4NFIIP3(第四章)

InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity1第四章东南大学射光所李智群引言噪声(Noises)非线性(Nonlinearities)特征频率和单位功率增益频率等比例缩小与短沟道效应第四章噪声、非线性及等比例缩小InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity2第四章Z.Q.LI引言噪声普遍存在于电子元件、器件、网络和系统中，噪声会损害所需信号的质量，影响接收机可以处理的最小信号的能力（灵敏度）。非线性由于晶体管都是非线性的，因此放大器本质上都是非线性的。非线性影响接收机可以处理的最大信号的能力。动态范围接收机可以处理的最小信号和最大信号决定了接收机的动态范围。CMOS工艺等比例缩小随着集成电路工艺的特征尺寸不断缩小，晶体管的工作频率越来越高，其最高工作频率由特征频率和单位功率增益频率来反映。现代半导体工业中CMOS工艺占支配地位的两个最主要原因是CMOS逻辑的零静态功耗和MOS管能够按比例缩小。缩小器件尺寸可以减小元件寄生电容、提高器件速度、降低功耗、提高芯片集成度和降低成本。InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity3第四章Z.Q.LI噪声22niqI2/abniKIf2nv2ni2nv噪声类型噪声是一种随机过程，用概率密度函数(PDF)和功率谱密度(PSD)来描述。─电阻的热噪声(ThermalNoise)热噪声是由导体中电子的随机运动引起的，它会引起导体两端电压的波动，热噪声谱密度与绝对温度成正比。─散弹噪声(ShotNoise)散弹噪声由载流子经过PN结时产生，电路模型为一个并联的电流源其中I为电流，q为电子电荷，q=1.610-19C其中I为电流，a在0.5到2之间，b约为124nvkTR其中R为电阻，k为波尔茨曼常数，k=1.3810-23J/K的单位为V2/Hz，的单位为A2/Hz。─和其它表示法是将它们的表达式乘以带宽Df。2ni─闪烁噪声(FlickerNoise,1/fNoise)闪烁噪声主要由晶格的缺陷产生，电路模型为一个并联的电流源InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity4第四章Z.Q.LI噪声噪声模型─电阻的热噪声─二极管噪声24nvkTRfD24nkTfiRD22aDdDbIiqIfKffDDTdDDVkTrIqI二极管的小信号等效电阻二极管噪声电流的均方值电阻的噪声电压均方值电阻的噪声电流均方值注意：ID为流过二极管的电流，rd为二极管小信号等效电阻，因为rd不是物理电阻，因此不产生热噪声。InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity5第四章Z.Q.LI噪声─双极型晶体管噪声1)集电极-发射极散弹噪声22CCiqIfD2)基极-发射极散弹噪声和闪烁噪声22aBBBbIiqIfKffDD3)基极寄生电阻热噪声24bbvkTrfD注意：rp和ro不是物理电阻，不产生热噪声。InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity6第四章Z.Q.LI噪声─长沟道MOSFET噪声1)栅极电阻热噪声2)沟道热噪声和闪烁噪声3)栅极电流散弹噪声24ggvkTRfD栅极电阻Rg主要是栅极多晶硅电阻，可以通过使用叉指结构使之降低。2243aDndmbIikTgfKffDD不同元件的闪烁噪声参数K、a和b是不同的22gGiqIfD这种散弹噪声是由栅极所存在的微量泄漏电流所引起的，常常可以忽略。InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity7第四章Z.Q.LI噪声4)沟道热噪声更一般性的表示24nddoikTgfDdog0DSV0(/)()DSDdooxgsthDSVIgCWLVVVdomgg/domgg12/31其中是当时的沟道电导，可以表示为长沟道器件：短沟道器件：是一个与偏置状态有关的系数（管子工作在饱和区时取值2/3，线性区零偏置时取1）值远大于1短沟道器件：由于热载流子效应，长沟道器件：InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity8第四章Z.Q.LI噪声的平均功率与相关性─噪声的平均功率电路中使用的噪声电压和电流的均方值相当于1W负载上的平均噪声功率或功率谱密度(频率f处1Hz带宽内的功率)，单个噪声源的平均功率可以表示为─噪声的相关性两个噪声源n1(t)和n2(t)不相关两个噪声源n1(t)和n2(t)相加以后的平均功率为n1(t)与n2(t)不相关时有噪声2201limTTntntdtT2212022121201lim()()1()()lim2()()TTTTntntntdtTntntntntdtT22212()()ntntnt1201lim()()0TTntntdtTInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity9第四章Z.Q.LI─设系统的传递函数为H(f)，且在f=f0时|H(f)|值最大，则系统的噪声带宽定义为噪声带宽(NoiseBandwidth)噪声22001()()nBHfdfHfInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity10第四章Z.Q.LI─当功率谱密度为Si(f)的噪声通过传递函数为H(f)的线性时不变系统后，输出噪声功率谱密度为系统输出噪声功率噪声H(f)Si(f)So(f)20()()()iSfSfHf220000()()()()intSfdfSfHfdf2222000000()()()()()inntSfHfdfNHfdfNBHf─输出噪声的平均功率为─当输入噪声为白噪声时，其功率谱密度为N0，则系统输出噪声功率为InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity11第四章Z.Q.LIkT/C噪声─对于一个RC低通网络，电阻R的热噪声为，其功率谱密度4kTR为常数，是一个白噪声。