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唯卫
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1 模拟集成电路设计原理 (Principle of Analog Integrated Circuit Design, INF ) 01 年 1 月 0 日副教授 zwtang@fudan.edu.cn 复旦大学 / 微电子学系 / 射频集成电路设计研究小组版权 01, 版权保留, 侵犯必究

2 版权 01, 版权保留, 侵犯必究基本晶体管级的噪声性能 -1-

3 版权 01, 版权保留, 侵犯必究信号噪声比和信号噪声失真比 V out SN 0.1% SND 1% 失真 0.1% 失真 0 0 信号噪声比 :Signal-to-Noise atio 信号噪声失真比 :Signal-to-Noise-and-Distortion atio V in -13-

4 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

5 版权 01, 版权保留, 侵犯必究噪声和时间的关系 v N t v N v N 为平均噪声功率 t ef.: Van der Ziel (Prentice Hall 1954, Wiley 1986), Ott (Wiley 1988) -15-

6 版权 01, 版权保留, 侵犯必究噪声和频率的关系 v N 1/f 噪声噪声密度 N V /Hz (V/ Hz) MS 白噪声积分噪声 V MS f 1 f f df f v v d f ( f f ) 1 N f N 1 N 1-16-

7 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电阻的噪声为热噪声 4kTdf 为白噪声, 值由 T 决定, 与 I 无关当 1 kω,t300 K(7 C ) 时 4 n(v/ Hz) MS di di 4kT df 为白噪声 -17-

8 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电阻的积分噪声 1 S S A v in C L v out BW f d 4k Sd v T f v S S 0 S 1 + (/ f BW ) BW 1 πc S L -18-

9 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电阻的积分噪声 A C BW BW n 1 pf v 64.5 μv S f π BW L MS v v v S S S 0 0 4kT BW kt C L dx + 1 x S S 1 + (/ f BW ) π π -19-

10 版权 01, 版权保留, 侵犯必究噪声密度与积分噪声 A v T f d 4k Sd S BW BW n f v S S (/ f BW ) kt C L 噪声密度 (V /Hz) S ( 或 1/ gm) 积分噪声 V 1/C MS L -110-

11 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电阻也有 1/f 噪声 V f KF df f v f A KF KF Si poly 10 Scm 10KF 1/f 噪声 -1 Si 例如 :0 个方块, 每个 50 Ω/, 构成 1 kω, 宽为 1 μm, V 0.1 V, 在 1 Hz 时 16 n(v/ Hz) MS f ef.: Vandamme, ESSDEC

12 版权 01, 版权保留, 侵犯必究二极管的噪声为散射噪声 I D di D di qi df D D -19 q C 为白噪声, 值由 I D 决定, 与 T 无关 I D 50 μa 时 di D 4 p(a/ Hz) MS -11-

13 版权 01, 版权保留, 侵犯必究二极管也有 1/f 噪声 I D di Df di I KF D Df D AD 为 1/f 噪声 df f -1 KFD 10 Acm 例如 : 二极管 A D 5 μm μm 10 μm, I D 0.1 ma 在 1 khz 时 di Df 1 n(a/ Hz) MS -113-

14 版权 01, 版权保留, 侵犯必究 MOST 的噪声 G G v in v gs r DS di DS v out g m v gs 4kT df G CH G 4kT dids df 4kT gmdf 3 ef.: Van der Ziel, Prentice Hall 1954, Wiley

15 版权 01, 版权保留, 侵犯必究 MOST: 等效输入噪声白噪声 ieq G v in v gs r DS v out g m v gs 3 4k T ( )d f + ieq eff eff G gm 高频时 : d i ( C ω) ieq GS ieq 与 ieq 相关 -115-

16 版权 01, 版权保留, 侵犯必究 MOST 的栅极串联电阻 G 双端连接的多插指结构减小串联电阻单端连接 1 3n G W sq L 两端连接 1 1n G W sq L -116-

17 版权 01, 版权保留, 侵犯必究 MOST 的衬底电阻 B V G V B V S V D W i p+ n+ n+ bl p-substrate b bv h ef.: Chang, Kluwer

18 版权 01, 版权保留, 侵犯必究衬底电阻产生的噪声 rg G B rb v ing v gs v bs v inb 0 v in ieq G v gs g m v gs g m v gs g mb v bs r DS ieq r DS 4k T ( )df eff ( n 1) eff G B gm n 1 C / C g / g D ox mb m

19 版权 01, 版权保留, 侵犯必究源极电阻产生的噪声 ieq G S 的噪声 <> G 的噪声 v in v gs g m v gs r DS S 4k T ( )df ieq eff ( n 1) eff S G B gm -119-

