口电路的噪声是充分和必要的。2,innV2,innI若输入阻抗很小，信号源的阻抗很大，则

10、用电压源模拟输入参考噪声时，噪声0。故必须有一个串联电压源和一个并联电流源怎样计算？a) 噪声电压源 输入为零得到输入噪声等效到输入电压源验证：输入短路，计算输出噪声， 得到相同的输出噪声。电路的噪声b) 噪声电流源2,innI 使输入开路， 根据输入噪声 ，推导输出噪声， 求输入开路时器件噪声产生的输出噪声， 二种输出噪声相等，得到输入噪声电流源。c) 噪声源的相关性 输入参考噪声电压源和电流源是相关的，同时用电压源和电流源表示输入参考噪声，并没有将噪声重复计算。 利用输入参考噪声电压源和电流源在输出产生的总噪声，必须采用电压叠加的方式，就像对待二个独立的激励源一样，而不能采用功耗叠加的方法

11、。单级放大器中的噪声1) 共源级（前面的例子）DmoxminnRgkTWLfCKgkTV22,14324VinnmAVg,2,若要放大栅极的电压，输入噪声越小越好若M1是恒流源，则mmCoxngkTgfWLCKI32412212, 1 outnmIg显然，M1作为恒流源和电压放大应用时的设计要求是不同的。单级放大器中的噪声MOS 管负载共源级计算输入参考噪声电压用电流源表示输出热噪声，输出阻抗是21/oorr21212122212,/32324/oommoonnoutnrrggkTrrIIV212122122,2,32324132324mmmmmmVoutninngggkTgggkTAVV21

12、1/oomVrrgA显然，M1是放大管， ，M2是恒流管，1mg2mg单级放大器中的噪声若接负载CL,则总的噪声是在0f区间内的积分。 )1 (2/1/323242221221212,HzfCrrrrggkTVLoooommoutnLoommoutntotoutnCkTrrggdfVV212102,2,/32噪声和负载CL成反比，2,totoutnLVC若输入是正弦波，信号功率为22112/moomVrrg221212121212211/43/322/mmmoomLLoommmoomVggrrgkTCCkTrrggVrrgSNR负载CL，SNR，带宽单级放大器中的噪声2) 共栅级：特点是输入阻

13、抗很小，同时考虑输入噪声电压和电流输入接地，用二个电流源来表示噪声22,14324DDmoutnRRkTgkTV计算输入参考噪声电压DmbmVRggA22,222,14324DDminnDmbmoutnRRkTgkTVRggV22,1324mbmDminnggRgkTV单级放大器中的噪声计算输入参考噪声电流令M1 的源极开路，则，M1 源极的电流和为零。M1 的热噪声在输出不产生噪声。即： 011DnIIDoutnRkTI42,DoutnkTRV42,加入输入参考噪声电流：2,22,outnDoutnVRIDinnRkTI42,因为没有电流增益，输入参考噪声电流源就是负载噪声电流源。单级放大器

14、中的噪声偏置电流源引入的噪声M2 的影响：输入接地时，M2对输出噪声没有贡献。输入开路时，2,222outnoutnVRIM2的噪声电流直接加到输出端2,222outnnmVIgbeffeffmVVtconsIVIg,tan2输出摆幅下降。M3的影响：负载的噪声影响类似于共源级，要求：3mg单级放大器中的噪声1/f 噪声的影响：输入接地:M2没有影响，类似共源级的噪声。221232112,/1oompPmnNoxoutnrrgWLKgWLKfCV3111/oombmVrrggA211232112,11mbmmpPmnNoxoutngggWLKgWLKfCV输入开路：M1没有影响，类似共源共栅级

15、。2232222,1outmpPmnNoxoutnRgWLKgWLKfCV单级放大器中的噪声3) 共源共栅级：输入阻抗很大，忽略输入噪声电流源。热噪声：M1、RD和共源级一样量化。DmminnRgkTgkTV22,14324M2 的影响：等效成噪声电流源 对输出没有影响。220nDII若X点的寄生电容很大，等效为噪声电压源分析。很小很大，低频时Vs222,AR1 smDmnoutnVRgRgVVA高频时， 增益增加，Vn2 的影响增大sCRxs1单级放大器中的噪声4) 源跟随器：同样，输入阻抗很大，可忽略输入噪声电流源。计算输入噪声电压：M1 用电压源表示：M2 用电流源表示：12,12,Mi

16、nnMoutnVV222324mngkTI211222112222,11/1mbmnmbmnMoutnggIggIV等效到M1的栅极：211mmmVgggA212122, 2212,1324mmmVoutnntotinngggkTAVVV单级放大器中的噪声5) 差动放大器：考虑M1、M2和RD，用电流源表示DmDmnRnnoutnRgkTRkTgkTIIII13282423242222212,DDmDoutnoutnRRgkTRIV222,2,328DmVRgADmmVoutninnRggkTAVV222,2,1328输入参考噪声电压是共源级的二倍，器件增加导致噪声增加。单级放大器中的噪声5)

17、 差动放大器：1/f 噪声等效在栅极。fWLCKRggkTAVVoxDmmVoutninn121328222,2,MOS 负载和单端输出的差动对的情况：MOS 负载：根据共源级的公式，2133121312,1212232324mmoxPoxNmmminnggfWLCKfWLCKgggkTV单端的情况和共源级一致。单级放大器中的噪声套筒式结构：在共源共栅级中，低频时，共栅器件的噪声影响可忽略。故只有M1、M7的噪声对输出有影响。又，共源共栅级的噪声公式和共源级相同。2177121712,1212232324mmoxPoxNmmminnggfWLCKfWLCKgggkTV单级放大器中的噪声折叠结构

18、：M1、M2是输入对管，M9、M10是负载。M7、M8是电流源。M7、M8的噪声：272,3242outmoutnRgkTV2178 ,72,3242mmMinnggkTV折叠结构比套筒式多了一项M7,8的噪声。单级放大器中的噪声二级运放的情况：计算输入参考噪声考虑第二级的噪声275572,/3242oommoutnrrggkTV23125215727525231212755722212,52,/316/3242oommmmoomoomoommVVoutnMinnrrggggkTrrgrrgrrggkTAAVVM1M4的噪声：2131412,3242mmmMMinngggkTV单级放大器中的噪声总的热噪声：231257531212,/1316oommmmmmtotinnrrggggggkTV第二级的噪声可忽略。 例：./30,/75, 6 . 0/56/, 6 . 0/20/, 6 . 0/10/, 6 . 0/50/227531VACVACLWLWLWLWoxpoxn54. 3311mmVggAHzVAgggkTVvmmmMinn/1029. 2/3/2421821257552,HzVVMinn/1010. 121712,HzVVVVMinnMinninn/1066. 2221752,12,2,