北大集成电路原理与设计之二：模拟集成电路原理与设计课件07噪声

1北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲放大器的频率特性概述线性电路的S域分析法密勒效应极点与节点的关联共源级源跟随器共栅级共源共栅级差分对2模拟集成电路原理与设计第7章噪声陈中建[e-mail]62759620，理科2号楼2617微电子学系3北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计授课内容绪论，2学时重要性、一般概念单级放大器，5学时无源/有源电流镜，2学时差动放大器，3学时放大器的频率特性，4学时噪声，4学时运算放大器，6学时反馈，6学时稳定性和频率补偿，6学时版图，3学时共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、ESD等多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础，2学时MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型基本/共源共栅/有源电流镜EDA系统使用常识和设计实习实例演示，2学时做设计实习所需软硬件系统的使用期中考试2学时，评卷1学时。习题课若干学时4北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲噪声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5北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计为什么要学习噪声知识？电路能处理的信号的最小值等于噪声的水平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6北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计统计学特性噪声是一个随机过程每一时刻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）、幅值分布某一时刻的值可预测某一时刻的值不可预测7北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计平均功率Pavlimt1Tx2(t)dtT/2T/2有些随机过程的平均功率也不可预测电路中大多数噪声源有固定的平均功率，可以预测平均功率的定义：若x(t)为电压信号，则Pav单位为V2均方根值（rootmeansquare）的定义：2/2/2)(1limTTtavdttxTPrms平均功率只反映了噪声的功率特性（幅值特性），没反映频率特性8北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计噪声谱又称为“功率谱密度”(PSD:Powerspectraldensity)；PSD定义为：在每个频率上信号具有的功率的大小；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9北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计噪声谱PSD在整个频率范围内为相同值白噪声定理“如果把噪声谱为SX(f)的一个信号加在一个传输函数为H(s)的线性时不变系统上，则输出谱由下式给出。”适用于线性时不变系统分析电路噪声时的理论依据)2()(,)()()(2jfsHfHfHfSfSXY线性时不变系统：具有叠加性、均匀性并且系统参数不随时间变化的系统10北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计噪声谱被H(f)“整形”电话系统带宽为4KHz，声音信号的高频部分被滤除11北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计“双边”谱和“单边”谱参考文献[1]X(t)如果是实数，则SX(f)为f的偶函数（“双边”谱）从数学角度看[f1，f2]频率范围内x(t)总功率Pf1,f2用带通滤波器测量的结果为“单边”谱（0到+Hz）2121122,1)(2)()(ffXffXffXffdffSdffSdffSP“双边”谱“单边”谱12北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计幅值分布概率密度函数噪声瞬时值不可预测，但通过长期观察、统计，可以得到每个值出现的概率大小PDF：Probabilitydensityfunction，定义为：许多随机量的PDF表现为高斯（正态）分布，如电阻的噪声的概率dxxXxdxxPX)(13北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计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；噪声功率可以直接叠加2/2/21212/2/212/2/222/2/212/2/221)()(21lim)()(21lim)(1lim)()(1lim)]()([1limTTtavavTTtTTtTTtTTtavdttxtxTPPdttxtxTdttxTdtttxTdttxtxTPx1(t)和x2(t)不存在相关性时，第三项为零；相关时第三项不为零；相关性越高（波形相似程度），第三项的值越大14北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计相关噪声源和非相关噪声源比赛前体育场中的观众交谈，产生非相关噪声，总噪声功率低比赛中，由具体赛况驱动，观众会齐声呐喊，产生相关噪声，总噪声功率高2/2/2121)()(21limTTtavavavdttxtxTPPPAIC设计中研究的噪声源通常是不相关的，因此噪声功率可直接叠加15北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲噪声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16北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计噪声的分类“环境”噪声和器件噪声“环境”噪声指来自电源线、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17北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计热噪声来源导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝对温度成正比电阻的热噪声HznVVKTRfRkTIfkTRVnnn/91.0300,50)(4);(422噪声谱密度：SV(f)=4kTR教材上默认f=1Hz极性不重要，但在分析电路过程中要保持不变18北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计电容和电感的噪声电阻存在热噪声理想电容和电感没有噪声P.Gray书P760实际的C和L有寄生电阻，寄生电阻引入热噪声19北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计RC电路的输出噪声计算RC电路的输出噪声谱和总噪声功率11)(sRCsVVRout1414)()()(22222fCRkTRjVVfSfSRoutRoutCkTdffCRkTRPoutn02222,1441pF电容时为64.3V与R无关，只能增大C来减小噪声开关电容电路的采样噪声20北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计用电流源来表示热噪声噪声可以用串连电压源来表示，也可以用并联电流源表示多种表示的意义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“输入参考噪声”部分)(4);(422fRkTIfkTRVnn21北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计MOS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MOS管会很大（0.25微米工艺时为2.5）2222)32(4OmOnnrgkTrIV单个MOS管能产生的最大热噪声电压：减少gm可降低噪声。当gm不影响其他关键指标时，应尽量小，如尾电流源的MOS管22北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计MOS管欧姆区的热噪声欧姆区热噪声栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声源/漏电阻通常很小，可忽略其噪声栅电阻会稍大，噪声会有一定影响23北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计MOS管的闪烁噪声来源载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放，导致源漏电流有噪声用与栅极串联的电压源来模拟载流子俘获与释放多发生在低频下其噪声功率与所选工艺密切有关FVKfWLCKVoxn2252101数量级1/f噪声减少1/f噪声主要靠增大器件面积24北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计MOS管的闪烁噪声（对长沟道器件）8313242kTgWLCKfgfWLCKgkTmoxcmcoxmfWLCKVoxn12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相对固定。亚微米MOS管的fC在500KHz-1MHz之间25北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计MOS管的总噪声在1KHz—1MHz频带内，计算NMOS管源漏电流的总噪声)32(42mngkTI6362,10)32(4)1010)(32(4mmtotngkTgkTI1/f噪声：热噪声：22/1,1mOXfngfWLCKIfWLCKVoxfn12/1,WLCKgWLCKgfdfWLCKgIOXmOXmMHzKHzOXmftotn2321122/,1,91.610ln26北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲噪声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27北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计输出参考噪声电压表示方法一把输入置交流地，计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声Vn,out24kT23gmKCoxWL1fgm24kTRDRD2M1管的热噪声+M1管的1/f噪声+RD的热噪声这种表示法的不足：输出参考噪声与电路增益有关，无法比较不同电路的噪声性能28北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计输出参考噪声电压这种表示法的不足输出参考噪声与电路增益有关，无法比较不同电路的噪声性能从输出参考噪声看，右图噪声大，噪声特性不好但实际信噪比相同29北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计输入参考噪声电压输入参考噪声反映了输入信号被噪声“侵害”的程度，能用于不同电路的噪声指标的比较表示方法二在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响22,2,voutninnAVV30北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计示例—输入参考噪声电压的计算Vn,in2Vn,out2Av2Vn,out2gm2RD2Vn,in24kT23gmKCoxWL1fgm24kTRDRD21gm2RD24kT23gmKCoxWL1f4kTgm2RD计算输入参考噪声电压等效热噪声电阻RT：电路在单位带宽内的总的输入参考热噪声等于RT的热噪声）＋（热噪声部分DmminnRggkTV22,,1324DmmTRggR2132＋31北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计例题求CS级总输入参考噪声电压对于图示电路，W/L=50/0.5，ID=1mA，RD=2K，在100MHz带宽内的总输入参考噪声电压是多少？Vn,in2Vn,out2Av2Vn,out2gm2RD2Vn,in24kT23gm