模拟CMOS集成电路设计拉扎维第篇噪声一PPT学习教案.pptx

《模拟CMOS集成电路设计拉扎维第篇噪声一PPT学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟CMOS集成电路设计拉扎维第篇噪声一PPT学习教案.pptx（40页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、会计学 1模拟 CMOS 集成电路(jchng-dinl)设计拉扎维第篇噪声一第一页，共40 页。)2上一讲频率特性电路(dinl)性能指标随信号频率的变化特性考虑(kol)电容、电感等参数对频率敏感的元件的影响Av=VYVX用s 域分析(fnx)法来分析(fnx)频率特性密勒定理Z1=Z(1 Av)Z2=Z1(1 A v)一种为了方便电路分析而进行的电路转换X 和Y 之间只有一个信号通路时往往不适用阻抗Z 和信号主通路并联时适用极点-节点的关联每个节点对应一个极点节点之间有相互作用时不再是每个节点贡献一个极点H(s)=A v 0 V outV in(1+(s)sp 1)(1+1sp 2)(1

2、+sp 3西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第1 页/共40 页第二页，共40 页。(s)=Vin s s out=1in=s s s Rin=23DB+CGDCDB)+sRS(1+gmRD)CGD上一讲共源级的频率特性传输函数（增益）和输入阻抗用极点-节点关联法计算(j sun)简单直观。有误差；没反映出零点Vout gm RD(1+)(1+)in outRS CGS+(1+g m RD)CGD 1(CGD+CDB)RDVoutVin(s)=1 z+1+1 p1 p 2 用完整等效电路推导(tudo)法计算复杂，但结果精确，反映了零点的影响1+RD(CGD+CDB)s 1CGDs(1+gm

3、RD+RDCDBs)CGS svo(sCGD gm)RDvi s RS RD(CGSCGD+CGSC 西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计+RSCGS+RD(CGD+CDB)+1第2 页/共40 页第三页，共40 页。1 11+=24 Sm上一讲源跟随器1、做电压(diny)平移2、做阻抗转换缓冲器Av=1gm RS+(1+)1+传输函数和极零点：根据(gnj)该式，合理设计可获得期望带宽、相位裕度等指标输入阻抗：Zin=VX 1 1 gm 1I X sCGD sCGS sCGS gmb+sCL vo gm+sCGSvi s RS(CGS CL+CGS CGD+CGDCL)+s(gm R

4、S CGD+CL+CGS)+gm输出阻抗：Z OUT=(sRS CGS+1)/(g m+sCGS)1/g（低频(dpn)时），R（高频时）西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第3 页/共40 页第四页，共40 页。1vovi+S)5上一讲共栅级Rin 小，Rout 大传输(chun sh)函数：无密勒电容项，高带宽(s)=(gm+gmb)RD1+(gm+gmb)RS(1+1CSgm+gmb+RSs)(1+RDCD s)输入阻抗(sh r z kn)：频率增大时，ZL 趋近于0，Rin 趋近于Rin=1/(gm+gmb)Z L+rO Z L 11+(g m+g mb)rO(g m+g mb)rO

5、g m+g mbZ L=R D1sC D输出阻抗(sh ch z kn)R out=1+(gm+g mb)ro R S1sC+ro|(R D1sC D西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第4 页/共40 页第五页，共40 页。6上一讲共源共栅级Rin 和Rout 大，高增益密勒效应(xioyng)小，高频极点(jdin)为了(wi le)保证放大器的稳定性，通常设计fpX 最大输出阻抗频率增大时下降，影响共源共栅电流镜的精度Z out(1+g m 2 rO 2)Z X+rO 2(1/sCY)Z X=rO1(sC X),忽略CGD1西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第5 页/共40 页第六页，共4

6、0 页。1 s 1+1)7上一讲电流(dinli)源负载的差分放大器差模频率特性用半电路法分析CL 包括CDB3、CGD3（G 点为交流(jioli)地）、CDB1用共源放大器传输函数结论得：ACM DM=gm1 gm2(gm1+gm2)(rO3sCP)+1(RD1sCLVoutVin(s)=Av 0 s p 1 z s p 2+1 高频(o pn)时共模抑制能力下降 主极点为：f p1=1/2 CL(rO1 rO 3)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第6 页/共40 页第七页，共40 页。=L=8上一讲电流(dinli)镜负载的差分放大器vout gmNrON(2gmP+sCE)vin 2

