模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第7章噪声(二)

模拟集成电路设计第7章噪声（二）董刚[e-mail]微电子学院112In,MOS222上一讲噪声的统计特性平均功率Pav=limtTT/2T/22x(t)dt噪声谱（功率谱密度PSD）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型Vn=4kTR(f)环境噪声和器件噪声热噪声和闪烁噪声In2=4kTR(f)Vn,MOS=K1CoxWLf西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=4kT(gm)323上一讲电路中噪声的表示串联的输入参考噪声电压并联的输入参考噪声电流西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计4本讲噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22起作用5辅助定理用于简化噪声分析和计算定理内容源漏之间的噪声电流源可以等效为与栅级串联的噪声电压源（对任意的ZS），反之亦可条件：均由有限阻抗驱动；低频时Vn2,gate=In,DS/gm若驱动阻抗无限大，则右图中Vn2一端悬浮，无法高频时，栅电压到源漏电流的跨导会西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计随频率改变26辅助定理的证明思路：考察这两个电路在下列条件成立时是否真等效？Vn,gate=I2n,DS/g2m证明：输出阻抗相同，只考察输出短路电流是否相等即可In,out1In,out2==InZS(gm1/rO)1gmVnZS(gm1/rO)1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计7本讲噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计2K124kT2V21=4kTK121208共源级2n,out=4kTgm3CoxWLfRDgmRDV2n,in=Vn2,outAv203gmgmRDCoxWLfI2n,in=2Zin4kT23gm1K1gmRDCoxWLf（低频时）西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计21=4kTK122K124kT2V9共源级做放大器器适用时，增大gm可LN增大RD可LNV2n,in=Vn2,outAv203gmgmRDCoxWLf2n,out=4kTgm3CoxWLfRDgmRD做电流源使用时，减小gm可LN西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22222213gm1322gm2=4kT210共源级－实例分析M1和M2均工作在饱和区。计算：1、输入参考热噪声电压2、若负载电容为CL，求总输出热噪声3、若输入是振幅为Vm的低频正弦信号，求输出信噪比1、求输入参考热噪声电压V2n,out=4kTgm1gm2(rO1rO2)233Vn,in=Vn,out/Av0=4kTgm1gm22增大gm1、减小gm2，可LN3gm13gm1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22V22312V2CLkT11共源级－实例分析2、若负载电容为CL，求总输出热噪声2n,out=4kTgm1gm2(rO1rO2)332频带内积分，得总输出热噪声2n,out,tot=0[4kTgm13gm2(rO1rO2sCL)]df=(gm1gm2)(rO1rO2)3增大CL可以LN，但牺牲带宽；而带宽由输入信号带宽决定西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计2VkTVm23=12共源级－实例分析3、若输入是振幅为Vm的低频正弦信号，求输出信噪比1、增大CL可以提高SNR，但牺牲带宽；2n,out,tot=(gm1gm2)(rO1rO2)3kTCL2、增大gm1、减小gm2可以提高SNR3、增大Av0可以增大SNR输入信号在输出端产生的信号振幅为：gm1(rO1rO2)VmSNR为功率之比：SNRout=(gm1gm2)(rO1rO2)[gm1(rO1rO2)Vm/2]2CL23CLgm1(rO1rO2)24kTgm1gm2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计L21=4kTK12221gm21KPgm2KN1=4kTVn2,in1322共源级的LN设计减小热噪声：增大IDS使gm1最大，牺牲功耗和输出摆幅增大W使gm1最大，会增大寄生电容减小1/f噪声：gm=2nCoxWID增大WL，但增大寄生电容降低速度V2n,in=Vn2,outAv203gmgmRDCoxWLf3gm1gm1COX[(WL)2gm1(WL)1]f西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计14本讲噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计15共栅级先只考虑热噪声计算输入参考噪声电压思路：将输入短接到地（相当于驱动源内阻为零情形），计算输出端噪声电压；再除以低频增益Av0西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计24kT22221)16输入参考热噪声电压Vn2,in=Vn2,outAv20=(4kTgm)RD3RD(gmgmb)RD=4kT(gm3RD(gmgmb)2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计17输入参考热噪声电流思路：将输入断路（相当于驱动源内阻为无穷大情形），计算输出端噪声电压；再I2n,in=4kTRD2RD=4kTRD计算输入增益In12对Vn,out2的计算无影响共栅级的缺点：由于从输入到输出的电流增益为1，因此，负载电阻的噪声电流将直接反映在输入端西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计[1gm1KNgm3KP1[]2=]RoutIn,in