8噪声

噪声•噪声的统计特性•噪声类型热噪声闪烁噪声•电路中的噪声•单级放大器中的噪声共源级源跟随器共栅级共源共栅级差动放大器的频率特性噪声的统计特性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dtRtvTPTTav2221则，随机信号的平均功耗定义为：txavPdtRtxTPTTTav2221lim测量时间很长，。X(t)是电压值。T定义：单位是V2，只和信号有关dttxTPTTTav2221lim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：信号,01dbmmwdbmw301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dffVrmsVnn022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-wallfilter）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dffVBVnno022例：一个单极点系统的噪声带宽等于该极点对应频率的π/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dttxtxTPPdttxtxTPTTTavavTTTav22212122221211limlim第三项表示二个噪声源之间的相关性，若二者非相关，则：012221limdttxtxTTTT21avavavPPP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kTRfSV40f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RCsfH11222224114fCRkTRfHfSfSRout输出总功率：202222,4114VCkTdffCRkTRPoutn结论：噪声和R无关，和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。2122212114RRkTIIInnn212,//44RRkTkTRVoutn212212,2,//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γ和体效应无关。mngkTI42对长沟道，γ=2/3。短沟道的γ增加。例：MOS管的噪声电压使输入为零。2222324omonnrgkTrIV2nmVga)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：GRR31122314omGnrgRkTV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fWLCKVoxn12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。2nVWL2nVfFV22510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：mmCoxngkTgfWLCKI4122WLgCKkTkTgWLCKfmoxmoxC834对于短沟道器件，MHzkHzfC1500~