7、rONrOPCECLs2+(2rON+rOP)CE+rOP(1+2gmPrON)CL s+2gmP(rON+rOP)镜像极点通常比输出极点大，即 p1 p2，因此有：p1=(2 rON2 g mP(rON+rOP)+rOP)C E+rOP(1+2 g mP rON)C L忽略(hl)分母中第一项并假 设 2 g mP rON ff 1，则：p1 1C（rOP rON）1 1 p1 p 2rON rOP CE CLg mP(rON+rOP)p 2 g mPCEZ=2 p 2=2 g mPCE西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第7 页/共40 页第八页，共40 页。9本讲

8、噪声(zoshng)噪声的统计(tngj)特性噪声(zoshng)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第8 页/共40 页第九页，共40 页。10为什么要学习(xux)噪声知识？电路(dinl)能处理的信号的最小值等于噪声的水平(shupng)设计AIC 时通常需要考虑噪声指标体现在信噪比（SNR）这一指标上低噪声AIC 在很多领域有重要应用西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第9 页/共40 页第十页，共40 页。11统计学特性(txng)噪

9、声是一个随机(su j)过程每一时刻(shk)的幅值是不能预测的哪些特性可以被预测？平均功率、功率谱密度（噪声谱）、幅值分布西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第10 页/共40 页第十一页，共40 页。1+T/21+T/2 2t 12平均功率有些随机(su j)过程的平均功率也不可预测电路(dinl)中大多数噪声源有固定的平均功率，可以预测均方根值（root mean square）的定义(dngy)：平均功率的定义：Pav=lim T/2t T2x(t)dtrms=Pav=limT T/2 x(t)dt平均功率只反映了噪声的功率特性若x(t)为电压信号，则Pav单位为V2（幅值特性），没反映

10、频率特性西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第11 页/共40 页第十二页，共40 页。13噪声(zoshng)谱又称为(chn wi)“功率谱密度”(PSD:Power spectral density)；PSD 定义为：在每个频率上信号(xnho)具有的功率的大小；反映了噪声的功率和频率两方面的特性X(t)信号的PSD 写为SX(f)；SX(f)定义为：f附近1Hz 带宽内X(t)具有的平均功率；单位V2/Hz电路中大多数噪声源有可预测的噪声谱西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第12 页/共40 页第十三页，共40 页。214噪声谱PSD 在整个(zhngg)频率范围内为相同值白噪声定理适用

11、于线性时不变系统(xtng)分析电路噪声时的理论依据线性时不变系统：具有叠加性、均匀(jnyn)性并且系统参数不随时间变化的系统SY(f)=S X(f)H(f),H(f)=H(s=2 jf)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第13 页/共40 页第十四页，共40 页。15噪声(zoshng)谱被H(f)“整形”电话系统带宽(di kun)为4KHz，声音信号的高频部分被滤除西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第14 页/共40 页第十五页，共40 页。f 116“双边(shungbin)”谱和“单边”谱参考文献1X(t)如果是实数，则SX(f)为f 的偶函数（“双边(shungbi

12、n)”谱）从数学角度看f1，f2 频率范围内x(t)总f 2功率Pf1,f2 Pf 1,f 2=f 2 S X(f)df+f 1 S X(f)df用带通滤波器测量的结果 f 2为“单边”谱（0 到+Hz）=f 1 2S X(f)df“双边(shungbin)”谱西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计“单边”谱第15 页/共40 页第十六页，共40 页。17幅值分布(fnb)概率密度函数噪声瞬时值不可(bk)预测，但通过长期观察、统计，可以得到每个值出现的概率大小PDF：Probability density function，定义(dngy)为：PX(x)dx=x X x+

13、dx 的概率许多随机量的PDF 表现为高斯（正态）分布，如电阻的噪声西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第16 页/共40 页第十七页，共40 页。1+T/21+T/2 1+T/2 21+T/21+T/218t t t t t 相关噪声源和非相关噪声源电路中通常同时存在多个噪声源相关噪声源噪声功率(gngl)不可以直接叠加非相关噪声源不相关器件产生的噪声；噪声功率(gngl)可以直接叠加Pav=lim T T/2 x1(t)+x2(t)2 dt=lim T T/2 x1(t)(t)dt+lim T T/2 x2(t)2 dt+lim T T/2 2 x1(t)x2(t)dt=Pav1+Pav 2

