Chapter 4 Noise performance of elementary transistor stages

Chapter 4 Noise performance of elementary transistor stages

在介绍运放之前, 这一章介绍噪声

噪声是看RMS电压, 即Root-Mean-Square Voltage
$$V_{RMS}=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^{T}V(t{)}^{2}dt}=\frac{V_P}{\sqrt{2}}$$

电阻噪声

对于电阻, 噪声为白噪声, 电阻噪声和电阻值和温度有关, 与电压电流无关

RC Filter噪声

对于一个RC filter, 其输出 或者 输入噪声 output RMS noise voltage :
$$V_{in,noise}=V_{out,noise}=\sqrt{\frac{kT}{C}}$$

一个重要结论: 噪声密度取决于电阻, 积分噪声取决于电容.

电阻也有1/f噪声, 即低频噪声, 可用加入电容用RC滤波滤掉.

Diode噪声

Diode也有白噪声, 注意其值和电流成正比, 和温度无关!

diode也有1/f噪声

MOS管噪声

MOS管的噪声建模, 可在D和S之间跨接噪声电流源, ids=4kT2/3gm.显然这是热噪声, 和gm成正比. 对于MOS做电流镜结构, 需要把gm减低, 这样才能降低MOS的噪声.

MOS的source串上degenerated resistor R, 其等效电流噪声为4kT/R, 电压噪声为4kT R

MOS管折算到输入噪声, 为4kT/gm, 即gm越大, 等效输入噪声越小

MOS也有1/f噪声

BJT噪声

BJT等效输入噪声下图所示, 和gm成反比

CS放大器的噪声

M1为放大管, M2为负载管. 等效输入噪声 为gm2/gm1. 因此M2的gm2要小, 即(W/L)小, Vgs2-Vth大. 并且M1的gm1要大.

考虑1/f噪声, M1的L1为M2的L2的十倍, 这会造成gain降低, 因此可采用casecode结构.

Source Follower噪声

source follower噪声性能很差. 增益为1,

Cascode噪声

M2不贡献噪声, Cascode噪声和单管噪声一样, 还能提高增益, 因此广泛应用!

根据理论推导, 当M1的阻抗很大时, M2的噪声才可以忽略掉.

folded cascode同样, 为了减小噪声需要上面cascode管gm3小, 即W/L小, Vgs-Vt大

如果cascode的M1管进入线性区, 会导致总的输入噪声变大.

current mirror噪声

设计电流镜需要减小gm, 即W/L做小 (做的更加倒比), Vgs-Vt做大

可以在电流镜上串联电阻R, 来减小输出噪声. R>1/gm. 效果和降低W/L的宽长比一样

差分对噪声

差分对的噪声比单管多 sqrt(2)即 41%

对于5管OTA, 需要让电流镜的gm3小, 即(W/L)3小, 输入对管gm1大.

R2>> R1, 因此R2的噪声可忽略.输入噪声为R1和运放A