MOS晶體管全區(qū)域噪聲模型及其在低噪聲運放設計中的應用.pdf

1、CMOS運算放大器是模擬集成電路中最基本、最重要的模塊，在汽車電子、通信、消費電子、軍用電子系統(tǒng)等各個領域有著廣泛的應用。近年來，隨著深亞微米技術的發(fā)展，CMOS運算放大器的供電電源電壓越來越低，并不斷惡化電路的信噪比，這無疑對運算放大器的噪聲性能提出了更高的要求。研究CMOS運算放大器的噪聲與MOS晶體管的器件噪聲是密切相關的。因此，研究深亞微米MOS晶體管噪聲模型及低噪聲運算放大器的設計方法已成為當今模擬電路設計中極具挑戰(zhàn)的一個重要

2、議題。
　　CMOS工藝進入深亞微米時代，帶來了速度提高和晶體管溝道長度不斷減小的明顯優(yōu)勢。與此同時，這種進步也使得CMOS低噪聲運算放大器的設計必須面臨以下幾個關鍵性問題：首先，研究運算放大器的噪聲離不開器件的噪聲模型，但傳統(tǒng)的長溝道噪聲模型已經不再能精確地預測短溝道器件的噪聲特性，因此也不能精確地預測運算放大器的噪聲特性。其次，隨著電源電壓降低，MOS晶體管也經常工作在弱反型或中度反型，這意味著傳統(tǒng)的器件噪聲模型需要擴展其有效

3、范圍由弱反型至強反型。最后，隨著電源電壓降低，運算放大器性能指標之間的相互折衷變得更為困難，這意味著為了提高電路的設計效率，在電路仿真前就需要將性能指標之間的折衷關系考慮進來。這幾個問題相輔相承，共同為器件噪聲模型及低噪聲運算放大器設計的研究提出了更高的要求。
　　本文針對以上所存在的問題，對適用于深亞微米的MOS晶體管的全區(qū)域噪聲模型、CMOS低噪聲運算放大器的設計方法、高性能低噪聲運算放大器的設計及噪聲分析進行了研究。具體研究

4、內容包括：
　　首先，基于噪聲的物理機制，應用通用的噪聲建模方法建立了在整個工作區(qū)域（即從弱反型到強反型，從線性區(qū)到飽和區(qū)）都有效的全區(qū)域溝道噪聲模型。該模型由溝道熱噪聲、閃爍噪聲和閃爍噪聲轉角頻率的解析模型表達式所組成。該模型全面考慮了短溝道效應對噪聲的影響。其中熱噪聲模型包括了熱載流子、遷移率降低、溝道調制等短溝道效應對噪聲的影響；閃爍噪聲同時包含了遷移率浮動和載流子數量浮動兩種噪聲機制，并考慮了遷移率浮動對反型層載流子密度的

5、依賴關系。測試結果驗證了所提出的深亞微米 MOS晶體管的溝道噪聲模型在全區(qū)域都有效。
　　隨后，在所建立噪聲模型的基礎上，以噪聲性能為設計基點，以一個三級運算放大器的設計為例，提出了基于全區(qū)域噪聲模型的CMOS低噪聲運算放大器的設計方法。在設計過程中，基于所要求的設計目標，分別用所提出的深亞微米 MOS晶體管全區(qū)域噪聲模型和傳統(tǒng)的長溝道噪聲模型對三級運放的設計參數進行了計算。結果表明前者的計算結果較后者更接近于HSPICE仿真結果

6、。測試結果滿足設計目標要求。這些結果表明提出的設計方法可以有效指導電路的仿真設計，提高電路設計效率。運算放大器設計完成后，應用全區(qū)域噪聲模型對該運放的等效輸入噪聲進行了計算。計算結果較仿真結果更接近于測試結果，這進一步驗證了提出的深亞微米 MOS晶體管全區(qū)域噪聲模型可以較精確地預測噪聲特性，為保證低噪聲運放設計方法的有效性及精確性提供理論保障。
　　最后，在研究全區(qū)域噪聲模型及低噪聲運算放大器設計方法的基礎上，給出了三種改進的低噪

7、聲運算放大器的設計電路：1）基于V-NPN晶體管的低噪聲運放設計。該設計用V-NPN晶體管代替MOS晶體管作為輸入差動對來改善噪聲特性，同時提出了基極電流補償電路來改善 V-NPN晶體管較大的基極電流；2）基于 DTMOS晶體管的低運設計。該設計用 DTMOS晶體管代替 MOS晶體管作為輸入差動對來改善噪聲特性，并且提出了用組合級聯(lián)晶體管結構來改善 DTMOS晶體管較低的輸出阻抗，進而提高增益；3）具有 Rail-to-Rail輸入共模

8、范圍的恒跨導低噪聲運放設計。該設計用同溝道的兩對DTMOS晶體管輸入差動對代替MOS晶體管差動對實現(xiàn)Rail-to-Rail輸入共模范圍的同時，也改善了噪聲特性。此外，提出了電流調節(jié)器電路來調整交疊區(qū)輸入差動對的尾電流，以保證Rail-to-Rail輸入共模范圍內跨導的恒定。以上述所討論的三種運放設計為例，我們進一步驗證了深亞微米 MOS晶體管的全區(qū)域噪聲模型及低噪聲運算放大器的設計方法。為了驗證噪聲模型，我們用所提出的噪聲模型分別對

9、V-NPN低噪聲運放及 DTMOS低噪聲運放的等效輸入噪聲電壓進行了計算。前者計算結果與 HSPICE仿真結果相當，后者與第四章的結果規(guī)律相似，計算結果略高于仿真結果（第四章已經證明計算結果較仿真結果更接近于測試結果）。這表明我們所提出的噪聲模型可以較精確地預測噪聲特性。此外，我們應用所提出的低噪聲運放的設計方法對 Rail-to-Rail低噪聲運放的設計參數進行了計算，計算結果接近于仿真結果。這進一步表明我們所提出的設計方法可以有效指