14、+lim T T/2 2 x1(t)x2(t)dt西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计x1(t)和x2(t)不存在相关(xinggun)性时，第三项为零；相关(xinggun)时第三项不为零；相关(xinggun)性越高（波形相似程度），第三项的值越大第17 页/共40 页第十八页，共40 页。119相关噪声源和非相关噪声源比赛前体育场中的观众(gunzhng)交谈，产生非相关(xinggun)噪声，总噪声功率低AIC 设计(shj)中研究的噪声源通常是不相关的，比赛中，观众齐 因此噪声功率声呐喊，产生相 可直接叠加关噪声，总噪声功率高Pav=Pav1+Pav 2+limt T西电微电子

15、学院董刚模拟集成电路设计 T/2 2 x1(t)x2(t)dt+T/2第18 页/共40 页第十九页，共40 页。20本讲 噪声(zoshng)噪声的统计(tngj)特性噪声(zoshng)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第19 页/共40 页第二十页，共40 页。21噪声(zoshng)的分类“环境(hunjng)”噪声和器件噪声“环境”噪声(zoshng)指来自电源线、地线、衬底等“外环境”的噪声（干扰）器件噪声指构成AIC 的器件本

16、身所产生的噪声，如电阻、MOS 管等器件噪声热噪声电阻噪声、MOS 管的沟道热噪声闪烁噪声MOS 管西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第20 页/共40 页第二十一页，共40 页。2 222热噪声来源导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动(bdng)随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝对温度(wnd)成正比电阻的热噪声极性不重要，但在分析电路(dinl)时要保持不变噪声谱密度：SV(f)=4kTR教材上默认f=1HzVn=4 kTR(f);I n=4 kTR(f)R=50,T=300 K Vn=0.91 nV/Hz西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第21 页/共40 页第二十二页，

17、共40 页。14 R C f+12 2 2 2n23RC 电路的输出噪声计算(j sun)RC 电路的输出噪声谱和总噪声功率开关电容电路的采样噪声VoutVR(s)=1sRC+1Sout(f)=SR(f)VoutVR2(j)=4kTR 2 2 2 2P,out 04kTR4 R C f+1df=kT 1pF 电容时为64.3VC 与R 无关，只能增大(zn d)C 来减小噪声西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第22 页/共40 页第二十三页，共40 页。2 224用电流源来表示热噪声噪声可以用串连(chun lin)电压源来表示，也可以用并联电流源表示多种表示(biosh)的意义

18、Vn=4 kTR(f);I n=4 kTR(f)选择合适的表示法，会降低电路分析的复杂度完整表征噪声需要这两种表示法 见“输入(shr)参考噪声”部分西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第23 页/共40 页第二十四页，共40 页。2 22 225MOS 管沟道区的热噪声工作在饱和区的长沟道 MOS 管 不是体效应系数。长沟道MOS 管的=2/3亚微米(wi m)MOS 管会很大（0.25 微米(wi m)工艺时为2.5）单个MOS 管能产生的最大热噪声电压：Vn2=I n rO=4 kT(g m)rO3减少gm 可降低噪声。当gm 不影响其他关键指标时，应尽量小西电微电子学院董刚模拟(mn)集

19、成电路设计第24 页/共40 页第二十五页，共40 页。26MOS 管欧姆(u m)区的热噪声欧姆(u m)区热噪声栅、源、漏的材料(cilio)电阻引入的热噪声一般不考虑西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第25 页/共40 页第二十六页，共40 页。227MOS 管的闪烁噪声来源载流子在栅和衬底界面(jimin)处的俘获与释放，导致源漏电流有噪声用与栅极串联的电压源来模拟载流子俘获(fhu)与释放多发生在低频下1/f 噪声(zoshng)其噪声功率与所选工艺密切有关Vn=K 1CoxWL fK 数量级10 25V 2 F减少1/f 噪声主要靠增大器件面积西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第2

20、6 页/共40 页第二十七页，共40 页。2 K 1 22 K 3gm28MOS 管的闪烁噪声1/f 噪声的转角频率fC定义为：热噪声和1/f 噪声曲线的交叉点用来界定(ji dn)1/f 噪声起主导作用的频段与面积和偏置电流有关。对于给定的L，fC 相对(xingdu)固定。亚微米MOS 管的fC 在500KHz-1MHz 之间4kT gm gm 3 CoxWL fcVn=K 1CoxWL ffc（对长沟道(u do)器件）CoxWL 8kT西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第27 页/共40 页第二十八页，共40 页。2 22 2 26 32 22129MOS 管的总噪声(zoshng)在

