模拟CMOS集成电路设计拉扎维第7章噪声二教学案例
第七章MOS管模拟集成电路设计基础ppt课件
威尔逊电流镜正是
这样的结构。
NMOS威尔逊电流
镜的电路如右图所示。
提高输出电阻的基本
原理是在M1的源极接 有M2而形成的电流 串联负反馈。
图7.3.2 NMOS威尔逊电流镜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
(3)自给基准电流的结构 如果在电流镜中的
参考电流就是一个恒流 (如右图所示) 那么，
整个电路中的相关支路 电流就获得了稳定不变 的基础。
图6-3-14
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
右图给出了 一种自给基准电 流的结构形式。M1、 M2、M3组成了一个 两输出支路的 NMOS电流镜，M4、 M5和M6组成了两输 出 支 路 的 PMOS 电 流 镜 。 M7 、 M8 和 R 所构成的“启动” 电路 。
4) 参考支路电流Ir 形成参考支路的电流的基本原理很简单，只要能够形成对
电源(NMOS电流镜)或对(PMOS电流镜)的通路即可。 (1)简单的电阻负载参考支路
图6-3-11
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
图6-3-18
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第7章噪声
西电模微拟电C子MO学S院集－成董电刚路－设模计拟(拉集扎成维电)第路7设章计
11
噪声
平均功率
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 均方根值（root mean square） 定的平均功率，可以预测 的定义：
平均功率的定义：
+ 1
Pav = lim
+T T
/ /
2 2
x
2(t)dt
18
噪声
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
AIC设计中研究 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
+ 1 +T / 2
Pav = Pav1 + Pav 2 + lim t T
T / 2 2 x1 (t ) x2 (t )dt
ZL
+1
1 ZL = RD
1 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb
sC D
输出阻抗
R out
= {[ 1 + ( g
m + g mb ) ro ] R S
1 sC S
+ ro } || ( R D
西电模微拟电C子MO学S院集－成董电刚路－设模计拟(拉集扎成维电)第路7设章计 噪声
西电模微拟电CM子O学S院集－成董电刚路－设模计拟(拉集扎成维电)第路7设章计
22
噪声
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
cmos集成电路设计教案
cmos集成电路设计教案写作主题：CMOS集成电路设计教案文章序号：1引言：CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）集成电路设计是现代电子工程中的一个重要领域。
它涉及到数字电路、模拟电路和混合信号电路的设计与实现。
设计一份高质量的CMOS集成电路设计教案对于培养电子工程师的技能和知识至关重要。
本文将深入探讨CMOS集成电路设计教案的多个方面，包括教学目标、教学内容、教学方法、教学评估和实践应用等。
文章序号：2教学目标：CMOS集成电路设计教案的教学目标是帮助学生全面理解CMOS集成电路的原理和设计方法，培养他们的设计能力和实践能力。
具体而言，教学目标包括：1. 理解CMOS集成电路的基本原理和工作方式。
2. 掌握CMOS集成电路设计中的关键概念和方法。
3. 熟悉CMOS集成电路设计工具和流程。
4. 能够进行CMOS集成电路的模拟和数字仿真。
5. 能够设计和实现简单的CMOS集成电路。
文章序号：3教学内容：CMOS集成电路设计教案的教学内容应包括以下方面：1. CMOS原理和工作方式的介绍- N沟道和P沟道MOSFET的结构和特性- CMOS逻辑门电路的实现和特点2. CMOS集成电路设计基础知识- 逻辑门电路和时序电路的设计- 模拟电路的设计和仿真- 时钟和时序设计3. CMOS集成电路设计工具和流程- EDA工具的介绍和使用方法- CMOS电路的布局和布线规则- 物理设计和验证4. CMOS集成电路实践应用- 集成电路的应用领域和发展趋势- 嵌入式系统设计与应用- 特定应用领域的案例分析文章序号：4教学方法：为了实现教学目标，采用多种教学方法是必要的。
在CMOS集成电路设计教案中，可以采用以下教学方法：1. 理论讲解：通过课堂讲解，向学生介绍CMOS集成电路的基本原理和设计方法。
重点讲解关键概念和方法。
2. 实验实践：组织学生进行一系列的实验实践，包括模拟仿真和数字逻辑实现。
模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
第6页/共61页
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
第12页/共61页
阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
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I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可 • AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识
• MOS管是AIC的基本元件 • MOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结
CMOS 模拟集成电路课件完整
• SPICE仿真器：
– HSPICE；SPECTRE；PSPICE；ELDO – WinSPICE；Spice OPUS
2020/5/9
23
2.5 SPICE仿真
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– 例子: 采用SPICE仿真MOSFET的I/V特性
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
– MOS器件的寄生电容
• CBD和CBS是漏区/源区与衬底之间的PN结耗尽区电 • C2是栅与沟道之间的氧化层电容 • C4是沟道与衬底之间的耗尽层电容，其会随偏压的变化而变化 • C1、C3和C5是多晶硅栅与源区或漏区交叠而产生的交叠电容
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17
等效电容:
D
rD
CBD
CGD
vBD
G CGS
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3
1.1 模拟电路与数字电路
Why Analog Integrated Circuits?
