高级模拟集成电路设计 (Analog Design Essentials) 011 年 1 月 19 日 副教授 zwtang@fudan.edu.cn http://rfic.fudan.edu.cn/courses.htm 复旦大学 / 微电子学系 / 射频集成电路设计研究小组 版权 010-011, 版权所有, 侵犯必究
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 基本晶体管级的噪声性能 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -1-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 信号噪声比和信号噪声失真比 out SN SND 失真失真 信号噪声比 :Signal-to-Noise atio 信号噪声失真比 :Signal-to-Noise-and-Distortion atio in 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -13-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -14-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 噪声和时间的关系 v N v N ef.: Van der Ziel (Prentice Hall 1954, Wiley 1986), Ott (Wiley 1988) 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -15-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 噪声和频率的关系 v N 噪声密度 V/Hz (V/ Hz) MS N f v v d v d f ( f f )d v 积分噪声 V MS 1 N f N 1 N 1 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -16-
版权 011, 版权所有, 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,t=300 K(7 C ) 时 4 n(v/ Hz) MS di 4kT d i df 为白噪声 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -17-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电阻的积分噪声 1 v S d 4k Sd v T f v S S 0 S 1 ( fbw / ) BW 1 πc S L 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -18-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电阻的积分噪声 C n π BW 1pF v 645μV 64.5 L MS S v v S 0 0 v S 1 ( fbw / ) dx π 1 x π 4k TS BW v S S kt C L 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -19-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 噪声密度与积分噪声 d 4k Sd v T f S n v S S 0 1 ( fbw / ) kt C L 噪声密度 (V /Hz) S ( 或 1/ gm) 积分噪声 V 1/C MS L 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -110-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电阻也有 1/f 噪声 f KF df v f f A 1/f 噪声 KFSi 10 Scm KF 10KF poly -1 Si 例如 :0 个方块, 每个 50 /, 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 04 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -111-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 二极管的噪声为散射噪声 di D di qi df q 1.6 10 C -19 D D 为白噪声, 值由 I D 决定, 与 T 无关 ID 50 μa A 时 di D 4 p(a/ Hz) MS 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -11-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 二极管也有 1/f 噪声 di Df di KF D d Df ID AD f 为 1/f 噪声 f -1 KFD 10 Acm 例如 : 二极管 AD 5 μm μm10 μm, ID 0.1 ma 在 1 khz 时 di Df 1 n(a/ Hz) MS 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -113-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 MOST 的噪声 G G in gs DS di DS out m gs v T f d G 4k G d 4kT i f T g f d DS d 4k m d CH 3 ef.: Van der Ziel, Prentice Hall 1954, Wiley 1986. 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -114-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 MOST: : 等效输入噪声 白噪声 ieq 3 d v 4k T ( )d f g ieq eff eff G m 高频时 : d i ieq ( CGSω) ieq 与 d 相关 ieq 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -115-
版权 011, 版权所有, 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 G 1 sqw 3n L 两端连接 1 sqw 1n L G 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -116-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 MOST 的衬底电阻 B ef.: Chang, Kluwer 1991 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -117-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 衬底电阻产生的噪声 rg G B rb ing gs bs inb ieq m gs mb bs ieq DS 4k T( )df eff 3 ( n1) eff G B gm n1 C / C g / g D ox mb m 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -118-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 源极电阻产生的噪声 ieq G S 的噪声 <=> G 的噪声 in S gs m gs DS 4k T( )df ieq eff 3 ( n1) eff S G B g m 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -119-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 源极电阻 S 产生的噪声 G m g m 1 g di out M ieq di M di m S di 4kT gmdf 3 di 4kT 3 d v 4k T ( 1)d f df di d i di M outm (1 gms) 3 diout Gm 4k TS( 1)df g g di m S out 1 gms S gm eff S S g m m S 3 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -10-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 MOST: : 等效输入噪声 练习 ieq /3 d vieq 4k T ( )d f g m 当 V GS -V T =0. V,I DS =65 μa 时, 求 ieq 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -11-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 MOST: : 等效输入噪声 1/ 1/f 噪声 ieqf v KF F d ieqf WLCox f W 和 L 的单位为 cm, C ox 的单位为 F/cm f pmost KF 10 C /cm F F -3 nmost KF 4 10 C /cm -31 pjfet KF 10 C /cm -33 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -1- F
