模拟集成电路学习总结 第七章

 

  也是分各种情况讨论噪声。

  当然这章全记下来是不可能的，个人觉得只要记住噪声来源和分析方法，以及定性的描述各种电路的噪声情况，即可。

 

  7.1 噪声的统计特性

 

  主要是一些概念。

  噪声是一个随机过程。噪声的平均功率往往是固定的。

 

  噪声谱，也称为功率谱密度，（PSD，power spectral density），表示在各个频率处的功率。

  噪声幅值的分布，也被称为概率密度函数，（pdf）

 

  相关噪声源和非相关噪声源：非相关时功率可以直接叠加。本章主要是讨论非相关。

 

  

  7.2 噪声类型

  一般噪声来源分两类，外界噪声和器件电子噪声，本章主要讨论后者。

 

  1、热噪声

  电阻热噪声：S（f） = 4πTR，与温度和电阻值的大小有关。

  可知此噪声是白噪声，各频段噪声幅值相同。

 

  例题使用了简单的RC模型，结果表明总输出功率与电容有关，电容越大，功率越小。且与R无关。

  也可以用电流源表示，4πT/R。

 

  mos管热噪声：可以看做一个并联电流源，I² = 4k T γ gm，与温度、跨导和一个系数确定。

  其中有折中关系，如果减小跨导，那么噪声就减小，如果晶体管为恒流源工作，我们通常希望跨导小一点。

 

 

  2、闪烁噪声

  产生原理：栅氧化层与硅衬底界面存在悬挂键，产生额外的能态。虽然说其他书上说闪烁噪声来源还未确定。

  闪烁噪声可以用一个与栅极串联的电压源来模拟，近似为下式：

  V² = K/（CoxWL）*（1/f）

  噪声谱密度与频率成反比，解释是，悬挂键相关的俘获-释放现象在低频下更常发生，因此也叫1/f噪声。

  与温度也无关，虽然此式非常近似，实际公式更加复杂。

 

  还可以看出与WL，也即器件面积成反比，增大面积可以减小噪声。这也是低噪声应用中常用的处理。

 

 

7.3 电路中的噪声表示

 

  通常衡量噪声，是把输入短路，计算电路输出产生的总噪声。

  但是为了衡量电路的噪声水平，通常折算到输入端，定义为 输入参考噪声 。

 

  如果电路存在输入阻抗，且由一定的源阻抗驱动，那情况就复杂了。

  此时一个电压源无法等效输入噪声，还需要一个电流源。分别要用输入阻抗无穷大和输入阻抗为零来求解。

 

  很关键的一个问题：这样做是否把噪声计算了两次？答案是没有，其实理解起来也比较简单，画个简单的等效电路就能推出来，不需要书上举例子的方法。总之就记住      有这回事就可以了。

 

 

7.4 单级放大器中的噪声

 

  接下来是分别介绍各种电路的低频噪声特性。

  辅助定理：在管子上并联电流源和在栅极串联电流源是等效的。

 

  1、共源级

  已经算出了公式，通过观察公式，可知gm跨导越大，噪声越小。

  因此，如果管子作为放大器使用， gm越大越好（一般情况下），作为电流源使用时，gm越小越好。

 

  例题有点繁琐，推导的结果表明，信噪比和负载电容成正比，也就是说要信噪比大，必须负载电容大，从而带宽小。

  意味着设计宽带电路要保持低噪声是极其困难的。

 

  如何设计出低噪声的共源级电路？

  结论：

  ①对于热噪声，增加漏电流或器件宽度使得gm1最大，漏电流增大会导致功耗大同时减小电压摆幅，器件宽导致输入和输出电容越大。

  也可以增加负载Rd，代价是降低电压余度，减小速度。

  ②对于1/f噪声，主要方法是增加面积，如果保持宽长比不变，跨导不变，从而热噪声不变的情况下减小了1/f噪声。代价是寄生电容增加了。

 

  这些分析表明了噪声、功耗、电压余度、速度之间的折中。

 

  2、共栅级

  共栅级输入阻抗有限，因此要同时计算输入参考噪声电流和电压。

  计算过程和结果略。

 

  共栅级电路的一个严重缺点是，负载产生的噪声电流是由输入直接引起的，之所以是这个结果，是因为这个电路没有电流增益，这一点与共源级相反。

 

  书中还提到了共栅级偏置电流源的噪声对电路的影响。与上面这句话结论一致，直接加在了输入参考噪声电流上。

  减小噪声需要电流源管子跨导尽量小，到这样又会减小电路的电压余度。

 

  1/f噪声先略了。

 

  3、源跟随器

  此时可以忽略输入参考电流。

  结果也略了。

  结论：放大管跨导要尽可能大，负载管跨导尽可能小。

  源跟随器增益小，所以在低噪声放大器中通常不使用源跟随器。

 

 

  4、共源共栅级

  好像没啥有用的结论。。。

 

 

7.5 差动对中的噪声

 

  作为二端口电路，同样可以用之前的方法分析。由于输入阻抗非常大，仍然忽略参考电流。

 

  先看热噪声：（忽略了ro）

  输入短路来看输出噪声电压，注意两管噪声是非相关的，p点不虚地。因此半边电路使用有些困难。因此分别看噪声源对电路的影响。

  详细分析略，可以试着理解一下噪声电流怎么相等地流过两管。

  结论是，该电路的噪声是共源级电路输入噪声电压平方的二倍。

 

  比较共源级和差动电路：如果偏置电流相同，那么差动对输入参考电压是共源级的根号2倍。这仅仅是由于前者器件数目是后者两倍。

   

  对于尾电流源的噪声和噪声调制跨导的说法，不详细看了。。。书上也说了这种影响通常忽略。。。

 

  对路例题，还是要熟练掌握差动电路的分析方法，比如X点看去的电压是2ro1+ro4，等等。。。

 

 

7.6 噪声带宽

 

  可以证明，一个丹机电系统的噪声带宽等于 该极点对应频率的π/2倍。

 

  

 

 

噪声这块就到这了，特点也是繁琐。主要记分析方法和重要的结论，公式结果什么的就不记了。

后面就是最重要的反馈和运放了，也是模拟电路最重点的部分，内容相当多而且综合，尽量写吧，写完这部分就该看数集了。