噪声2nvRC2nv1()12HfjfRCp221()1(2)HffRCp0f2()Hf2(0)1H当时，达到最大值，并有232200111()241(2)(0)ndBBHfdfdffRCfRCHpp由电阻的热噪声引起的输出噪声功率（单位电阻上的功率，或者更精确地说是噪声的均方值电压）为输出噪声功率与电阻的取值无关！这种噪声与电容成反比的关系在模拟电路设计(取样电路、滤波电路等)中造成了精度与速度之间的矛盾。220001()()414nkTntNBHfkTRRCCInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity12第四章Z.Q.LI─既然电路元件(除了理想的电感、电容等)都存在噪声，那么我们必须非常清楚的一个概念是，普通电路的输出噪声功率谱密度都将大于输入噪声功率谱密度─噪声的存在限制了电路所能处理的最小输入信号，亦即电路的灵敏度(Sensitivity)或最小可测信号(MDS，MinimumDetectableSignal)，因此电路的噪声通常被等效到输入端，尽管噪声被等效到输出也可以达到同样的目的─任何一个有噪双端口网络的内部噪声都可以由其输入端的两个噪声源来等效：噪声电压源和噪声电流源噪声二端口网络的等效输入噪声源有噪声网络无噪声网络─当信号源阻抗较小时，噪声电压源起主要作用；当信号源阻抗较大时，噪声电流源起主要作用。噪声电压源和噪声电流源的计算分别在信号源短路和开路两种极端情况下进行。2nv2niInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity13第四章Z.Q.LI─双极型晶体管噪声晶体管等效输入噪声源2nv2ni等效输入噪声电压和等效输入噪声电流的计算分别在输入端短路和输入端开路两种极端情况下，使输出端的短路电流相等得到。双极型晶体管等效输入噪声模型如下：InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity14第四章Z.Q.LI噪声2nv1)的计算当1||brrjCppbebBbvvirombeCmbmBbCigvigvgiri时图(a)有benvv图(b)有ombemnigvgvmbmBbCmngvgirigv令图(a)和(b)的输出电流相等，有//nbBbCmbCmvvirigvig于是有(rb很小，忽略rbib)24bbvkTrfD22CCiqIfDCmTIgV/TVkTq考虑到211444()22nbbmmvkTrfkTfkTrfggDDD得相当于一个等效电阻所产生的热噪声。(1/2)bmrg2nvInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity15第四章Z.Q.LI噪声2ni2)的计算令图(a)有图(b)有令图(a)和(b)的输出电流相等，有于是有为晶体管交流信号的电流放大倍数，即1||ZrjCpppπbeBviZπoCmbeCmBiigvigiZπbenviZπombemnigvgiZπCmBmnigiZgiZpCnBmiiigZpπmgZ()1mmrgZgjrCpppp(0)mogrp/TmgCp()1/ooTj考虑到()CnBiii由于iB与iC不相关，因此有2222|()|CnBiii2222|()|aCBnBbqIfIiqIfKffDDDInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity16第四章Z.Q.LI─MOS场效应管噪声2nv2ni等效输入噪声电压和等效输入噪声电流的计算分别在输入端短路和输入端开路两种极端情况下，使输出端的短路电流相等得到。MOS场效应管等效输入噪声模型如下InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity17第四章Z.Q.LI噪声2nv1)的计算当忽略、、、时gdCgR2gv2giondiiomgsmnigvgv图(a)有图(b)有ndmnigv令图(a)和(b)的输出电流相等，有222ndmnigv22222143andDnbmmmiIKvkTffgggfDD其中闪烁噪声对输入等效噪声的贡献可以表示为2afDboxmKIKffWLCfgfDD123102VpFKf的典型值为()InstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity18第四章Z.Q.LI噪声2ni2)的计算图(a)有图(b)有令图(a)和(b)的输出电流相等，有当忽略、、、时gdCgR2gv2gi定义电流增益()mgsTgsgsgvvjCjondiinomgsmgsiigvgjCnndmgsiigjC()gsndnndndmTjCijiiig22222|()|ndnndTiii(在低频时非常小)2niInstituteofRF-&OE-ICsSoutheastUniversity19第四章Z.Q.LI噪声─噪声特性比较双极型晶体管和MOS晶体管的噪声特性总结如下：(1)低频工作时，MOS晶体管的等效输入噪声电压大于双极型晶体管，MOS晶体管的等效输入噪声电流小于双极型晶体管。对高阻抗信号源，等效输入噪声电流起主要作用。而对低阻抗信号源，等效输入噪声电压起主要作用。因此，MOS晶体管在高阻抗信号源的应用中占有优势，而双极型晶体管在低阻抗信号源的应用中占有优势。(2)对于低阻抗信号源，为了抑制MOS晶体管的等效输入噪声电压，需要提高其跨导，这就需要增大管子尺寸或增大偏置电流。(3)减小偏置电流可以降低闪烁