北京大学：《集成电路原理与设计 Principle of Integrated Circuits》课程电子教案（模拟集成电路原理与设计）第七章 噪声

上一讲放大器的频率特性 口概述 线性电路的S域分析法 ☆密勒效应 ☆极点与节点的关联 口共源级 口源跟随器 口共栅级 口共源共栅级 口差分对 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 1 上一讲 放大器的频率特性 概述 线性电路的 S域分析法 密勒效应 极点与节点的关联 共源级 源跟随器 共栅级 共源共栅级 差分对

模拟集成电路原理与设计 第7章噪声 陈中建 chenziapku. edu.cn 62759620,理科2号楼2617 微电子学系

2 模拟集成电路原理与设计 第 7章 噪声 陈中建 chenzj@pku.edu.cn 62759620，理科 2号楼2617 微电子学系

授课内容 绪论,2学时 重要性、一般概念 器件物理基础,2学时 MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型 单级放大器,5学时 共源、共漏、共栅、共源共栅 EDA系统使用常识 和设计实习实例演示,2学时 做设计实习所需软硬件系统的使用 差动放大器,3学时 定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元 无源有源电流镜,2学时 基本/共源共栅/有源电流镜 放大器的频率特性,4学时 弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频 率特性分析 噪声,4学时 统计特性、类型、电路表示、单级放大器 噪声分析、噪声带宽 期中考试2学时,评卷1学时。习题课若干学时 反馈,6学时 特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响 运算放大器,6学时 性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析 稳定性和频率补偿,6学时 多极点系统、相位裕度、频率补偿 版图,3学时 叉指、对称、ESD等 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 3 授课内容 绪论， 2学时 重要性、一般概念 单级放大器， 5学时 无源/有源电流镜， 2学时 差动放大器， 3学时 放大器的频率特性， 4学时 噪声， 4学时 运算放大器， 6学时 反馈， 6学时 稳定性和频率补偿， 6学时 版图 ， 3学时 共源、共漏、共栅、共源共栅 定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元 弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频 率特性分析 统计特性、类型、电路表示、单级放大器 噪声分析、噪声带宽 特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响 性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析 叉指、对称、ESD 等 多极点系统、相位裕度、频率补偿 器件物理基础， 2学时 MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型 基本/共源共栅/有源电流镜 EDA系统使用常识 和设计实习实例演示， 2学时 做设计实习所需软硬件系统的使用 期中考试 2学时，评卷 1学时。习题课若干学时

本讲噪声 口噪声的统计特性 ☆噪声谱(频域) 心幅值分布(时域) 相关噪声源和非相关噪声源 口噪声的类型 ◆热噪声 ☆闪烁噪声 口电路中噪声的表示 口单级放大器中的噪声 ◇共源、共栅、共漏、共源共栅 口差分对中的噪声 口噪声带宽 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 4 本讲 噪声 噪声的统计特性 噪声谱（频域） 幅值分布（时域） 相关噪声源和非相关噪声源 噪声的类型 热噪声 闪烁噪声 电路中噪声的表示 单级放大器中的噪声 共源、共栅、共漏、共源共栅 差分对中的噪声 噪声带宽

为什么要学习噪声知识? 口电路能处理的信号的最小值等于噪声的 水平 口设计AIC时通常需要考虑噪声指标 体现在信噪比(SNR)这一指标上 口低噪声AIC在很多领域有重要应用 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 5 为什么要学习噪声知识？ 电路能处理的信号的最小值等于噪声的 水平 设计AIC时通常需要考虑噪声指标 体现在信噪比（SNR）这一指标上 低噪声AIC在很多领域有重要应用

统计学特性 口噪声是一个随机过程 每一时刻的幅值是不能预测的 口哪些特性可以被预测? ☆平均功率、功率谱密度(噪声谱)、幅值分 布 m某一时刻的值 可预测 x2() M 某一时刻的值 不可预测 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 6 统计学特性 噪声是一个随机过程 每一时刻的幅值是不能预测的 哪些特性可以被预测？ 平均功率、功率谱密度（噪声谱）、幅值分 布 某一时刻的值 可预测 某一时刻的值 不可预测

平均功率 有些随机过程的平 (I inowiiwd 均功率也不可预测 电路中大多数噪声源有固均方根值( root mean square) 定的平均功率,可以预测的定义: 平均功率的定义: T/2 rms=√P.=,li x(t)dt T/2 +T/2 t→ Im. pox (tdi 平均功率只反映了噪声的功率特性 若x(t)为电压信号,则Pny (幅值特性),没反映频率特性 单位为V 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 7 平均功率 Pav  limt 1 T x 2 ( t )dt  T / 2  T / 2  有些随机过程的平 均功率也不可预测 电路中大多数噪声源有固 定的平均功率，可以预测 平均功率的定义： 若x(t)为电压信号，则 Pav 单位为 V 2 均方根值（root mean square ） 的定义：       / 2 / 2 2 ( ) 1 lim T t T av x t dt T rms P 平均功率只反映了噪声的功率特性 （幅值特性），没反映频率特性

噪声谱 又称为“功率谱密度”(PSD: Power spectral density); PSD定义为:在每个频率上信号具有的功率的大小; 反映了噪声的功率和频率两方面的特性 Band-Pass Filter X(t)信号的 x(r) xn(t) PSD写为Sx(; NwM._ Sx(定义为: 7附近1Hz带宽 xn(n) 内X()具有的 平均功率;单 位V2/Hz 电路中大多数 噪声源有可预 测的噪声谱 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 8 噪声谱 又称为“功率谱密度” (PSD: Power spectral density) ； PSD定义为：在每个频率上信号具有的功率的大小； 反映了噪声的功率和频率两方面的特性 X(t)信号的 PSD写为 S X(f)； S X(f)定义为：f 附近1Hz带宽 内X(t)具有的 平均功率；单 位 V 2/Hz 电路中大多数 噪声源有可预 测的噪声谱

噪声谱 口PSD在整个频率范围内为相同值 S,(n ☆白噪声 口定理 ☆“如果把噪声谱为S(的一个信号 加在一个传输函数为H(的线性时 不变系统上,则输出谱由下式给 S()=S2()H(O)2,H()=H(s=2/ 线性时不变系统 适用于线性时不变系统 具有叠加性、均匀性并且系 统参数不随时间变化的系统 s.(n) S(n 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 9 噪声谱 PSD在整个频率范围内为相同值 白噪声 定理 “如果把噪声谱为 S X(f)的一个信号 加在一个传输函数为H (s)的线性时 不变系统上，则输出谱由下式给 出。” 适用于线性时不变系统 分析电路噪声时的理论依据 ( ) ( ) ( ) , ( ) ( 2 ) 2 S f S f H f H f H s jf Y  X    线性时不变系统： 具有叠加性、均匀性并且系 统参数不随时间变化的系统

噪声谱被(“整形 S(n) X (t) Telephone Xout(t) Ar H A s Snout(n) 4 kHz 20 kHz f 4 kHz 电话系统带宽为4KHz,声音信号的高频部分被滤除 北京大学微电子学系一陈中建一模拟集成电路原理与设计

北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计 10 噪声谱被H(f)“整形” 电话系统带宽为4KHz，声音信号的高频部分被滤除