集成CMOS模拟电路-第七章-噪声

CMOS模拟集成电路设计DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuitOct.2013郑然[e-mail]西北工业大学航空微电子中心嵌入式系统集成教育部工程研究中心1CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声2本章内容第七章噪声CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声3本章内容7.1噪声的统计特性7.2噪声类型7.3噪声在电路中的表示7.4单级放大器中的噪声7.5差动对中的噪声7.6噪声带宽CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声4前言噪声是我们不期望的一种信号，它限制了系统能够正确处理最小信号电平，而且噪声与系统的功耗、速度、线性度之间是互相制约的，如今的模拟电路设计者必须要考虑到噪声的影响。本章我们将介绍噪声时域和频域特性、噪声的类型、噪声在电路中的表示方法以及噪声对各种电路的具体影响。4CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声57.1噪声的统计特性噪声是一个随机的过程，噪声的值在任何时刻都无法被预测，这就给我们理解和分析噪声的性质带来了一定的困难。如(b)中表现出了噪声在时域的不可预测性。然而噪声的平均功率是可以被预测的，比如下图中麦克风离水流的远近不同，就会获得幅值不等的噪声信号。后者显示出了更大的振幅和更高的功率，这些是可以预测的。5CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声67.1噪声的统计特性根据上面的分析，我们引入一个平均功率的概念来讨论噪声的功率特性。对于一个周期为T的电压v(t)在一个负载电阻上RL消耗的平均功率可以由下式给出：∫−=2/2/2)(1TTLavdtRtvTP同样，对于一个噪声信号，可以认为其周期为无穷大，我们可以得到其平均功率∫−∞→=2/2/2)(1limTTLTavdtRtvTP对于不同的系统，负载可能是变化的，因此我们简单的使用∫−∞→=2/2/2)(1limTTTavdttvTP来表示噪声平均功率，其单位是V2。6CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声77.1噪声的统计特性1、噪声谱噪声谱函数也称噪声的功率谱密度(PSD:PowerSpectralDensity)函数，表示每Hz频率上信号具有的功率大小。x(t)的PSD函数Sx(f)，被定义为f附近1Hz带宽内x(t)具有的平均功率。也就是把x(t)加到一个中心频率为f1带宽为1Hz的带通滤波器，对输出取平方，在一个较长的时间内计算其平均值，就得到了Sx(f1)(图a)。经过同样的处理可以得到Sx(fn)，最后得到波形如图(b)所示。其单位为或。HzV2HzV7CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声87.1噪声的统计特性白噪声的功率谱密度在整个频率范围内的取值相同，如右图所示。理想的白噪声具有的总功率为无穷大，但这是不存在的。通常，对于任何一种噪声谱只要在所关心的频带内是平坦的，我们也称之为白噪声。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)的线性时不变系统中，则输出谱可以由下式给出2|)(|)()(fHfSfSXY=白噪声被传输函数整形8CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声97.1噪声的统计特性对于实数x(t)，Sx(f)是f的偶函数，所以x(t)在频率范围[f1,f2]之内具有的总功率为∫∫∫=+=−−21211221)(2)()(,ffXffXffXffdffSdffSdffSP被电话整形的语音信号及功率谱。高频成分被过滤掉了。功率谱表示每个小带宽范围内的信号功率。能够预计波形在时域的变化速度。(b)为单边谱9CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声107.1噪声的统计特性2、相关噪声源和非相关噪声源在电路分析中，我们通常需要把几个噪声源的影响相加来获得总的噪声。如∫∫∫∫∫+−∞→+−∞→+−∞→+−∞→+−∞→++=++=+=2/2/21212/2/212/2/222/2/212/2/221)()(21lim)()(21lim)(1lim)(1lim)]()([1limTTTavavTTTTTTTTTTTTavdttxtxTPPdttxtxTdttxTdttxTdttxtxTP当两个信号不相关时，最后一项为0，21avavavPPP+=本课程所讨论的大部分噪声是不相关的。10CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声117.2噪声的类型集成电路在处理模拟信号时一般会受到两种噪声的影响：器件电子噪声和环境噪声。后者主要是由于电源、地线及衬底耦合的干扰而产生的噪声，本章不作具体讨论。器件电子噪声是我们重点分析的对象。1、热噪声电阻的热噪声：虽然导体内电子随机运动产生的总电流为零但是会引起导体两端电压的波动。其热噪声谱与绝对温度成正比。电阻R上的热噪声可以用一个串联的电压源来模拟04)(≥=fkTRfSR单边谱，注意频带积分时的积分域。11CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声127.2噪声的类型对于该表达式需要强调的是，它的单位是04)(≥=fkTRfSRHzV/2。为了直观可以写成kTRVn42=表示单位频率的热噪声功率。。内的功率为的带宽。表示，单位压称为均方根噪声电压这一电一个更常见的电压我们可以对其开方得到。时的热噪声为的电阻在如：一个229219)1091.0(1)/(,/91.0/1028.830050VHzVHzVHznVHzVKTrms−−×=×=Ω可以看出电阻的热噪声是白噪声。