Why CMOS Analog Integrated Circuits?
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4
• 1.2 电路抽象层次
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5
• 1.3 模拟集成电路设计
分析
系统/电路
属性/规范
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VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
模拟CMOS集成电路设计(毕查德·拉扎维著,陈贵灿等译,西安交通大学出版社) 绪论课件
模拟CMOS集成电路设计教材n模拟CMOS集成电路设计，毕查德.拉扎维著，陈贵灿等译，西安交通大学出版社参考资料n半导体集成电路，朱正涌，清华大学出版杜n CMOS模拟电路设计（英文），P.E.Allen，D.R.Holberg，电子工业出版社n模拟集成电路的分析与设计，P.R.Gray等著，高等教育出版社半导体集成电路发展历史n1947年BELL实验室发明了世界上第一个点接触式晶体管（Ge NPN）半导体集成电路发展历史n1948年BELL 实验室的肖克利发明结型晶体管n1956年肖克利、布拉顿和巴丁一起荣获诺贝尔物理学奖n50年代晶体管得到大发展（材料由Ge→Si）半导体集成电路发展历史n1958年TI公司基尔比发明第一块简单IC。
n在Ge晶片上集成了12个器件。
n基尔比也因此与赫伯特·克勒默和俄罗斯的泽罗斯·阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物理学奖。
半导体集成电路发展历史n19世纪60年代美国仙童公司的诺依斯开发出用于IC的平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。
半导体集成电路发展历史n60年代TTL、ECL出现并得到广泛应用n1966年MOS LSI发明（集成度高，功耗低）n70年代MOS LSI得到大发展（出现集成化微处理器，存储器）n80年代VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段。
n90年代ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代表更高技术水平的IC 不断涌现，并成为IC应用的主流产品。
n21世纪SOC、纳米器件与电路等领域的研究已展开n展望可望突破一些先前认为的IC发展极限，对集成电路IC的涵义也将有新的诠释。
集成电路用半导体工艺，或薄膜、厚膜工艺（或这些工艺的组合），把电路的有源器件、无源元件及互连布线以相互不可分离的状态制作在半导体或绝缘材料基片上，最后封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有特定功能的电路、组件、子系统或系统。
模拟集成电路n1967年国际电工委员会（IEC）正式提出模拟集成电路的概念，它包括了除逻辑集成电路以外的所有半导体集成电路。
拉扎维模拟cmos集成电路课件Lecture_2
diff
0
I dx W Dn
0
L
Q dQCS dx W dx
QD
kT q dQC
QC QS
I D I0 e
VGS q kT
There is no “simple” expression for the “moderate inversion” region.
4
In weak inversion, the diffusion term dominates over the drift term.
I diff W Dn
dQC kT dQ W C dx q dx
In weak inversion
L
QC exp(qV GB VCB / kT )
7
EE 510 Lecture 2 Handout
Spring 2013
For the output resistance in saturation
i gO D vDS
gO ID
Q
2 W VGS VTH 1 gO n Cox 2 L
1 VDS
ID
For saturation operation:
i gm D vGS
Q
1 W vGS VTH iD n Cox 1 vDS L 2
2
1 V 2I D 2 W VGS VTH DS n Cox W I D gm nCox 1 V DS L L VGS VTH
EE 510 Lecture 2 Handout D. Short (deep submicron)-channel Effects (Note: Chapter 16 topic of your textbook.)