20 版权 01, 版权保留, 侵犯必究源极电阻 S 产生的噪声 v IN S ieq i OUT di out di M di G m g m 1 + g m S dim 4kT gmdf 3 di 4kT 3 4k T ( 1)df df di di 3 diout Gm 4k TS( + 1)df g di M outm (1 + gms) g m S out 1+ gms S + eff + S gms gm m S 3 di -10-

21 版权 01, 版权保留, 侵犯必究 MOST: 等效输入噪声练习 ieq G v in v gs r DS v out g m v gs /3 ieq 4k T( )df g m 当 V GS -V T 0. V,I DS 65 μa 时, 求 ieq -11-

22 版权 01, 版权保留, 侵犯必究 MOST: 等效输入噪声 1/f 噪声 ieqf G v in v gs r DS v out g m v gs KF F ieqf WLCox W 和 L 的单位为 cm, C ox 的单位为 F/cm df f pmost KF 10 C /cm F F F -3 nmost KF 4 10 C /cm -31 pjfet KF 10 C /cm

23 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电流与噪声 : 拐角频率 ieq 1/f 噪声 1 WL I DSlo I DShi 白噪声 1 L g W m f clo f chi f 拐角频率 g m -13-

24 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电流与噪声 : 练习, 求 f c ieq 1/f 噪声 I DSlo I DShi 白噪声 1 g m f clo f chi 练习 : 当 I DS 65 μa K ' n 60 μa/v L 1 μm (0.35 μm 工艺 ) 时, 求 f c? f -14-

25 版权 01, 版权保留, 侵犯必究从衬底看到的噪声 ieq ieqb n 1 C / C g / g D ox mb m 3 g 4kT d f 4kT df m ieq ieqb gm 3gmb KF df KF g df d v d WLC f WLC g f F F m ieqf v ieqfb ox ox mb -15-

26 版权 01, 版权保留, 侵犯必究三极管的噪声 B r B v in di B r π v be r o di C v out g m v be 4kTr df B B C B C B di qi df di qi df KF I BB Bf AEB df f -1 KFB 10 Acm ef.: Van der Ziel (Prentice Hall 1954) -16-

27 版权 01, 版权保留, 侵犯必究三极管 : 等效输入噪声 ieq r B v in di ieq r π v be r o v out g m v be r E 1 4k T ( )d f + r + r ieq eff eff B E gm di di qi df ieq B B -17-

28 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

29 版权 01, 版权保留, 侵犯必究接有源负载的放大器的噪声 V B ieq B v IN 1 M M1 v OUT C L 如果忽略 B di g + g g + d v ( ) g out m1 1 m m ieq 1 m1 g d v (1 + ) m ieq 1 gm1 小 g m : (W/L) (V GS -V T ) -19-

30 版权 01, 版权保留, 侵犯必究接有源负载的放大器的 1/f 噪声 V B B v IN 1f if 最小 : f M M1 v OUT C L KF K ' L L 10L 1 1 1opt KF ' K B 如果忽略 g + d v ( ) m if 1f f gm1 g d v [1 + ( ) ( ) ] m f if 1f gm1 1f KF K ' L d v [1 + ( ) ] 1 if 1f KF1 K ' L 1 那么 if 1f -130-

31 版权 01, 版权保留, 侵犯必究放大器的噪声系数 S S ieq in A v in di ieq v out NF NF NS + NA NA 1+ NS NS 1 ieq + Sdi 电压驱动 NF ieq 1+ S 4kTSdf 电流驱动 NF S -131-

32 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电阻噪声匹配 NF 0 db 10 db 3 db 0.4 db 0.04 db N N A S ieq di ieq Sopt k 10 k 100 k 1 MΩ β MOST g m 3.8 ms 100 r 100 Ω 0.1 ma 10 μa 1 μa S B Sopt di ieq ieq -13-

33 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

34 版权 01, 版权保留, 侵犯必究源极跟随器的噪声 ieq ie I CE S S A A v IN T I T di C T L di A ( ) T ieq ie + A + dit + dia 1+ gmt -134-

35 版权 01, 版权保留, 侵犯必究射极跟随器的噪声 ieq ie I CE S S di ie A A v IN T I T dit C L di A ( ) 1 T ieq ie + d va + ( S )diie + dit + dia gm 1+ gmt -135-

36 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

37 版权 01, 版权保留, 侵犯必究共栅放大器的噪声 ieq v IN 1 M M1 I B v OUT gmr DS1 >> 1 g 1 m ieq,m 1+ gmrds1 gm1 ( gm1rds1) 1 1 d v d v + d v d v ieq 1 1 ( gm1rds1) -137-

38 版权 01, 版权保留, 侵犯必究共栅放大器的输入参考噪声 g m r DS i s I B L v OUT i n v out (log) v in 1/g m S 1 r DS L L g r m DS L g m S g m S g m r DS S v i out s v i v i in s out n g r m DS r L S DS S -138-

