模拟集成电路设计第7章噪声（一）董刚gdong@mail.xidian.edu.cn微电子学院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
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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为什么要学习噪声知识？电路能处理的信号的最小值等于噪声的水平设计AIC时通常需要考虑噪声指标体现在信噪比（SNR）这一指标上低噪声AIC在很多领域有重要应用统计学特性噪声是一个随机过程每一时刻的幅值是不能预测的哪些特性可以被预测？平均功率、功率谱密度（噪声谱）、幅值分布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定的平均功率，可以预测平均功率的定义：若x(t)为电压信号，则Pav单位为V2均方根值（rootmeansquare）的定义：平均功率只反映了噪声的功率特性（幅值特性），没反映频率特性噪声谱又称为“功率谱密度”(PSD:Powerspectraldensity)；PSD定义为：在每个频率上信号具有的功率的大小；反映了噪声的功率和频率两方面的特性X(t)信号的PSD写为SX(f)；SX(f)定义为：f附近1Hz带宽内X(t)具有的平均功率；单位V2/Hz电路中大多数噪声源有可预测的噪声谱噪声谱PSD在整个频率范围内为相同值白噪声定理适用于线性时不变系统分析电路噪声时的理论依据线性时不变系统：具有叠加性、均匀性并且系统参数不随时间变化的系统噪声谱被H(f)“整形”电话系统带宽为4KHz，声音信号的高频部分被滤除“双边”谱和“单边”谱参考文献[1]X(t)如果是实数，则SX(f)为f的偶函数（“双边”谱）从数学角度看[f1，f2]频率范围内x(t)总功率Pf1,f2用带通滤波器测量的结果为“单边”谱（0到+Hz）“双边”谱“单边”谱幅值分布概率密度函数噪声瞬时值不可预测，但通过长期观察、统计，可以得到每个值出现的概率大小PDF：Probabilitydensityfunction，定义为：许多随机量的PDF表现为高斯（正态）分布，如电阻的噪声相关噪声源和非相关噪声源电路中通常同时存在多个噪声源相关噪声源噪声功率不可以直接叠加非相关噪声源不相关器件产生的噪声；噪声功率可以直接叠加x1(t)和x2(t)不存在相关性时，第三项为零；相关时第三项不为零；相关性越高（波形相似程度），第三项的值越大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，总噪声功率低比赛中，观众齐声呐喊，产生相关噪声，总噪声功率高AIC设计中研究的噪声源通常是不相关的，因此噪声功率可直接叠加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噪声的分类“环境”噪声和器件噪声“环境”噪声指来自电源线、地线、衬底等“外环境”的噪声（干扰）器件噪声指构成AIC的器件本身所产生的噪声，如电阻、MOS管等器件噪声热噪声电阻噪声、MOS管的沟道热噪声闪烁噪声MOS管热噪声来源导体中载流子的随机运动，引起导体两端电压波动随机运动程度与绝对温度有关，因此噪声谱与绝对温度成正比电阻的热噪声噪声谱密度：SV(f)=4kTR教材上默认f=1Hz极性不重要，但在分析电路时要保持不变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1pF电容时为64.3V与R无关，只能增大C来减小噪声开关电容电路的采样噪声用电流源来表示热噪声噪声可以用串连电压源来表示，也可以用并联电流源表示多种表示的意义选择合适的表示法，会降低电路分析的复杂度完整表征噪声需要这两种表示法——见“输入参考噪声”部分MOS管沟道区的热噪声工作在饱和区的长沟道MOS管不是体效应系数。长沟道MOS管的=2/3亚微米MOS管会很大（0.25微米工艺时为2.5）单个MOS管能产生的最大热噪声电压：减少gm可降低噪声。当gm不影响其他关键指标时，应尽量小MOS管欧姆区的热噪声欧姆区热噪声栅、源、漏的材料电阻引入的热噪声一般不考虑MOS管的闪烁噪声来源载流子在栅和衬底界面处的俘获与释放，导致源漏电流有噪声用与栅极串联的电压源来模拟载流子俘获与释放多发生在低频下其噪声功率与所选工艺密切有关1/f噪声减少1/f噪声主要靠增大器件面积MOS管的闪烁噪声1/f噪声的转角频率fC定义为：热噪声和1/f噪声曲线的交叉点用来界定1/f噪声起主导作用的频段与面积和偏置电流有关。对于给定的L，fC相对固定。亚微米MOS管的fC在500KHz-1MHz之间MOS管的总噪声在1KHz—1MHz频带内，计算NMOS管源漏电流的总噪声1/f噪声：热噪声：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电路中噪声的表示表示
方法
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一——输出参考噪声电压：把输入置零，计算电路中各噪声源在输出端产生的总噪声M1管的热噪声+M1管的1/f噪声+RD的热噪声这种表示法的不足：输出参考噪声与电路增益有关，无法比较不同电路的噪声性能电路中噪声的表示输入参考噪声反映了输入信号被噪声“侵害”的程度，能用于不同电路的噪声指标的比较表示方法二——输入参考噪声电压：在输入端用一个信号源来代表所有噪声源的影响电路中噪声的表示计算输入参考噪声电压等效热噪声电阻RT：电路在单位带宽内的总的输入参考热噪声等于RT的热噪声电路中噪声的表示仅用与输入串联的电压源来表示输入参考噪声是不够的该电路由一信号源Vin驱动，信号源输出阻抗为sL1，电路输入阻抗为1/sCin。若仅用输入参考电压源来表示噪声，则当L1增大时，计算得到的输出噪声会越来越小，与事实不符。事实上输出噪声与L1和Cin无关电路中噪声的表示用串联电压源和并联电流源共同来表示输入参考噪声串联电压源和并联电流源的计算方法：针对信号源内阻为零和无穷大两种极端情形来计算电路中噪声的表示串联电压源和并联电流源的计算电路中噪声的表示用串联电压源和并联电流源同时来表示输入参考噪声，是否把“噪声计算了两次”？没有可以证明：对任何源阻抗ZS，计算的输出噪声都是正确的证明思路：由Vn,in和In,in，求出Vn,X，再乘以增益(gmRD)，即可求出Vn,out总结噪声的统计特性平均功率噪声谱（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环境噪声和器件噪声热噪声和闪烁噪声总结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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