拉扎维带隙基准模拟cmos集成电路设计
华大微电子：模拟集成电路原理
Bandgap Ref Ch. 11 # 17
第18页/共29页
Bandgap Ref Ch. 11 # 18
PTAT电流的产生
第19页/共29页
P TAT 电 流 的 产 生
华大微电子：模拟集成电路原理
第20页/共29页
VREF
VBE3
R2 R1
VT
ln n
Bandgap Ref Ch. 11 # 19
第4页/共29页
与电源无关的偏置
如何产生IREF？
I out
VDD R1 1 g m1
W W
L1 L2
华大微电子：模拟集成电路原理
Bandgap Ref Ch. 11 # 4
第5页/共29页
与电源无关的偏置
华大微电子：模拟集成电路原理
2Iout
nCOX W
L
N
VTH 1
2I out nCOX K W
华大微电子：模拟集成电路原理
Bandgap Ref Ch. 11 # 10
第11页/共29页
与温度无关的偏置
华大微电子：模拟集成电路原理
Vout
VBE2
VT
ln n1
R2 R3
Bandgap Ref Ch. 11 # 11
第12页/共29页
与温度无关的偏置
华大微电子：模拟集成电路原理
Bandgap Ref Ch. 11 # 12
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实例分析
华大微电子：模拟集成电路原理
Bandgap Ref Ch. 11 # 27
第28页/共29页
感谢您的观看。
华大微电子：模拟集成电路原理
Razavi《模拟CMOS集成电路设计》习题答案精编版
CORRECTIONS TO SOLUTIONS MANUALIn the new edition, some chapter problems have been reordered and equations and figure refer-ences have changed. The solutions manual is based on the preview edition and therefore must be corrected to apply to the new edition. Below is a list reflecting those changes.The “NEW” column contains the problem numbers in the new edition. If that problem was origi-nally under another number in the preview edition,that number will be listed in the“PREVIEW”column on the same line.In addition,if a reference used in that problem has changed,that change will be noted under the problem number in quotes. Chapters and problems not listed are unchanged.For example:NEW PREVIEW--------------4.18 4.5“Fig. 4.38” “Fig. 4.35”“Fig. 4.39” “Fig. 4.36”The above means that problem4.18in the new edition was problem4.5in the preview edition.To find its solution, look up problem 4.5 in the solutions manual. Also, the problem 4.5 solution referred to “Fig. 4.35” and “Fig. 4.36” and should now be “Fig. 4.38” and “Fig. 4.39,” respec-tively._____________________________________________________________________________ CHAPTER 3NEW PREVIEW--------------3.1 3.83.2 3.93.3 3.113.4 3.123.5 3.133.6 3.143.7 3.15“From 3.6” “From 3.14”3.8 3.163.9 3.173.10 3.183.11 3.193.12 3.203.13 3.213.14 3.223.15 3.13.16 3.23.17 3.2’3.18 3.33.19 3.43.20 3.53.21 3.63.22 3.73.23 3.103.24 3.233.25 3.243.26 3.253.27 3.263.28 3.273.29 3.28 CHAPTER 4NEW PREVIEW--------------4.1 4.124.2 4.134.3 4.144.4 4.154.5 4.164.6 4.174.7 4.18“p. 4.6” “p. 4.17”4.8 4.194.9 4.204.10 4.214.11 4.224.12 4.234.13 4.24“p. 4.9” “p. 4.20”4.14 4.1“(4.52)” “(4.51)”“(4.53)” “(4.52)”4.15 4.24.16 4.34.17 