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噪声

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。

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电路中将 MOSFET 设为多 finger 的考虑

在设计中, 通常会考虑将 w/l 较大的 MOS 管拆分为多 finger 的 MOS 管, 这里除了模型中的 w, l 的限制之外,也有一些其它的考虑.

MOSFET with long W

上图所示是一个 w/l 较大的 MOSFET,右侧标注了各端口的寄生,可以看到此时的栅电阻以及对应的寄生电容都较大,因此在实际设计中会将其设为多 finger 的结构。

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关于 Miller 电容和输出噪声的问题

之前在一些论文中看到有通过噪声来考虑 miller 电容的(主要是考虑SNR的要求,若已知信号在输出端的幅度,则可以知道对输出噪声的要求),当时还不太理解具体 miller 电容如何影响到噪声,现在可以来谈谈自己的理解。

对于下面的电路,我们具体来看运放的噪声在输出的大小

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关于 Cascode 中噪声的理解

对于 cascode 结构中的噪声,一般概念中 cascode 管的噪声贡献可以不考虑,但具体如何来理解这一结论,有时不太容易弄清楚。这里我们可以参考 Sansen 书中相关的分析,这里简单叙述一下 :

基本的cascode的结构

上图所示为基本的cascode的结构,M1为共源放大管,M2为cascode管.
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关于反馈对噪声的影响

之前简单列了下关于集成电路中器件噪声的基本内容,这里来说一下关于反馈对噪声的影响

基本的二端口网络的噪声

通常的二端口网络的噪声可以如下图所示的等效到输入(注意噪声电压、电流源的相关性)

二端口网络的噪声

上面的等效输入噪声电压和噪声电流可以通过将输入短路或断路的方法来计算

  • 短路时,噪声电流不再流入端口内,输出的噪声只来源于输入噪声电压源
  • 断路时,噪声电压不起作用,输出的噪声之来源于输入噪声电流源

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集成电路中器件噪声模型的小结

继续关于模拟集成电路基础知识的小结,这里简单的总结一下关于集成电路中器件的噪声问题:

电阻的热噪声 Thermal Noise

热噪声 (Thermal Noise),也叫 Johnson Noise 或 Nyquist Noise,存在于电阻或元件的阻性部分,主要来源于导电材料中自由电子的热运动(布朗运动)。Thermal Noise 与温度成正比,与所加的偏置电压大小无关(通常电场能量施加于自由电子的大小对比于热能量可以忽略)。

注意:理想的电抗元件(电感,电容)是不产生噪声的,假想的电阻(如 MOS 管的输出交流小信号等效电阻)也不产生噪声。
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