模拟集成电路噪声1课件

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b)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的影响信号是非理想的，包含信息本身和另一些1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，只和信号有关均方根电压（rms）单位是V。噪声的统计特性噪声平均功耗对一个周期性的电压 2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：信号噪声的统计特性信噪比（SNR）假定一个结点的信号Vs，具有功3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。噪声的统计特性功率谱频域表示既然噪声是一种信号，则它随频率4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。噪声的统计特性单边功率谱因为x(t)是实数，可以证明Sx(5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: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V2/6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：噪声的统计特性噪声带宽 如果一个理想的滤波器（bri7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。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8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。环境噪声包含电源热9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。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10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。噪声类型例：电阻并联。直观地，二个电阻等效为一个电阻，是二个11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。噪声类型MOS晶体管噪声：沟道噪声：用电流源模拟。其中系数12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。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13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)和W、L成反比。c)K是一个和工艺有关的常数。噪声类型闪烁噪声（1/f 噪声）：产生的原因：栅氧化和硅界面14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，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15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16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+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。电路的输入参考噪声 输出噪声和电路的增益有关，17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18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。电路的噪声可以证明：同时用 和 19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。电路的噪声噪声电流源 使输入开路，根据输入噪声 20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共源级（前面的例子）若要放大栅极的电压，输21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，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22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23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单级放大器中的噪声共栅级：特点是输入阻抗很小，同时考虑输入噪24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：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。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25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：单级放大器中的噪声偏置电流源引入的噪声M2 的影响：M2的噪26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。单级放大器中的噪声1/f 噪声的影响：输入接地:输入开路：M27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。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 的影响增大单级放大器中的噪声共源共栅级：输入阻抗很大，忽略输入噪声电流28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：单级放大器中的噪声源跟随器：同样，输入阻抗很大，可忽略输入噪29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。单级放大器中的噪声差动放大器：考虑M1、M2和RD，用电流源30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。单级放大器中的噪声差动放大器：1/f 噪声等效在栅极。MOS31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。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32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。单级放大器中的噪声折叠结构：M1、M2是输入对管，M9、折叠33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：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34单级放大器中的噪声总的热噪声：第二级的噪声可忽略。例：单级放大器中的噪声总的热噪声：第二级的噪声可忽略。35