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电流与噪声 : 拐角频率 ieq 1/f 噪声 1 WL DSlo DShi 白噪声 1 L g W m clo chi 拐角频率 g m 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -13-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电流与噪声 : 练习, 求 f c ieq 1/f 噪声 DSlo 白噪声 1 g g m DShi clo chi 练习 : 当 IDS 65 μa K ' n 60 μa/v L 1 μm (0.35 μm 工艺 ) 时, 求 f c? 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -14-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 从衬底看到的噪声 ieq ieqb n1 C / C g / g D ox mb m 3 g 4kT d f 4kT df m ieq ieqb g m 3g mb KF df KF g df d v d WLC f WLC g f F F m ieqf v ieqfb ox ox mb 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -15-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 三极管的噪声 B di B di C 4kTr df d B B ib q IB d f di qi df C C v KF I d BB Bf AEB f f -1 KFB 10 Acm ef.: Van der Ziel (Prentice Hall 1954) 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -16-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 三极管 : 等效输入噪声 ieq B in di ieq be o out m be E 1 4k T( )d f r r ieq eff eff B E gm di di qi df ieq B B 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -17-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -18-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 接有源负载的放大器的噪声 ieq B 1 1 如果忽略 B di g g out m1 1 m g d v ( ) g m ieq 1 gm1 g d v d v (1 ) m ieq 1 gm1 小 g m : (W/L) (V GS -V T ) 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -19-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 接有源负载的放大器的 1/f 噪声 B f 如果忽略 B g d v d v d v ( ) m if 1f f gm1 1f g m f vif v1f gm1 1f 1 1 1opt KF ' d d [1 ( ) ( ) ] ' KF K L1 if d v1f [1 ( ) ] KF ' 1 K L 1 KF K ' if 最小 : L L 10L 那么 if 1f KF K 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -130-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 放大器的噪声系数 in S S ieq di ieq in out NF NF N N N S A 1 A NS NS 1 ieq Sdi 电压驱动 NF ieq 1 S 4kTSdf 电流驱动 NF S 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -131-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电阻噪声匹配 NF N A N S β 100 r 100 Ω B ieq di ieq 0.1 ma 10 μa 1 μa MOST gm 3.8 ms Sopt Sopt ieq dii ieq 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -13-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -133-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 源极跟随器的噪声 ieq ie A S di T T T di di ieq ie A T A 1 gmt 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -134- di A A
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 射极跟随器的噪声 d ieq ie CE S S di ie A IN di T T T L di A 1 T d v di di di ieq ie A ( S ) ie T A gm 1 gmt 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -135-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -136-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 共栅放大器的噪声 B gmrds1 1 OUT ieq IN 1 g 1 1 gmrds1 g 1 ( g r ) m ieq,m m1 m1 DS1 1 ieq 1 1 ( gm1rds1 ) 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -137-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 共栅放大器的输入参考噪声 m DS s B L n S OUT in out m L g r L m DS L g m S m S v i out s v in i s v out i n g r m DS DS m DS S L r S DS S 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -138-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 折叠共栅放大器的噪声 B 3 如果忽略 B B1 ieq 1 OUT 小 g m3 : (W/L) 3 IN B L (V GS -V T ) 3 1 m3 ieq 1 3 [ gm1( rds1// rds3 )] gm1 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -139- g
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 接线性 MOST 的共栅放大器的噪声 ieq IN 1 B OUT DS1 α 处于线性区 V α DS1 1 1 VGS1 VT 0.5 I βv ( V V ) DS1 1 DS1 GS1 T on1 1 β ( V V ) 1 GS1 T A α g r V 1 m DS 4kT /3 d vieq ( )df α on1 1 gm 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -140-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 共栅放大器的小信号模型 I βv ( V V ) DS1 1 DS1 GS1 T 1 β ( V V ) ieq 1 on1 1 α1 v d v α g r g r out1 out 1 m DS m DS v1 4kT /3 v f d ieq ( on1 )d α1 gm on1 1 GS1 T 4k T m df 4k T /3 df g 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -141-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -14-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电流镜的噪声 diin di di out di 1 di d i B (di d i ) out in 1 di 4kT gmdf 3 小 g m : (W/L) (V GS -V T ) 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -143-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 源极接串联电阻的电流镜的噪声 1 di in di out di di 小 g 1 m : di 1 di (W/L) (V GS -VV T ) 1 g g d i ( ) [ di ( ) di ] ( ) [ di ( ) d i ] m m 1 out 1 1 1 gm gm1 1 gm 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -144-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 源极接串联电阻的电流镜的噪声 g g g 1 g d i ( ) di ( ) d i m1 m m m out 1 1gm i 1gm di diout, 8kTgmdf out 8kT 8kTg mdf diout, df 4 4k T g mdf 4 3 4kT g di 3 out,m ( g ) m m df g / ef.: Bilotti, JSSC Dec 75, 516-54 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -145- m