39 版权 01, 版权保留, 侵犯必究折叠共栅放大器的噪声 B 3 M3 I B1 如果忽略 B ieq v IN 1 M1 I B M C L v OUT 小 g m3 : (W/L) 3 (V GS -V T ) 3 1 m3 ieq [ gm1( rds1// rds3 )] gm1 g -139-

40 版权 01, 版权保留, 侵犯必究接线性 MOST 的共栅放大器的噪声 ieq v IN 1 M I B v OUT V DS1 α M1处于线性区 V α < DS1 1 1 VGS1 VT DS1 1 DS1 GS1 T on1 1 GS1 T V 1 m DS on1 1 gm 0.5 I βv ( V V ) 1 β ( V V ) A α g r 4kT /3 d vieq ( + )df α -140-

41 版权 01, 版权保留, 侵犯必究共栅放大器的小信号模型 ieq v d 1 v v in g m v r DS on1 g m1 v in α g r vout g r out1 1 m DS m DS v1 4kT /3 d vieq ( + )df α on1 1 gm v out DS1 1 DS1 GS1 T C L I βv ( V V ) on1 1 GS1 T on1 1 α1 1 β ( V V ) 4kT m df 4kT /3 df g

42 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

43 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电流镜的噪声 di in i IN i OUT di out di 1 M1 M 1 : B di d i + B (di + d i ) out in 1 di 4kT gmdf 3 小 g m : (W/L) (V GS -V T ) -143-

44 版权 01, 版权保留, 侵犯必究源极接串联电阻的电流镜的噪声 1 di in i in i out di out di 1 di 1 M1 M 1 : 1 1 di di 小 g m : (W/L) (V GS -V T ) 1 g g d i ( )[ di + ( ) di ] + ( )[ di + ( ) d i ] m m 1 out gm gm1 1+ gm -144-

45 版权 01, 版权保留, 侵犯必究源极接串联电阻的电流镜的噪声 gm1 gm gm 1 gm diout ( ) d ( ) d 1 1 gm i + i + 1+ gm di out 8kTgmdf 4 4kT gmdf 3 (log) diout, 8kTgmdf di out, di 8kT df 4 4kT g 3 m out,m ( gm) df /3 1 3/ g / m ef.: Bilotti, JSSC Dec 75,

46 版权 01, 版权保留, 侵犯必究源极接串联电阻的电流镜 I out di out I out di out I out di outm 相同的和相同的 : di I out di out out V G M1 M M3 V G ( V V ) GS T 1 ( WL / ) 1 ( V V ) GS T 3 ( WL / ) 3 M4 小 g m : GS ( WL / ) ( V V ) T V G -146-

47 版权 01, 版权保留, 侵犯必究双极型晶体管电流镜的噪声 Q 3 引入的噪声 : i in Q3 Q1 1 : B Q i out di qi df outq3 C3 引入的噪声 : di out 4k T / df β 3 二者均需除以后加到输出, 因此, 均可或忽略! -147-

48 版权 01, 版权保留, 侵犯必究接串联电阻的低噪声电流镜 V G1 M1 i out 1 out 4 I 3 out 4 I di out1 M diout 8kT Iout diout 3 VGS V 选用大的或 V G G > V G1 相同的和不同的 : I out 1 个 MOST: 个 MOST: V df G V > V di di + di out out1 out V G 8kT Ioutdf 1 9 VG1 VT ( + ) 3 V V 4 16 V V G1 T G G1 T G1-148-

49 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

50 版权 01, 版权保留, 侵犯必究差分对的噪声 V DD ieq 1 I B A v OUT v IN- M1 v OUT M v IN+ A v OUT L L V SS ieq

51 版权 01, 版权保留, 侵犯必究接有源负载差分对的噪声 V DD I B di di + di out 1 3 ieq gm1 gm1 g d v (1 + ) m3 ieq 1 gm1 v IN- M1 di 1 di M v IN+ di 3 M3 M4 di 4 v OUT C L 小 g m3 : (W/L) 3 (V GS -V T ) 3 V SS -151-

52 版权 01, 版权保留, 侵犯必究接源电阻的差分对 gm 1 I B I B / I B / 4kT diout df in iout f + ib 忽略 di B (4kTd f ) 4kT d ( d d ) dib 4kT gmbdf 3 in (4kTd f )(1 + gmb) 3-15-

53 版权 01, 版权保留, 侵犯必究放大器的噪声 1 ieq 1 A A v OUT ieq d v ( ) 1 out d v ( ) out1 1 1 out ( 1 + ) outa A 1 d v d d ( v + v ) + d v (1 + ) + ieq A 1 A -153-

54 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

55 版权 01, 版权保留, 侵犯必究密勒 CMOS OTA V DD 5 M7 1:B M5 GBW C L 1 MHz 10 pf v IN- V SS M1 M3 3 M 1 M4 v IN+ C c Z OUT Z OUTCL 4 M6 L C L C n1 g Lo6 0 μs g I g g I m1 DS1 o4 m6 DS6 C c 7.5 μs 1.1 μa 0.03 μs 46 μs 5 μa 1 pf -155-