4.44.18 4.5“Fig. 4.38” “Fig. 4.35”“Fig. 4.39” “Fig. 4.36”4.19 4.6“Fig 4.39(c)” “Fig 4.36(c)”4.20 4.74.21 4.84.22 4.94.23 4.104.24 4.114.25 4.254.26 4.26“p. 4.9” “p. 4.20”CHAPTER 5NEW PREVIEW--------------5.1 5.165.2 5.175.3 5.185.4 5.195.5 5.205.6 5.215.7 5.225.8 5.235.9 5.15.10 5.25.11 5.35.12 5.45.13 5.55.14 5.65.15 5.75.16 5.85.17 5.95.18 5.10“Similar to 5.18(a)” “Similar to 5.10(a)”5.19 5.115.20 5.125.21 5.135.22 5.145.23 5.15CHAPTER 6NEW PREVIEW--------------6.1 6.76.2 6.86.3 6.9“from eq(6.23)” “from eq(6.20)”6.4 6.106.5 6.11“eq (6.52)” “eq (6.49)”6.6 6.16.7 6.26.8 6.36.9 6.46.10 6.56.11 6.66.13 6.13“eq (6.56)” “eq (6.53)”“problem 3” “problem 9”6.16 6.16“to (6.23) & (6.80)” “to (6.20) & (6.76)”6.17 6.17“equation (6.23)” “equation (6.20)”CHAPTER 7NEW PREVIEW--------------7.27.2“eqn. (7.59)” “eqn. (7.57)”7.177.17“eqn. (7.59)” “eqn. (7.57)7.197.19“eqns 7.66 and 7.67” “eqns 7.60 and 7.61”7.217.21“eqn. 7.66” “eqn. 7.60”7.227.22“eqns 7.70 and 7.71” “eqns. 7.64 and 7.65”7.237.23“eqn. 7.71” “eqn. 7.65”7.247.24“eqn 7.79” “eqn 7.73”CHAPTER 8NEW PREVIEW--------------8.18.58.28.68.38.78.48.88.58.98.68.108.78.118.88.18.98.28.108.38.118.48.138.13“problem 8.5” “problem 8.9”CHAPTER 13NEW PREVIEW--------------3.17 3.17“Eq. (3.123)” “Eq. (3.119)”CHAPTER 14 - New Chapter, “Oscillators”CHAPTER 15 - New Chapter, “Phase-Locked Loops”CHAPTER 16 - Was Chapter 14 in Preview Ed.Change all chapter references in solutions manual from 14 to 16. CHAPTER 17 - Was Chapter 15 in Preview Ed.Change all chapter references in solutions manual from 15 to 17. CHAPTER 18 - Was Chapter 16 in Preview Ed.NEW PREVIEW--------------18.316.3“Fig. 18.12(c)” “Fig. 16.13(c)”18.816.8“Fig. 18.33(a,b,c,d)” “Fig. 16.34(a,b,c,d)”Also, change all chapter references from 16 to 18.。
CMOS模拟集成电路设计 拉扎维课件
1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley）
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
2.3.1体效应
对于NMOS，当VB<VS时，随VB下降，在没反型前， 耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背栅 效应”
其中，γ为体效应系数
HIT Microelectronics
VTH 0
VTH
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
15
2.3.2 沟道长度调制效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L’是VDS的函数。
定义L’=L-ΔL， ΔL/L=λVDS
λ为沟道长度调制系数。
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
16
2.3.3亚阈值导电性
当VGS≈VTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
CMOS模拟集成电路设计_ch7噪声2
2
4kT
2 3
1 g m1
gm2
g
2 m1
