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1、模拟集成电路噪声第1页，本讲稿共36页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。第2页，本讲稿共36页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：则，随机信号 的平均功耗 定义为：测量时间很长，。X(t)是电压值。定义：单位是V2
2、，只和信号有关均方根电压（rms）单位是V。第3页，本讲稿共36页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：当信号和噪声的均方根电压值相等时，SNR=0dBm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：信号第4页，本讲稿共36页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。第5页，本讲稿共36页噪声的统计特性单边功率谱因为
3、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。第6页，本讲稿共36页噪声的统计特性噪声谱和均方根功率的关系为噪声谱，单位是V2/Hz。噪声谱的另一种表示为 ，单位是 。噪声传输定理：若把噪声谱为Sx(f)的信号加到传输函数为H(s)的 线性时不变 系统上。则输出谱是:第7页，本讲稿共36页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。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：第8页，本讲稿共3
4、6页噪声的统计特性相关和非相关噪声源有二个噪声源：第三项表示二个噪声源之间的相关性，若二者非相关，则：在大多数情况下，噪声源是非相关的，可以使用叠加原理。第9页，本讲稿共36页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，和温度成正比单位是特点：；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。平均功率不变第10页，本讲稿共36页噪声类型例：RC电路的噪声输出总功率：结论：噪声和R无关，和C成反比。第11页，本讲稿共36页噪声类型例：电阻并联。直观地，二个电阻等效为一个电
5、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。第12页，本讲稿共36页噪声类型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。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。a)在恒流源情况下b)噪声和输入的位置无关。第13页，本讲稿共36页噪声类型MOS的栅极寄生电阻噪声：分布电阻可以证明：减少栅电阻的方法：折叠、二边加孔。第14页，本讲稿共36页噪声类型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a)和频率成反比。b
6、)和W、L成反比。c)K是一个和工艺有关的常数。第15页，本讲稿共36页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：对于短沟道器件，第16页，本讲稿共36页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第17页，本讲稿共36页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
7、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+理想放大器M1 和 RD 产生的输出噪声为但是，输入信号也放大了A1倍，SNR不变。第18页，本讲稿共36页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第19页，本讲稿共36页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。若输入阻抗很小，信号源的阻抗很大，则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
8、电压源验证：输入短路，计算输出噪声，得到相同的输出噪声。第20页，本讲稿共36页电路的噪声b)噪声电流源 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。第21页，本讲稿共36页单级放大器中的噪声1)共源级（前面的例子）若要放大栅极的电压，输入噪声越小越好若M1是恒流源，则显然，M1作
9、为恒流源和电压放大应用时的设计要求是不同的。第22页，本讲稿共36页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，输出阻抗是显然，M1是放大管，M2是恒流管，第23页，本讲稿共36页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。噪声和负载CL成反比，若输入是正弦波，信号功率为负载CL，SNR，带宽第24页，本讲稿共36页单级放大器中的噪声2)共栅级：特点是输入阻抗很小，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计算输入参考噪声电压第25页，本讲稿共36页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
10、的电流和为零。M1 的热噪声在输出不产生噪声。即：加入输入参考噪声电流：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。第26页，本讲稿共36页单级放大器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，M2的噪声电流直接加到输出端输出摆幅下降。M3的影响：负载的噪声影响类似于共源级，要求：第27页，本讲稿共36页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。输入开路：M1没有影响，类似共源共栅级。第28页，本讲稿共36页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
11、级一样量化。M2 的影响：等效成噪声电流源 对输出没有影响。若X点的寄生电容很大，等效为噪声电压源分析。高频时，增益增加，Vn2 的影响增大第29页，本讲稿共36页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：等效到M1的栅极：第30页，本讲稿共36页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。第31页，本讲稿共36页单级放大器中的噪声5)差动放大器：1/f 噪声等效在栅极。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，单端的情况和共源级一致。第32页，本讲稿共36页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。第33页，本讲稿共36页单级放大器中的噪声折叠结构：M1、M2是输入对管，M9、M10是负载。M7、M8是电流源。M7、M8的噪声：折叠结构比套筒式多了一项M7,8的噪声。第34页，本讲稿共36页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M1M4的噪声：第35页，本讲稿共36页单级放大器中的噪声总的热噪声：第二级的噪声可忽略。例：第36页，本讲稿共36页