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 源极接串联电阻的电流镜 out di out out di out out di outm 相同的 I 和相同的 V : d i I out d i out out V G G ( V V ) GS T 1 ( V V ) GS T 3 ( WL / ) 1 ( WL / ) 3 小 g m : GS ( WL / ) ( V V ) T V G 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -146-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 双极型晶体管电流镜的噪声 Q 3 引入的噪声 : 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! 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -147-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 接串联电阻的低噪声电流镜 1 3 4 I 相同的 I out 和不同的 V : G out 4 I out 1 个 MOST: di out1 diout 8kT I out d iout 3 VGS 选用大的 或 V G 个 MOST: V df V V G G1 V G V di out di out1 di out G1 T 8kT Ioutdf 1 9 VG1 VT ( ) 3 V V 4 16 V V G1 T G G1 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -148-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -149-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 差分对的噪声 ieq 1 OUT OUT ieq 1 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -150-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 接有源负载差分对的噪声 d i d i d i out 1 3 ieq gm1 gm1 g d v (1 ) m3 ieq 1 g m1 di 3 di di 1 di 4 小 g m3 : (W/L) 3 (V GS -V T ) 3 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -151-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 接源电阻的差分对 g 1 B B B m 1 4kT 4k T d iout df d iout ( d f d ib ) 忽略 di B dib 4kT gmbdf 3 in (4kTd f) in (4kTd f)(1 gmb) 3 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -15-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 放大器的噪声 ieq 1 A 1 ieq d vout ( ) d v ( ) out1 1 1 out d v d v ( 1 ) outa A 1 1 1 d v ieq d v 1 d v ( ) d va (1 ) d v1 d va 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -153-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -154-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 密勒 CMOS OTA GBW 1MHz C 10 pf L 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 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -155-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 密勒 CMOS OTA: : 噪声密度 1 c in1 in out neq in n1 m1 in o4 n1 m6 n1 Lo6 L 4/3 /3 4kT d f 4kT df g in1 in gm1 m6 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -156-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 密勒 CMOS OTA: : 噪声密度 eq in1 Av10 neq /3 4 kt d f g m6 in neq A V10 f z A g g V1 m1 o4 g o4 πc c z nd 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -157-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 密勒 CMOS OTA: : 积分噪声 v nieq nieq 0 1 ( fgbw / ) n dx π 0 1 x π GBW 4/3 π vnieq 4kT GBW g m1 C 1pF v 745μV 74.5 c s MS v nieq 4kT 3 C c 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -158-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 噪声密度与积分噪声 n 4/3 in 4kT df g v m1 4kT 1 ( fgbw / ) 3 C ni ni 0 c 噪声密度 (V /Hz) ~ 1/g m ( 或 S ) 积分噪声 (V EM ) ~ 1/C c 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -159-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -160-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 容性源放大器 f DS a in a out in A V C a f C a C f 5pF C 1 pf CGS kw k ff/μm W opt? I DSopt? 如果 V in =10 mv MS, (S/N) opt? 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -161-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 容性噪声匹配 1 f out f out DS DS a i ieq a v GS gs 0 v GS gs 0 vout Cf Ca C v GS out C v C vieq Cf i f 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -16- a
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 容性噪声匹配 ( C C C ) f a GS ieq i C a ieq 8kT 1 d vi 3 g m d f ' W gm Kn ( VGS VT) L ( Cf Ca kw ) L 8kT 1 ieq C a W K ' n VGS VT 3 ( ) 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -163-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 容性噪声匹配 3 ieq 噪声匹配条件 工作点 C C C GS f a opt 1/ g m CGS W opt C f C k a ( Cf Ca kw ) L 8kT 1 ieq C ' a W Kn VGS VT 3 ( ) 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -164-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 容性噪声匹配 4 ieq Cf Ca Wopt k CGSopt, IDSopt, gmopt opt Cf C a 8kT df opt 4 C a 3 g mopt BW n π π f 1 gmopt S 10 mv BW A V 4AV CGSopt N opt BW T opt MS n 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -165-
版权 011, 版权所有, 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 006 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -166-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电压检测放大器的噪声源 di did A 4kT /3 i I f i f v T f d D q D d d d d A 4k d F gm 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -167-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电压检测放大器的噪声密度 di ieq F IN OUT L L 如果 F 3/ g m d d i d i d i v d i d i A ieq D D F 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -168-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电流检测放大器的噪声源 di D IN A OUT F L d i q I d f d i 4k T g d f 3 D D A m 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -169-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 电流检测放大器的噪声密度 di ieq IN OUT diieq did 4kT gmdf 3 为晶体管噪声! 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -170- F L
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 噪声密度的比较 4kT 电压放大器 : i IN di df F 电流放大器 : i IN dia 4kT gmdf 3 当 F 3 g m 时, 电压放大器较好, 噪声密度较小 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -171-
版权 011, 版权所有, 侵犯必究 积分噪声的比较 大 I D : i IN d i ( BW ) π D π kt 电压放大器 : L g i IN d i( BW ) ( ) C m L F P π kt g 电流放大器 : m iin d ia( BW ) 3 C F L 当 F 3 4 L 时, 电压放大器较好, 积分噪声较小 复旦大学射频集成电路设计研究小组 -17-