源随器和共源放大器的噪声表达式是一样的，而源随器的增益小 于1，所以低噪声放大器通常不使用源随器。
共源共栅级的噪声
V2 n,in
|M1,RD
4k
T
2 3gm
1
g
2 m
RD
M2的噪声对输出噪声的贡献较小
Vn,out RD
4kT
g
2 m
(2 3
gm
1 RD
)
辅助定理
用于简化噪声分析和计算 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
V2 n, gate
I2 n,DS
/
g
2 m
条件：由有限阻抗驱动；低频时
共源级放大器的噪声
V2 n,out
4kT
2 3
gm
K CoxWL
低频时输入阻抗很大，输入参考噪声电流可忽略， 仅计算输入参考噪声电压
把M1、M2、RD的噪声用噪声电压源 来表示，计算比较简单
Vn21
4kT
2 3gm
K CoxWL
1 f
V2 n,RD1
4kTRD
V2 n,in
8k
T
2 3gm
1
g
2 m
RD
2K CoxWL
1 f
电流源做负载的差动对
（从图（c）中可以看出M2栅极到输出的增益较小） Vn2
rO1
1 gm2
在高频时，
模拟CMOS集成电路设计 拉扎维 ——复旦大学课件
参杂半导体
• 掺入三家获五价原子，提供一个载流子。
• N型：掺入五价元素，如磷（P)、砷（As），
提供一个电子，电子导电。
若：ND 是参杂浓度，D代表施主浓度 多子（电子）浓度： nn = ND
少子（空穴）浓度：
Pn
=
n
2 i
/
ND
• P型：掺入三价元素，如硼（B)，
提供一个空穴，空穴导电。
若：NA 是参杂浓度，A代表施主浓度 多子（空穴）浓度： Pp = NA
参数化模块/单元 layout
宏模型 Matlab…
器件
器件特性
版图描述 design rule
器件模型 spice model
模拟集成电路的应用
• 模拟电路本质上是不可替代的
– 自然界是“模拟”的
• 集成传感器、显示驱动 • 模数和数模转换
– 数字信号经过传输后à模拟信号
• 无线和有线通讯 • 磁盘驱动
单极点低通Gm-C滤波器
Gm由偏置电流或电压确定，易受工艺、温度和电源 电压变化的影响
磁盘驱动器中的模块电路（2)
• 模数转换器(ADC)
– 6位ADC， – 由VCO提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控
制。 – 偏移控制：采集63个比较器的失调电压，反馈到输入
端，抵消由此引起的失真。
• 数字信号处理
dQn dVR
=
ε 0ε si 2 ΦB
qN D + VR
1
2
=
Cj0
1
1
+
VR ΦB
2
C j0
=
ε
0ε si qN 2Φ B
D
2
= ε0εsi xn
CMOS模拟集成电路设计_ch7噪声1
MOS管欧姆区的热噪声
栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声
总的来说欧姆区相对于沟道区的热噪声作用较小，在以后的分析中忽略
MOS管的闪烁噪声
Vn2
K CoxWL
1 f
工艺相关的系数K
数量级1025V 2 F
所以闪烁噪声也叫1/f 噪声 减少1/f 噪声主要靠增大器件面积
MOS管的总噪声
在1KHz—1MHz频带内，计算NMOS管源漏电流的总噪声
Pav
lim 1 t T
T /2
T /2 [x1(t)
x2
(t )]2
dt
lim 1 t T
T /2 T /2
x1 (t ) 2
dt
lim
t
1 T
T /2 T /2
x2
(t
)2
dt
lim 1 t T
T /2
T /2 2x1(t) x2 (t)dt
1 T /2
Pav1
Pav 2
lim
t
T
热噪声：
In2
4kT( 2 3
gm )
I2 n,tot
4kT( 2 3
gm )(106
103 )
4kT( 2 3
gm ) 106
1/f 噪声：
Vn,1/
f
2
K CoxWL
1 f
I n,1/
f
2
K COXWL
1 f
g
2 m
I 2 n,1/ f ,tot
Kgm2 COXWL
1MHz df f 1KHz
计算RC电路的输出噪声谱和总噪声功率
Vout (s) 1
VR
sRC 1
2
CMOS模拟集成电路第7章—噪声
2013-8-4
10
噪声的噪声类型
• 2.1 闪烁噪声
– 闪烁噪声
“悬挂”键 用一个与栅极串联的电压源模拟
K是一个与工艺有关的常量，数量级 在10-25V2F
转角频率
2013-8-4
11
电路中的噪声表示
3、电路中的噪声表示
• 输入参考噪声
首先计算总输出噪声电压；
•将输入置为零，计算各噪声源在 输出产生的总噪声 •然而，输出噪声与电路的增益有关， 无法对不同的电路的噪声性能进行比较
电路输入阻抗高，忽略输入参考噪声电流 忽略沟道长度调制，考虑热噪声， 1/f噪声 同理计算 共栅的M2的噪声对Vn,out很小的（或近似认 为没有）影响 低频时， M1和RD 的噪声电路流过RD，M1 和RD贡献的噪声可以像共源级电路一样量 化
M1 M2的电流噪声In2折算 到M2的栅端的电压噪声， 然后按带源极负反馈的 共源级电路计算到Vnout 的值，若M1的输出电阻 非常大，则增益很小， 可以忽略其影响。 17
对于不相关的波形（不同的噪声机制），结果中的积 分就变成0，非相关噪声源功率的叠加是成立的。
2013-8-4
6
噪声的噪声类型
2、器件的噪声类型
• 2.1 热噪声
– 电阻热噪声
k：波儿兹曼常数
可以用一个串联的电压源来模拟
19V2/Hz。 换算成电压量，得到0.91nV/Hz1/2.
