模拟集成电路设计原理 (Principle of Analog Integrated Circuit Design, INF013005.0) 01 年 1 月 0 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 01, 版权保留, 侵犯必究
版权 01, 版权保留, 侵犯必究 基本晶体管级的噪声性能 -1-
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-
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 006-14-
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-
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-
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-
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-
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-
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 0 1 + (/ 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-
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 04-111-
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 1.6 10 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-
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-
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 1986. -114-
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-
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-
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 1991-117-
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 -118- eff 3 + + ( n 1) eff G B gm n 1 C / C g / g D ox mb m
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 3 + + + ( n 1) eff S G B gm -119-
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-
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-
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 -33-1-
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-
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-
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-
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-
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-
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 006-18-
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-
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-
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-
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 100 10 1 0.1 0.01 ieq di ieq Sopt 10 100 1 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-
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 006-133-
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-
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-
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 006-136-
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-
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-
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 1 + + 3 [ gm1( rds1// rds3 )] gm1 g -139-
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-
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 -141- 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
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 006-14-
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-
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 1 1 1+ gm gm1 1+ gm -144-
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/ -145- g / m ef.: Bilotti, JSSC Dec 75, 516-54
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-
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-
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-
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 006-149-
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 1-150-
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-
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-
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 1 1 1 A 1 A -153-
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 006-154-
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-
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-
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 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-
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-
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 006-160-
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-
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-
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-
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-
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-
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 006-166-
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 -167- m
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-
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 3-169-
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-
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-
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-