21、1KHz1MHz 频带内，计算NMOS 管源漏电流的总噪声(zoshng)热噪声(zoshng)：I n=4 kT(g m)3I n,tot=4 kT(g m)(10 10)4 kT(g m)10 63 31/f 噪声(zoshng)：Vn,1/f=K 1CoxWL fI n,1/f=K 1 2C OX WL fg mI n,1/,ftot=2Kg mC OX WL KHz1MHzdff=2Kg mC OX WLln 10 3=26.91Kg mC OX WL西电微电子学院(xuyun)董刚模拟集成电路设计第28 页/共40 页第二十九页，共40 页。30本讲 噪声(zoshng)噪声(zos

22、hng)的统计特性噪声(zoshng)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第29 页/共40 页第三十页，共40 页。2RDgm+31电路中噪声的表示表示方法一 输出参考噪声电压(diny)：把输入置零，计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声这种表示法的不足：输出参考噪声与电路增益有关，Vn,out2=4kT gm+3K 1 2 4kT 2CoxWL f RD 无法(wf)比较不同电路的噪声性能M1 管的热噪声+M1 管的1/f 噪声+RD

23、的热噪声西电微电子学院董刚模拟(mn)集成电路设计第30 页/共40 页第三十一页，共40 页。32电路中噪声的表示表示方法二 输入参考(cnko)噪声电压：在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响Vn2,in=Vn2,outAv2输入参考噪声反映(fnyng)了输入信号被噪声“侵害”的程度，能用于不同电路的噪声指标的比较西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第31 页/共40 页第三十二页，共40 页。Vn,out Vn,outVn,in22RD 2 2 gm+22V33电路中噪声(zoshng)的表示计算(j sun)输入参考噪声电压2 2=2=2 2Av gm RD2Vn,in=4kT g

24、m+3K 1 2 4kT 2 1CoxWL f RD gm RD=4kT2 K 1 4kT3gm CoxWL f gm RD等效热噪声电阻RT：电路在单位(dnwi)带宽内的总的输入n,in,热噪声部分=4kT（2 1 2）3gm gm RD参考热噪声等于RT 的热噪声RT=2 1 23gm gm RD西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第32 页/共40 页第三十三页，共40 页。34电路中噪声的表示仅用与输入串联的电压源来表示输入参考噪声是不够的该电路由一信号源 Vin 驱动，信号源输出阻抗为sL1，电路输入阻抗为 1/sCin。若仅用输入参考(cnko)电压源来表示噪声，则当L1 增大时，

25、计算得到的输出噪声会越来越小，与事实(shsh)不符。事实上输出噪声(zoshng)与L1 和Cin 无关西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第33 页/共40 页第三十四页，共40 页。35电路中噪声(zoshng)的表示用串联电压源和并联电流(dinli)源共同来表示输入参考噪声串联电压源和并联电流源的计算方法：针对信号源内阻为零和无穷大两种极端情形(qng xing)来计算西电微电子学院董刚模拟集成电路设计第34 页/共40 页第三十五页，共40 页。2 2 4kT21 2 2 2 2Cin(4kT 2 1 236电路中噪声的表示(biosh)串联电压源和并联电流源的计算Vn,in=4kT

26、+2(不含1/f 噪声(zoshng)3gm gm RDVn,out=I2n,in)gm RD=(4kT gm+34kT 2)RDRDI2n,in=(Cin)2(gm+)gm 3 RD西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第35 页/共40 页第三十六页，共40 页。37电路中噪声(zoshng)的表示用串联电压源和并联电流源同时来表示输入参考噪声，是否(sh fu)把“噪声计算了两次”？没有可以(ky)证明：对任何源阻抗ZS，计算的输出噪声都是正确的证明思路：由Vn,in 和In,in，求出Vn,X，再乘以增益(gmRD)，即可求出Vn,out西电微电子学院董刚模拟集成电

27、路设计第36 页/共40 页第三十七页，共40 页。12I n,MOS222总结(zngji)噪声的统计(tngj)特性平均功率Pav=limt T+T/2T/22x(t)dt噪声谱（功率谱密度(md)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=4 kTR(f)环境噪声和器件噪声热噪声和闪烁噪声I n2=4 kTR(f)Vn,MOS=K 1CoxWL f西电微电子学院董刚模拟集成电路设计=4kT(g m)338第37 页/共40 页第三十八页，共40 页。39总结(zngji)电路中噪声(zoshng)的表示单级放大器中的噪声(zoshng)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第38 页/共40 页第三十九页，共40 页。40作业(zuy)7.1应用(yngyng)本讲内容西电微电子学院董刚模拟集成电路(jchng-dinl)设计第39 页/共40 页第四十页，共40 页。