模拟CMOS集成电路设计拉扎维第7章噪声二

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21
源跟随器
用前面方法，计算输 入参考1/f噪声电压
计算输入参考热噪声电压: 输入短接地
I
2 n
2
=
4kT
2 g
3
m2
V2 n ,out
M2
=
I
2 n
2
(
1
g m1
1 rO1 rO 2 )
g mb 1
1
Av =
rO1 rO 2 g mb1 1 rO1 rO 2 1
) 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
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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对于给定偏置电流，减小gm2需要增大过 电压，导致输入摆幅减小
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共栅级的噪声特点
热噪声
从输入到输出的电流增益为1
1/f噪声
增大WL
Vn2,in ,1/ f =
1
[
g
2 m1
K
N
2g m 3 K]P
1
COX f (WL)1 (WL)3 ( g m1 g mb1 ) 2
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
本讲 噪声
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 /
rO )
1
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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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共源级
V2 n , out
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
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
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输入参考热噪声电流
思路： 将输入断路（相当于驱动 源内阻为无穷大情形）， 计算输出端噪声电压；再
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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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
频增益Av0
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( ) g m g mb
2
R
2 D
=
3
RD
(g m g mb )2
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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
Vn2,out =
1
2
2
[ g m1 K N g m3 K ]P(rO1 rO 3 )2
COX f (WL)1 (WL)3
Vn2,out Vn2,in =
Av20
= COX f
[
12 g (WL)1
m1
K2 N (WL)3
g]m 3 (g
KP m1
g
mb1
1 )2
把输入参考1/f噪声和输 入参考热噪声相加，可
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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共源共栅级
Vn2,in|
=
M 1, RD
4kT 2 3g
m
1 g2m RD
只考虑热噪声
M2的噪声对输出噪声的贡献很小，因为 Vn ,out = 图（c）中从M2栅极到输出的增益很小 Vn 2
I2 n , in , 热噪声
=
4 kTR D
R
2 D
=
4 kT RD
I
2 n ,in ,1/ f
=
1
[
g
2 m
2
K
N
2g m 3 K]P
COX f (WL) 2 (WL)3
2 ( 4 kT
gm
4
kT
)
R
2 D
2 4 kT ( g m
1
)
V n2,in ,热噪声
V n2,out =
=
Av20
3
RD
3 g m
1
g
m2
R D
K C ox WL
1 f
V2 n , out
2 = 4 kT
3
K gm
C ox WL
1 f
g
2 m
4 kT R2D R D
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做电流源使用 时，减小gm可LN
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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
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
输入开路，计算输入参考1/f噪声电流
得输入参考总噪声
Vn2,out =
1
2
2
[ g m 2 K N
g
m3
K]RP out 2
I
2 n ,in
=
1
2
2
[ g m 2 K N g m 3 K]P
COX f (WL) 2 (WL)3
COX f (WL) 2 (WL)3
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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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辅助定理
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
随频率改变
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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
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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本讲 噪声
噪声ห้องสมุดไป่ตู้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
增大gm 1、减小gm2 ， 可LN
= 4kT 2 2 g m 2 3g m1 3g m21
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共源级－实例分析
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
计算输入参考热噪声电压
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计算输入参考热噪声电压
计算输入参考热噪声电压： 需要将输入短路
思路： 求出总输出参考热噪声电压， 除以差动增益的平方即可
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计算输入参考热噪声电压
求出总输出参考热噪声电压
In1和In2不相关，P点不能当作 交流地，因此，无法用半电路 法来简化计算
g mb1
g m1
V2 n,in
=
Vn21
Vn2,outM2 A2v
= 4kT
2 1 gm2 3 gm1 g2 m1
增益小于1，因此输入参考噪声较大
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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
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
=
V n2, out = 4 kT 2
Av20
3 g m
1
g 2m
R D
K1 C ox WL f
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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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差分对
可以看作二端口电路 低频时输入端口看到的输入阻抗很大，使得输入参考噪声电 流可忽略
计算方法： 分别计算每个噪声源对输出的 影响，然后总叠加
Vn ,out |M 1 =
I n1 RD1 2
I n1 2
RD
2
若RD1=RD2，则：
Vn2,out
M
1
=
I
2 n1
R2D
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计算输入参考热噪声电压
求出总输出参考热噪声电压
加上RD的噪声，总输出噪声电 压为：
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）
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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
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
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
RD 1
rO1
（同带源极负反馈的放大器）
g m2
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共源共栅级
在高频时X节点的电容会使得从M2栅 极到输出的增益变大，增大输出噪声
Vn ,out = Vn 2
RD 1 / sC x 1
g m2
高频时，X节点的电容还会旁路 M1产生的信号电流，从而减小 Vin到Vout的增益，导致输入参 考噪声电压增大
模拟集成电路设计
第7章 噪声（二）
董刚 gdong@mail.xidian.edu.cn
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 )
V n2,out = ( I n21 I n22 )2 R D 2 ( 4 kTR D )
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偏置电路对噪声的影响
In22
2 4kT
3
gm 2
1 ID = gm (VGS VTH )
2
忽略M0的噪声的影响（电容C0将该 噪声旁路到地）
输入短接地，计算输入参考噪声电压: M2的噪声对计算结果无影响
输入开路，计算输入参考噪声电流：
M2的噪声电流直接与前面计算的结果相
加即可。减小gm2可以减小M2贡献的输 入参考噪声电流
计算输入增益
I2 n , in
=
4 kTR D
R
2 D
=
4 kT RD
In12对Vn,out2的计 算无影响
共栅级的缺点： 由于从输入到输出 的电流增益为1，因 此，负载电阻的噪 声电流将直接反映 在输入端
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输入参考1/f噪声电压和电流
计算输入参考1/f噪声电压和电流 输入短接地，计算输入参考1/f噪声电压
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
g
m
g
1 ( rO m1
1
g
rO 2
m2
)V
2 m
3
CL
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共源级的LN设计