=[[]18输入参考1/f噪声电压和电流计算输入参考1/f噪声电压和电流输入短接地，计算输入参考1/f噪声电压Vn2,out=1COX22gm1KNgm3KPf(WL)1(WL)3](rO1rO3)2Vn2,in=Vn2,outAv2022把输入参考1/f噪声和输COXf(WL)1(WL)3(gm1gmb1)入参考热噪声相加，可输入开路，计算输入参考1/f噪声电流得输入参考总噪声Vn2,out=1COX22gm2KNgm3KP22f(WL)2(WL)3221gm2KNgm3KPCOXf(WL)2(WL)3西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计21I19偏置电路对噪声的影响2n24kTgm23ID=gm(VGSVTH)2忽略M0的噪声的影响（电容C0将该噪声旁路到地）输入短接地，计算输入参考噪声电压:M2的噪声对计算结果无影响输入开路，计算输入参考噪声电流：M2的噪声电流直接与前面计算的结果相加即可。减小gm2可以减小M2贡献的输入参考噪声电流对于给定偏置电流，减小gm2需要增大过电压，导致输入摆幅减小西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计[]2[I]24kT22221==)20共栅级的噪声特点热噪声从输入到输出的电流增益为11/f噪声增大WLVn2,in,1/f=1COX22gm1KNgm3KP1f(WL)1(WL)3(gm1gmb1)22n,in,热噪声=4kTRD2RD=4kTRDIn,in,1/f=1COX22gm2KNgm3KPf(WL)2(WL)3Vn2,in,热噪声=Vn2,outAv20(4kTgm)RD3RD(gmgmb)RD4kT(gm3RD(gmgmb)2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计21本讲噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22I11=4kT=VM222Vn,inn12Av=222源跟随器用前面方法，计算输入参考1/f噪声电压计算输入参考热噪声电压:输入短接地2n2=4kTgm23V2n,outM2=In2(11gm1gmb1rO1rO2)1rO1rO2gmb1rO1rO2gmb1gm1Vn2,out21gm2Av3gm1gm1增益小于1，因此输入参考噪声较大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计23本讲噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计21=4kT2V|n,inM1,RD=1Vn2rO1242共源共栅级3gmgmRD只考虑热噪声Vn,outRDM2的噪声对输出噪声的贡献很小，因为图（c）中从M2栅极到输出的增益很小（同带源极负反馈的放大器）gm2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计25共源共栅级在高频时X节点的电容会使得从M2栅极到输出的增益变大，增大输出噪声Vn,outVn2=RD1/sCx1gm2高频时，X节点的电容还会旁路M1产生的信号电流，从而减小Vin到Vout的增益，导致输入参考噪声电压增大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计26本讲噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声电路中噪声的表示单级放大器中的噪声共源、共栅、共漏、共源共栅差分对中的噪声噪声带宽西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计27差分对可以看作二端口电路低频时输入端口看到的输入阻抗很大，使得输入参考噪声电流可忽略计算输入参考热噪声电压西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计28计算输入参考热噪声电压计算输入参考热噪声电压：需要将输入短路思路：求出总输出参考热噪声电压，除以差动增益的平方即可西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计2229计算输入参考热噪声电压求出总输出参考热噪声电压In1和In2不相关，P点不能当作交流地，因此，无法用半电路法来简化计算计算方法：分别计算每个噪声源对输出的影响，然后总叠加Vn,out|M1=In12RD1In12RD2若RD1=RD2，则：Vn2,outM1=In1RD西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计222Vn,in2222121=4kTD230计算输入参考热噪声电压求出总输出参考热噪声电压加上RD的噪声，总输出噪声电压为：Vn2,out=(In21In22)RD2(4kTRD)=8kT(gmRDRD)32Vn,in=2=Av08kT(gmRDRD)322gmRD=8kT(2)3gmgmRD输入参考噪声电压是共源级的两倍V2n,in,CS3gmgmR西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22K12212K1=8kT2231输入参考热噪声电压的简化计算如果把M1、M2、RD的噪声用噪声电压源来表示，计算会很简单Vn1=4kT3gmCoxWLfVn2,RD1=4kTRDVn,in3gmgmRDCoxWLfIn,in0(低频时)因为输入阻抗在低频时很大西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=2nCOX(WISSI32尾电流源的噪声影响若差分信号为零且电路对称ISS的噪声平均分配给M1和M2，只在输出端产生一个共模噪声电压若差分信号不为零ISS上的噪声会调制M1和M2管的跨导，产生差分输出噪声通常忽略ID1ID2=gmVinWISSInL2ID1ID22nCOX(1n)VinL22ISS)Vin=gm0(1In)Vin2ISS西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计33本讲噪声噪声的统计特性噪声谱（频域）幅值分布（时域）相关噪声源和非相关噪声源噪声的类型热噪声闪烁噪声