56 版权 01, 版权保留, 侵犯必究密勒 CMOS OTA: 噪声密度 1 C c in1 1 in 4 v out v neq v in v n1 g m1 v in g o4 C n1 g m6 v n1 g Lo6 C L 4/3 /3 4kT d f 4kT df g in1 in gm1 m6-156-

57 版权 01, 版权保留, 侵犯必究密勒 CMOS OTA: 噪声密度 eq Dominant on linear frequency scale! A v10 in1 neq f z GBW f nd /3 4kT df g m6 f in neq A V10 f z A g g V1 m1 o4 g o4 πc c -157-

版权 01, 版权保留, 侵犯必究密勒 CMOS OTA: 积分噪声 A 1 v nieq nieq 0 1 + (/ f GBW ) GBW GBW n π GBW

58 版权 01, 版权保留, 侵犯必究密勒 CMOS OTA: 积分噪声 A 1 v nieq nieq (/ f GBW ) GBW GBW n π GBW f 0 dx + π 1 x 4/3 π vnieq 4kT GBW g m1 C 1 pf v 74.5 μv c s MS v nieq 4kT 3 C c -158-

59 版权 01, 版权保留, 侵犯必究噪声密度与积分噪声 A BW BW n f 4/3 in 4kT df g v m1 4kT 1 + (/ f GBW ) 3C ni ni 0 c 噪声密度 (V /Hz) ~ 1/g m ( 或 S ) 积分噪声 (V EM ) ~ 1/C c -159-

60 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

61 版权 01, 版权保留, 侵犯必究容性源放大器 C f i in C a C a I DS A v out A V C a f C C a f 5 pf C 1 pf v in CGS kw k ff/μm W opt? I DSopt? 如果 V in 10 mv MS, (S/N) opt? -161-

62 版权 01, 版权保留, 侵犯必究容性噪声匹配 1 C f v out C f v out I DS I DS C a i ieq C a C GS vgs 0 C GS vgs 0 v C + C + C v C out f a GS i f v v out ieq C C a f -16-

63 版权 01, 版权保留, 侵犯必究容性噪声匹配 C f ( C + C + C ) f a GS ieq i Ca v in ieq C a C GS I DS i 8kT 1 3 g m df ' W gm Kn ( VGS VT ) L ( Cf + Ca + kw ) L 8kT 1 ieq C ' a W Kn VGS VT 3 ( ) -163-

64 版权 01, 版权保留, 侵犯必究容性噪声匹配 3 ieq 噪声匹配条件工作点 CGS Cf + Ca opt 1/ g m CGS W opt C f + C k a W opt W ( Cf + Ca + kw ) L 8kT 1 ieq C ' a W Kn VGS VT 3 ( ) -164-

65 版权 01, 版权保留, 侵犯必究容性噪声匹配 4 ieq W opt C f + C k CGSopt, IDSopt, gmopt a opt W opt Cf + C a 8kT df opt 4 Ca 3 g W mopt BW n π π f 1 g A 4A C T BW mopt V V GSopt S 10 mv MS N opt optbwn -165-

66 版权 01, 版权保留, 侵犯必究目录噪声定义共源放大器的噪声源极跟随器的噪声共栅放大器的噪声电流镜的噪声差分对的噪声密勒 CMOS OTA 的噪声容性噪声匹配电压 / 电流检测器的噪声对比 ef.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer

67 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电压检测放大器的噪声源 di F i IN did A i i v OUT L C L 4kT /3 di qi d f di d f 4kT df g D D A F m

68 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电压检测放大器的噪声密度 di ieq F i i i IN v OUT L C L 如果 F > 3/ g m di di di di di A ieq D + + D + F -168-

69 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电流检测放大器的噪声源 di D i IN A i i v OUT F C L did qidd f dia 4kT gmdf

70 版权 01, 版权保留, 侵犯必究电流检测放大器的噪声密度 di ieq i i i IN v OUT F C L diieq did + 4kT gmdf 3 为晶体管噪声! -170-

71 版权 01, 版权保留, 侵犯必究噪声密度的比较 4kT 电压放大器 : iin di df F 电流放大器 : iin dia 4kT gmdf 3 当 F > 3 g m 时, 电压放大器较好, 噪声密度较小 -171-

72 版权 01, 版权保留, 侵犯必究积分噪声的比较大 I π D : iin d id( BW ) π kt L g 电压放大器 : iin d i( BW ) ( ) C m L F P π kt g 电流放大器 : iin d ia( BW ) 3 C m F L 当 F > 3 4 L 时, 电压放大器较好, 积分噪声较小 -17-

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