《CMOS模拟系统设计》课程教学课件（讲稿）第03章 模拟电路的噪声与非线性

西安交通大学研究生课程XIAN JIAOTONG UNIVERSITYCMOS模拟系统设计第3章噪声与非线性微电子学院张鸿hongzhang@xjtu.edu.cn

研究生课程 CMOS模拟系统设计 第3章 噪声与非线性 微电子学院 张 鸿 hongzhang@xjtu.edu.cn

主要内容动态范围噪声的来源与分析方法1非线性分析及线性化方法西安交通大学Lec.#3.噪声与非线性2 /43Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 2 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 主要内容  动态范围  噪声的来源与分析方法  非线性分析及线性化方法

动态范围的概念Vin,min：受噪声限制（SNR）SNDR <SNR受非线性限制（THD）Vin,max:动态范围（DR）：系统允许的SNR和THD之间的输入/输出范围VOUTTHDMAXSNR1%distartionVINVouT0.1%distortionSNRminDR0VIN,minVIN,max0VIN支通大学Lec.#3.噪声与非线性3/43LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 3 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 动态范围的概念 VIN VOUT • Vin,min : 受噪声限制（SNR） • Vin,max：受非线性限制（THD） • 动态范围（DR）：系统允许的SNR和THD之间的输入/输出范围 SNRmin THDMAX DR SNDR < SNR VIN,min VIN,max

主要内容动态范围噪声的来源与分析方法1非线性分析及线性化方法西安交通大学Lec.#3.噪声与非线性4/43Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 4 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 主要内容  动态范围  噪声的来源与分析方法  非线性分析及线性化方法

噪声的表现形式（时域和统计域）噪声输出电压通常是高斯分布的随机变量（u=0）用功率（高斯分布的方差2）来评价噪声的大小VNVNistheaveragenoisepowerNumberMMwofSamples(x-m)2Px(x)exp2g2gV2元西安交通大学Lec.#3.噪声与非线性5/43LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 5 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 噪声的表现形式（时域和统计域） VN 噪声输出电压通常是高斯分布的随机变量(μ=0) • 用功率（高斯分布的方差σ2）来评价噪声的大小

噪声的表现形式（频域）噪声功率谱：最常用的噪声表示方法功率谱密度和积分噪声（指定带宽）在0~+00的频率范围内对功率谱积分→平均功率=α2Noise density V2/HzVN21/fnoiseVRMS/HZdvn?whitenoiseVNdfff2Integrated noise2-Vf'av?df = Vif2-f) dvn?V12=VRMS西安交通大学FLec.#3.噪声与非线性6/43LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 6 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 噪声的表现形式（频域） VN • 噪声功率谱：最常用的噪声表示方法 • 功率谱密度和积分噪声（指定带宽） • 在0~+∞的频率范围内对功率谱积分平均功率=σ2

电路中噪声的来源：电阻的热噪声电阻主要产生白噪声（一般认为电容、电感不产生噪声）Sv(f)AS,(f)= 4kTRVR4kTRor: v2=4kTRNoiselessforf≥0V?/Hzunit:Resistorf4kTNoiselessEROR12V2(unit: A° /Hz)=4kTRResistorRKFRR.dfis1/fdVRr?=VR?dVRrfARPHVR1电阻因材料不同也会产生1/f噪声KFRs/=210-21Scm2KFRpoly=10KFRSi西安交通大学Lec.#3.噪声与非线性7/43LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 7 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 电路中噪声的来源：电阻的热噪声 电阻主要产生白噪声 （一般认为电容、电感不产生噪声） 2 2 ( ) 4 or: 4 for 0 unit: V /Hz v n S f kTR V kTR f    22 2 4 4 (unit A /Hz) n n kT V kTR I R   ： 电阻因材料不同也会产生1/f噪声

RC电路的积分噪声与噪声带宽2dVRSRsAVoutdvRs?+-W+1 + (f/ BW) 2CNin-dx1+×2BWBW,=BWBW2=4kTRsBWdfVRe2dvRs?=4kTRsdf1BW=2元RsCLkTdvRs?2VRSCVRSC,=1pFVRs=65μVRMS1 + (fI BW) 20RC网络谱密度由电阻决定，但均方噪声（积分噪声）只与电容有关噪声带宽=信号带宽*（元/2）西安交通大学Lec.#3.噪声与非线性8/43LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 8 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 RC电路的积分噪声与噪声带宽  RC网络谱密度由电阻决定，但均方噪声（积分噪声）只与电容有关  噪声带宽=信号带宽*(π/2)

电路中噪声的来源：二极管的噪声二极管产生白噪声和1/f噪声，正比于流过的电流ndi,?= 2qlp dfiswhitedin2q=1.610-19cdependsonlp.notonTKFdfis1/fdip?=lbApFKFp=10-21Acm2西安交通大学Lec.#3.噪声与非线性9/43LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 9 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 电路中噪声的来源：二极管的噪声  二极管产生白噪声和1/f噪声，正比于流过的电流

电路中噪声的来源：MOS的热噪声MOS管的漏极噪声电流、栅极寄生电阻热噪声RGdve?RGdVieqOWVinVoutVGSdips2VinrosVGVoutros福9mVGS9mVGS213+RG4kT(Reff)dfReffdVieqdV2=4kTRGdf9m4kTdf= 4kT gm dfHiFreq.:dijeg2=(Cgs)?dvieq2 is correlateddips?-3RcHRef.VanderZiel,PrenticeHall1954,Wiley1986跨导个→栅极等效噪声电压！跨导个→漏级噪声电流个为什么?西安交通大学Lec.#3.噪声与非线性10/43LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 10 /43 Lec. #3. 噪声与非线性 电路中噪声的来源：MOS的热噪声  MOS管的漏极噪声电流、栅极寄生电阻热噪声 跨导 ↑  漏级噪声电流 ↑ 跨导 ↑  栅极等效噪声电压↓ 为什么？