Gain-boost 结构的噪声问题


之前看到有些同学是因为搜索 gain-boost 的 noise 而过来的,大概是 google 抓取的时候把几篇文章放在一起了,为了不让大家白跑一趟,在这里简单说下这个问题

其实,关于 gain-boost 的内容,一般除了提到的比较多的90年12月的JSSC的paper “ A Fast-Settling CMOS OpAmp for SC Circuit with 90-dB DC Gain ” 之外,在90年2月的JSSC的paper “ A High-Swing, High-Impedance MOS Cascode Circuit ” 也有基本的gain-boost工作原理的分析,也包括噪声的问题。

这里可以先看下面的简单的gain-boost的结构,M1和M2是基本的cascode结构,M3管的反馈实现gain-boost。现在我们来分析其等效的输入噪声,考虑各管的噪声电压源加在其栅极,求出从输入到此节点的电压传输函数来计算最后的等效输入噪声电压。

active cascode nosie-cascode

首先对于M1管,自然可以直接将其噪声电压折到输入Vi-eq = Vn1;对于M2管,我们来看Vn2的影响,计算其短路输出电流大小,并将其等效到输入电压,据上面右图:

gm2 * (Vy + Vn2 – Vx) = Vx( 1/ro1 + 1/ro2 )
Vy = – Vx*gm3 * ro3
Io = Vx / ro1 = Vi-eq * gm1

通过简化,近似得到:Vi-eq = Vn2 / (gm1 * ro1 * gm3 * ro3 )

noise-gain-boost

 

 

 

 

 

同样对于M3管,如上图所示,有

gm2 * (Vy – Vx) = Vx( 1/ro1 + 1/ro2 )
Vy = – (Vx + Vn3) *gm3 * ro3
Io = Vx / ro1 = Vi-eq * gm1

近似得到:Vi-eq = Vn3 / (gm1 * ro1)

我们看到,若忽略理想电流源的噪声,则最后的等效输入噪声就是三者的功率之和(非相关噪声),注意这里的简化结果与前面提到的paper的表述略有差别。显然可以看到gain-boost的晶体管的噪声的实际影响在整个电路中居于次位。这里似乎也可以简单的理解,将此电路看成一个3-stage的放大器,那么计算等效输入噪声时,gain-boost的噪声显然会被第一级的gain所衰减。


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