集成電路 噪聲

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1、集成電路中的噪聲產(chǎn)生機理總結(jié)及其抑制方法討論SummaryofthegenerationmechanismsfornoiseprobleminVLSIandthediscussionaboutsuppressionmethodsforit姓名：李旭瑞學(xué)號：52111213002專業(yè)：華東師范大學(xué)微電子2011年12月綜述：噪聲指在導(dǎo)體中熱激勵的電荷載體構(gòu)成了隨機變化的電流，引起隨機的電壓。噪聲限制了電路能夠正確處理的最小電平信號，它與功耗、速度和線性度相互制約，是進行模擬電路設(shè)計時要考慮的重要因素。本文首先介紹了集成電路中由器件產(chǎn)生的噪聲，然

2、后介紹了電路系統(tǒng)級的噪聲，并針對不同的噪聲機理總結(jié)出一些防治方法。最后介紹了一類需要特別考慮噪聲的電路類型:集成運放電路的噪聲。并且報導(dǎo)了一篇最近在IEEE上發(fā)表的英文文章中提出的一個可編程增益放大器中處理噪聲的優(yōu)越表現(xiàn)。第一節(jié)半導(dǎo)體器件中的噪聲熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲是集成電路器件常見的三種噪聲源。熱噪聲：熱噪聲由導(dǎo)體中的不規(guī)則熱運動造成，電路模型為一個串聯(lián)的電壓源或并聯(lián)的電流源，為波特曼常數(shù)，T是絕對溫度，是噪聲帶寬。熱噪聲等效電路模型散粒噪聲：散粒噪聲〔shotnoise）又稱為Schottky噪聲，基本原因是電子電荷的粒子性。發(fā)生散

3、粒噪聲必須滿足兩個條件，1、必須要有直流流過并且:2、存在電荷載體躍過的電位壁壘。第二個條件告訴我們，盡管電子電荷存在量子特性，但通常的線性電阻井不產(chǎn)生散粒噪聲。載流子流過PN結(jié)時可產(chǎn)生散粒噪聲，用并聯(lián)的電流源來表示。其中是噪聲電流，q是電子電荷(1.6×10-19C)，IDC是直流電流。一般的頻率范圍內(nèi)，熱噪聲和散粒噪聲的功率譜密度與頻率無關(guān)，統(tǒng)稱為白噪聲。g-r噪聲和1／f噪聲：統(tǒng)稱為有色噪聲，（也稱閃爍噪聲，粉噪聲）。這類噪聲的特點是譜密度隨頻率減小而增加。所以在高頻工作時通常不考慮它的影響。它們的形成機理比較復(fù)雜，其原因之一是晶格的缺

4、陷。它們在對表面現(xiàn)象敏感的器件中最為突出。因此MOSFET的1/f噪聲比雙極型器件來更為顯著。較大的MOSFET顯示較少的1/f噪聲，因為它們較大的柵電容使溝道電荷的波動平穩(wěn)。因此如果想從MOSFET中得到較好的1/f噪聲性能，就必須采用實際可行的最大器件尺寸。第二節(jié)集成電路系統(tǒng)中的噪聲以上分析的是集成電路中半導(dǎo)體器件因素所產(chǎn)生的噪聲。然而在大規(guī)模集成電路中的噪聲不僅僅由孤立的器件所引起，更重要的是由于電路的寄生耦合作用等系統(tǒng)級的噪聲。以下將做詳細分析。反射噪聲：反射是一個傳輸線效應(yīng)。在高速系統(tǒng)中，反射噪聲增加時延，引起過沖，下沖和振鈴。產(chǎn)生

5、反射噪聲的根本原因是信號傳輸路徑上存在的阻抗不連續(xù)性。當(dāng)一個信號換層導(dǎo)致了阻抗不連續(xù)（制造工藝變化或設(shè)計考慮等），在不連續(xù)的邊界點上就會產(chǎn)生發(fā)生反射。當(dāng)導(dǎo)線越過有孔平面，跨越縫隙，出現(xiàn)分支或靠近相鄰導(dǎo)線，此時產(chǎn)生了阻抗不連續(xù)，可以觀察到反射。如果負載和傳輸線的特性阻抗不匹配，同樣也會發(fā)生反射。為了最小化這種反射，常用可行的方法包括阻抗控制（通過線的幾何和介質(zhì)常數(shù)），消除分支，選擇適當(dāng)?shù)亩私臃桨福ù校⑿?，RC，戴維寧等），并且盡量使用一個實心金屬平面來做為返回電流的參考平面。串?dāng)_噪聲：所謂串?dāng)_，就是有害信號從一個網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较噜従W(wǎng)絡(luò)，即相鄰網(wǎng)

6、線(“進攻者”)上的信號轉(zhuǎn)換會引起其它靜止網(wǎng)線(“受害者”)上產(chǎn)生噪聲干擾。任何一對相鄰比較近的網(wǎng)絡(luò)之間都存在串?dāng)_。這是因為信號沿導(dǎo)線傳播時，信號路徑和返回路徑的部分電場和磁場延伸到周圍空間而形成邊緣場，若在此邊緣場區(qū)域里布線，就會產(chǎn)生耦合噪聲。串?dāng)_噪聲包括容性耦合噪聲和感性耦合噪聲，通常在電路中用互容和互感來描述。這些耦合噪聲在互連線上分成兩部分，同時向前和向后兩個方向傳播，所以從傳播方向上說，每種耦合噪聲又分為前向耦合和后向耦合。容性耦合噪聲、感性耦合噪聲二者的后向耦合在受擾線的源端疊加形成近端串?dāng)_(或后向串?dāng)_)，而二者的前向耦合在受擾線

7、的遠端疊加形成遠端串?dāng)_(或前向串?dāng)_)。容性耦合電流的傳播方向感性耦合電流的傳播方向串?dāng)_對電路的影響表現(xiàn)在：第一，它會產(chǎn)生噪聲毛刺，這種串?dāng)_問題稱為功能噪聲(也稱為靜態(tài)噪聲)。當(dāng)臨近導(dǎo)線上的信號在邏輯值之間跳變時，導(dǎo)線間的耦合電容會引起充放電。如果受擾線上的噪聲毛刺超過它接收端的輸入跳變閾值，功能噪聲就會發(fā)生，并且會以一種錯誤的邏輯值形式表現(xiàn)出來最終加載到接收端的寄存器或者鎖存器當(dāng)中。第二，串?dāng)_會引發(fā)時序錯誤，這種串?dāng)_問題稱為延時噪聲(也稱為動態(tài)噪聲)。當(dāng)受擾線和干擾線信號同時跳變時，受擾線上的信號可能會被加速或者減慢，造成受擾線下游邏輯的Se

8、tup或者Hold的違規(guī)。電荷分享噪聲：電荷分享噪聲分為兩種，下面以一個電路圖來解釋它，如圖所示。第一種是由于動態(tài)電路本身結(jié)構(gòu)造成的。動態(tài)電路采用先預(yù)沖后運算的工作