Hz 表示
2013-8-4
4
噪声的统计特性
• 1.1 噪声谱（续）
定理7-1：如果把噪声谱为Sx(f) 的一个信号加在一个传 输函数是H(s)的线性时不变系统上，则输出谱由下式给 出。
式中H(f )=H(s=j2πf )
拉扎维模拟CMOS集成电路设计(前十章全部课件)
Φ MS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差 Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 23
重邮光电工程学院
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH VTH0 2F VSB 2 F ,
2qsiNsub Cox
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 3
重邮光电工程学院
数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真
失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 4
重邮光电工程学院
数字通信
1 0
11
10 01
00
使用多电平信号以减小所需的带宽 组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 4
重邮光电工程学院
MOS器件符号
MOS管等效于一个开关!
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 5
重邮光电工程学院
MOS器件的阈值电压VTN（P）
(a)栅压控制的MOSFET
(c)反型的开始
(b)耗尽区的形成
(d)反型层的形成
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 6
源极跟随器
无体效应
有体效应
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 24
重邮光电工程学院
MOSFET的沟道调制效应
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 25
重邮光电工程学院
MOSFET的沟道调制效应
L
L’
L' L L 1 1/ L' (1 L / L) L 1 1/ L' (1 V DS ), VDS L / L L nCox W ID (VGS VTH )2 (1 VDS) 2 L
CMOS模拟集成电路设计ch差分放大器实用学习教案
共模(ɡònɡ mó)增益为：
Av,CM
RD / 2
1 / (2gm ) RSS
RD 2RSS
第14页/共30页
第十五页，共30页。
小信号共模特性—RD失配(shī pèi)对共模响应的影响
ห้องสมุดไป่ตู้
VX Vin,CM
1
gm 2 gm RS S
RD
VY Vin,CM
1
gm 2 gm RS S
( RD
RD )
input common mode range,
)是：
只要在ICMR范围内
所以(suǒyǐ)共模电平一般选
在
第8页/共30页
右侧(yòu cè) 附近
第九页，共30页。
定量分析(dìngliàngfēnxī)
大信号分析（略）
小信号分析(fēnxī)
方法一（叠加法）（略）
Rs＝1/gm2 第9页/共30页
当Vin1比Vin2更正时，差动对两侧情况正好 与上述情况相反。
第5页/共30页
6
第六页，共30页。
两个(liǎnɡ ɡè)特点：
输出端的最大电平和最小电平分别是VDD和 VDD-RDISS，与输入(shūrù)共模电平无关
第6页/共30页
7
第七页，共30页。
当Vin, CM＝0时，ID1=ID2=ID3=0， M1、
4.3 共模(ɡònɡ mó) 响应
差动电路对共模扰动影响具有(jùyǒu)抑制作用，理想差动电路 的共模增益为零；但是实际上有以下一些非理想的因素
第13页/共30页
第十四页，共30页。
小信号(xìnhào)共模特性—RSS对共模响应的影响
VP随Vin,CM的变化而变化，若Rss为有限大小，则尾电流 随VP增加而增加， Vout1和Vout2会随之减小。 但如果电路完全(wánquán)对称，Vout1和Vout2仍然相等， 不会引入差分增益
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2 g m 2 ( rO 1 rO 2 ) 2
3
3
Vn2,in
=
Vn2 ,out /
Av
0
=
2 4kT
3
2 g m1
3
1 g m2 2
g m1
增大gm 1、减小gm2 ， 可LN
= 4kT 2 2 g m 2 3g m1 3g m21
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
10
共源级－实例分析
3、增大Av0可以增大SNR
输入信号在输出端产生的信号振幅为： g m 1 ( rO 1 rO 2 )V m
SNR为功率之比：
( ) SNR out =
[ g m 1 ( rO 1 rO 2 )V m / 2 ] 2 = 3C L 2 g m 1 g m 2 ( rO 1 rO 2 )kT 4 kT
2、若负载电容为CL， 求总输出热噪声
V2 n , out
= 4 kT 2 3
g m1
2 3
g
m
2
(
rO
1
rO22
频带内积分，得总输出
) 热噪声
2
V = n , out , tot
2 0 [ 4 kT3
g
m
1
2 3
g
m2
(
rO
1
1 rOsC2
L
) 2 ]df
( ) = 2 g m 1 g m 2 ( rO 1 rO 2 )kT