注意，的极性是随意的，但在具体的分析过程当中必须是确定的。2nV12CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声137.2噪声的类型例:计算下图RC电路中，Vout的噪声谱和总噪声功率。11)(+=RCssVVRout求传输函数2)()()()4.7(ωjVVfSfSRoutRout=根据式1414)(2222+=fCRkTRfSVoutoutπ的噪声普dffCRkTRPoutn∫∞+=02222,144π输出总噪声功率：∫−=+xxdx12tan1根据CkTuCkTPuuoutn==∞==−01,|tan2π。压为总的输出均方根噪声电，，电容是果总均方根噪声电压。如来表示输出端的，可以用的单位是rmsVpFkTCkTvCkTµ3.641300//2=可以发现这一总噪声与R无关，这是因为电阻减小(变大)可以使单位带宽的噪声减小(变大)，但电路的总带宽也会随之变大(减小)。因此在很多电路中我们一般采用增大C的方法来减小输出端的噪声。经过低通滤波整形后的噪声密度普13CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声147.2噪声的类型电阻的热噪声也可以用并联的电流源模型表示，如右图所示。其中RkTRVInn/4222==例:求图中两个并联电阻的等效噪声电压。)||(4)||()/1/1(4212212,2,2122212,RRkTRRIVRRkTIIItotntotnnntotn==+=+=那么等效噪声电压为结果表明，电流源表示等效噪声和电压源的表示结果是一致的。注意这里表示的是单位赫兹的功率。14CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声157.2噪声的类型MOS晶体管的热噪声晶体管的热噪声主要是沟道电阻产生噪声。其谱密度为：dsngkTIγ42=其中gds是VDS=0时的漏源电导，数值等于深线性区电阻的倒数也就是等于饱和区的gm。所以谱密度又可以写成：mngkTIγ42=注意：系数γ并不是体效应系数，对于长沟道器件认为3/2=γ。深亚微米工艺下其值更大，0.25微米工艺下为2.5。该系数也是随漏源电压变化的。本书中认为器件是长沟道器件。15CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声167.2噪声的类型例:求单个MOS管能产生的最大热噪声电压。2222,)3/2(4OmOnoutnrgkTrIV==如果减小跨导，MOS晶体管的噪声电流也减小。所以用作电流源的晶体管一般需要将其跨导最小化。而用作输入管时一般使跨导最大化。可是，这样不是使噪声变大了吗？本章靠后的部分将会对此进行讲解。16CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声177.2噪声的类型MOS晶体管的欧姆区热噪声这里所说的欧姆区包含了多晶硅区域(栅)和有源区(D/S)。管子比较宽的时候，有源区的电阻可以忽略掉。但栅的分布电阻会较大。栅电阻分布可以用(c)等效。采用下图所示的方法进行栅连接可以有效的减小栅的等效电阻。(本章的分析不考虑欧姆区热电阻)17CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声187.2噪声的类型2、闪烁噪声闪烁噪声形成的原因：硅晶体和氧化层界面处存在悬空键，就如一个一个的能量陷阱，当载流子流过的时候就有可能被随机的俘获，随后又被释放，从而在漏电流中形成噪声。闪烁噪声可以用一个与栅极串联的电压源来模拟，由下式给出。成反比。数；噪声谱密度与为工艺中的闪烁噪声系fKfWLCKVoxn12=log18CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声197.2噪声的类型从式中可以看出，与悬空键相关的俘获—释放现象在低频下更容易发生。这个噪声因此也被称为1/f噪声。另外增加器件的沟道区域的面积，也可以减小1/f噪声。PMOS比NMOS的1/f噪声要小（PMOS沟道埋在界面P掺杂下方）。例：从1kHz到1MHz的频带内，计算NMOS电流源的漏电流热噪声和1/f噪声。22321122,/1,26362,291.610ln1/110)3/2(4)1010()3/2(4MHz11)3/2(4AWLCKgWLCKgdfgfWLCKIfAgkTgkTIkHzgkTIoxmoxmMkmoxtotfnmmtotnmn===×=−==∫的漏电流噪声电压乘以跨导得到对应噪声时要将栅极的噪声求的总热噪声为到单位带宽的热噪声为：19CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声207.2噪声的类型3、转角频率热噪声谱和1/f噪声谱的交点频率，称为转角频率fc。logkTgWLCKfgkTgfWLCKmoxCmmCox83)3/2(412=⇒=即fc左侧表明闪烁噪声的的干扰比较厉害，超过了热噪声。fc右侧的闪烁噪声要小于热噪声。设计时，希望这个拐角频率越小越好。注意：工艺参数固定后，在保持L不变时，fc很难被调节。为什么?W增大跨导随之变大，fc变化不会很大。亚微米下fc=500k-1MHz20CMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声217.2噪声的类型)/10854.8,9.3,/1038.1300(90500/15.0/100)100/(1120,23mFKJkKKAtkHzfmmgMOSoxrooxm−−×==×==Ω=εεµµ，温度是多少？系数声，在此工艺下的闪烁噪。如果噪声转角频率为测得，，宽长比为器件，跨导为例：对于一个21FVKKkHzmfFtCoxoxrox22523152660,1006.13001038.18310015.01001084.3500/84.3/)1010(−−−−−×=⇒××××××××=∴=×=µεεCMOS模拟集成电路设计Copyright2013,zhengran第七章噪声227.3噪声在电路中的表示1、计算输出总噪声将输入信号屏蔽，计算各种噪声源在输出端产生的总噪声。在实际的实验和仿真时也采取这样的方法计算噪声