繼續進行噪聲的學習。
3、電路中噪聲的描述方法
對於一個普通的電路,我們如何來進行噪聲的分析呢?通常我們會不由自主的想到,通過之前推導出的噪聲公式,計算出各個噪聲在輸出點的和,就能夠表示噪聲的大小了。盡管這個方法是十分直觀的,但是由於模擬電路中有許許多多的放大器和提供增益的部分。如果將輸出點的噪聲當作參考,就無法對不同電路的噪聲進行合理的比較了!換句話說,如下圖所示,如果噪聲源的后面更上一個放大器,那么當我們只考慮輸出噪聲的時候,就會得出“隨着增益A1的增大,電路噪聲增大”這種結論,這顯然是不對的,因為放大器再放大噪聲的同時也在放大實際的信號,所以輸出的信噪比並不和增益相關。因此我們不能夠用輸出點的噪聲來表示電路的噪聲!
既然不能用輸出點的噪聲來當作電路的總噪聲,那么我們自然就會想到:用輸入點的噪聲來表達電路的噪聲性能就會顯得比較合適了。換句話說,我們需要把電路中的各個噪聲源都折算到輸入端,如下圖所示,在輸入端用一個信號源代表電路中所有噪聲源的影響,這樣我們就能夠用輸入端的噪聲情況來比較不同電路的噪聲性能。同樣,不同電路的輸出噪聲也能夠直接用輸入噪聲源和增益算出來,一舉兩得。
但是要注意的是,不能僅僅只用一個等效噪聲電壓源或者一個等效噪聲電流源來表示電路的噪聲性能,而要兩個一起用。這是因為大部分電路都有一定的輸入阻抗,如果電路的輸入阻抗有限,僅僅用一個電壓源模擬輸入參考噪聲,意味着當信號源阻抗變大時輸出噪聲趨於零,這個是不對的。因此,總的來說,用等效輸入噪聲電流源和電壓源一起表示,就能夠很好的表示噪聲了。
需要注意的是,輸入參考噪聲是一個虛構的量,它並不能夠在輸入端測量到,雖然它與實際噪聲在數學上等價,但是實際的電路噪聲源是分散在各個電路間的,並不能看作只存在於輸入端!
4、閃爍噪聲的相關計算
閃爍噪聲主要來源於MOS管柵和源極間界面對電荷的俘獲與釋放,由於其平均功率不容易預測,其功率譜近似用下式給出:
從這個式子可以看出,噪聲譜密度和頻率成反比,因此,閃爍噪聲也叫1/f噪聲。但不能夠認為1/f噪聲只在低頻下才會對電路有影響,因為1/f噪聲會在時鍾頻率附近產生擾動,因此即使處於較高的頻率也會變得重要。特別是對於高速AD這種對時鍾要求極高的環境,任何噪聲都可能會對電路造成很大的影響。
5、基本結構的噪聲分析
①共源放大器噪聲分析如圖
對於偏置MOS管的共源放大電路,輸出電阻為 因此根據MOS管熱電阻公式,上述電路的總熱噪聲為
由於此電路增益為 ,因此將輸出端折算到輸入端,得到總輸入端噪聲電壓為
拉扎維書對於此例子是先算出輸出總噪聲,再折算到輸入端。也可以直接利用公式得出輸入端的等效噪聲,MOS管輸入參考噪聲計算公式如下
利用此公式,再根據跨導和電壓、電流的關系,可以有輸入噪聲公式
由此直接得出含有熱噪聲和1/f噪聲的公式
②差分放大器噪聲分析
第一級差分放大電路分析如圖:
在差分對的噪聲分析中,一定要注意的是倍數關系。簡單的理解,就是上述分析的共源放大器的2倍的噪聲。
這樣直接使用共源電路的公式有
那么對於熱噪聲,直接能夠得到
對於1/f噪聲,注意PMOS管和NMOS管的1/f噪聲系數是不同的,因此有
寫成易於比較的形式如下
由於第二級的噪聲折算到輸入需要除以第一級的增益(40dB)因此基本可以忽略不計,所以在設計第二級的時候可以不用特意去考慮噪聲的影響。
注:本文主要參考文獻是拉扎維、艾倫的模擬集成電路設計,圖和公式都大量的源自書中,如有侵權告知刪除