频增益Av0
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15
输入参考热噪声电压
2 ( 4 kT g m
)
R24
kT
D
4
2 kT (
g
m
1)
V n2,in =V n2,out = Av20
3
RD
( ) g m g mb
2R
2 D
=
3
RD
(g m g mb )2
模拟集成电路设计
第7章 噪声（二）
董刚 gdong@
微电子学院
1
上一讲
噪声的统计特性
平均功率
1
Pav = lim t T
T T/
/2
2x
2(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 2 = 4 kTR ( f )
rO )
1
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
6
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
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7
共源级
V2 n , out
3
CL
增大CL可以LN，但牺牲带宽；而带宽由输入信号带宽决定
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11
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
( ) V = 2 n , out , tot
2 3
g m1 g m2
( rO 1 rO 2 )kT CL
1、增大CL可以提高 SNR，但牺牲带宽； 2、增大gm1、减小gm2可以 提高SNR
随频率改变
5
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？
Vn2,
gate
=
I
2 n,
DS /
gm2
证明： 输出阻抗相同，只考察输出
短路电流是否相等即可
I n ,out 1=
Z
In S ( g m 1 / rO )
1
I n ,out 2 =
Z
g mVn S( g m 1 /
2
g
m
g
1 ( rO m1
1
g
rO 2
m2
)V
2 m
3
CL
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12
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 nCox LW ID
增大WL，但增大寄生电容降低速度
V2 n , in
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8
共源级
做放大器器适用时， 增大gm可LN
增大RD可LN
V2 n , in
=
V n2, out Av20
2 = 4 kT
3 g m
1
g
m2
R D
K C ox WL
1 fΒιβλιοθήκη V2 n , out2 = 4 kT
3
K gm
C ox WL
1 f
g
2 m
4 kT R2D R D
=
V n2, out = 4 kT 2
Av20
3 g m
1
g 2m
R D
K1 C ox WL f
Vn2,in =
4kT
2 3
1 g m2 g m1 g 2m1
1 COX
[
K P g2 m 2
(WL)
2
g 2
m1
KN 1 (WL)1 ] f
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13
本讲 噪声
环境噪声和器件噪声 热噪声和闪烁噪声
I
2 n
=
4 kT R
(
f
)
V2 n , MOS
=
K CoxWL
1 f
I
2 n , MOS
=
4kT
( 2g
m)
3
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2
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
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3
辅助定理
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做电流源使用 时，减小gm可LN
9
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
V2 n , out
= 4 kT 2
g m1
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
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14
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
2 = 4 kT
3
gm K C ox WL
1 f
g
2 m
4
kT
R2 D
R D
V2 n , in
=
V n2, out = 4 kT 2
Av20
3 g m
1
g 2m
R D
K1 C ox WL f
I2 n , in
=
1
2
Z in
4
kT
2 3g
m
1
g
2 m
R
D
K 1 C ox WL f 0（低频时）
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
=
I2 n , DS
/
2g
m
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若驱动阻抗无限
大，则右图中Vn2 一端悬浮，无法
起高作频用时，栅电压到
源漏电流的跨导会