一种变送器电路的噪声分析与优化设计

摘要：本文阐述了噪声的基本特性和类型，并根据噪声的基本理论详细地分析和计算了一种变送器电路中的噪声。其中主要包括1/f噪声是如何引起的，计算出了其值的大小，并利用HSPICE仿真工具加以验证。在此基础上提出了通过降低输出电阻和采用跨导放大器的电路结构来降低噪声，最终实现了电路的噪声优化。

关键词：变送器，热噪声，闪烁噪声，微弱信号传输系统

Abstract: In this paper, the analysis and design optimization of 1/f noise are described. The noise of a typical transmitter is analyzed and calculated, including the 1/f noise, also verification with Hspice is done. Through the optimization of output resistance and tran-impedance of the amplifier, better performances were resulted.

Key words: transmitter, hot noise, 1/f noise, low level signal processing systems.

现今的模拟电路设计者经常要考虑噪声的问题，因为噪声是集成电路设计中重要的因素之一，它决定着微弱信号传输系统的性能。由于集成系统的噪声由组成该系统的基本集成单元的噪声特性决定，所以为了优化电路的噪声，了解每个基本单元所产生的噪声是非常重要的。

本文首先对噪声的特性、种类进行了简单描述，并给出了一些有关噪声计算的公式。同时重点分析了一种变送器电路中的噪声，计算出了电路中各端口的噪声，以及总的输出噪声，并通过HSPICE仿真验证了计算结果。其次对产生较大噪声的模块进行分析，最后提出了针对该电路的噪声优化的具体方法。

1噪声的统计特性[1]

噪声是一个随机过程，也就是说噪声的瞬时值在任何时候都不能被预测。但在很多情况下，噪声的平均功率是可以被预测的。从基本电路理论可知，一个周期性电压V（t）加在一个负载电阻RL上消耗的平均功率由下式给出：

T是周期。Pav可被形象地看作是V（t）在RL上产生的平均热能。由于噪声的随机性，测量须在较长的一段时间内进行。

其中x（t）表示电压量。图1.1表示对每个信号取平方，在较长时间T内计算由此产生的波形下的面积，平均功率可通过将面积对T归一化后得到。

1.1 噪声谱

噪声谱,也称为“功率密度谱”（PSD），表示在每个频率上，信号具有的功率大小。

1.2 幅值分布

通过长时间的观察噪声波形，可以构造出噪声幅值的分布，表示出每个值出现多么频繁，x（t）的分布，也被称为“概率密度函数”（PDF），被定义为

PX（X）dx=x

的概率.式中X是在一些时间点上测量出的x（t）值。

2噪声的类型[2]

集成电路处理的模拟信号主要会受两种不同类型的噪声影响：热噪声和闪烁噪声。

2.1 热噪声

导体中电子的随机运动尽管平均电流为零，但是它会引起导体两端电压的波动。因此，热噪声谱与绝对温度成正比。

如图1.2所示，电阻R上的热噪声可以用一个串联的电压源来模拟，其单边谱密度为：

Sv （f）=4kTRf≥0 （1.5）

式中k=1.38e-23J/K是玻尔兹曼常数。Sv（f）的单位是V2/Hz

2.2 闪烁噪声

在MOS晶体管的栅氧化层和硅衬底的界面处出现许多“悬挂”键，产生额外的能态。当电荷载流子运动到这个界面时，有一些被随机地俘获，随后又被释放，结果在漏电流中产生“闪烁”噪声。

闪烁噪声可以更容易地用一个与栅极串联的电压源来模拟，近似地由下式给出

式中K是一个与工艺有关的常量，我们的表示法假设了1Hz的带宽。与悬挂键相关的俘获―释放现象在低频下更常发生，正因如此，闪烁噪声也叫1/f噪声。式（1.6）与WL的反比关系表明要减小1/f噪声的方法，就是必须增加器件面积。

3变送器中的噪声[3]

本文以一种变送器电路为例，分析其噪声。该电路中既存在热噪声也存在闪烁噪声，热噪声主要是由电阻产生的。由于该电路是一种主要工作在低频状态下的变送器，根据式（1.6）可知，闪烁噪声与频率成反比，所以电路中的噪声以1/f噪声为主。图1.3为该变送器的功能结构图。其中A1,A2是差分输入的放大器, A3是实现19倍电流放大关系的放大器，IREF1,IREF2是两个1mA的电流源。该变送器是一个精密、低漂移的双线变送器，它可以把微弱的电压信号进行放大并变换成4mA～20mA的电流信号后进行远距离传送。输入输出的关系式为：Io=4mA+（0.016 由于噪声会影响电路的线性度，而该电路对线性度的要求很高，所以我们要尽量降低其噪声。

（1）总体噪声的分析

我们先根据公式估算一下电路的总体闪烁噪声. 噪声公式为：

作频率，该电路工作在低频状态，本文设f=100 Hz, fH为带宽，本设计将整体电路的带宽设为118 Hz, fL为低频截止点，设为100 Hz。因此由公式得：

通过HSPICE仿真可以验证该电路的总的输出噪声。仿真时本文用到的是上海贝岭工艺厂提供的PNP管, NPN管,以及电阻和电容的模型。为了接近实际情况，根据厂家测试数据本仿真将模型中的两个噪声参数设定为AF=2,KF=5e-03然后利用.AC DEC 100 1 100k的交流卡和.NOISE OUTV INSRC NUMS 的噪声卡语句对电路进行交流仿真，结果如图1.4所示。横坐标为频率，纵坐标为噪声值。它表示的是图1.3中Io处的总的电压输出噪声。由图 （2）各结点噪声的分析

IREF1,IREF2结点处的噪声为

本文计算的是闪烁噪声，而仿真结果还包含热噪声及其它噪声。可以看出输出级的噪声比前一级低很多，下面具体分析一下降噪的方法。

4本设计采用的降噪方法

本设计主要是通过降低输出电阻和采用差分输入的电路结构来降低噪声的。

1. 由式（1.5）给出的噪声表达式可知，它与电阻值成正比。在电路中噪声值也与该电路的等效输出电阻成正比。利用HSPICE元件卡中的电阻仿真语句，进行交流仿真并对很短的频率进行扫描分别得出了两个电流源的等效输出电阻和电路中总的输出电阻。如图1.6和图1.7所示。 从仿真结果中可以看出，电流源的等效输出电阻为2.6kΩ，电路总的等效输出电阻为17.7Ω。它们的比例与噪声的比例相近。因此电流源的输出噪声与其等效输出电阻是密切相关的。可见本设计是通过降低等效输出电阻降低了输出噪声。

2.如图1.8，1.9所示，为跨导放大器的示意图和电路结构图。INN3,SPAN5,INP4,SPAN6分别是跨导放大器的两个输入端。两个跨导放大器构成了一个大的差分结构。由于差分结构对称点上的增量（交流）接地，因而不会受到电流源接地回路中寄生参数的影响。差分结构的另一个重要优点是它有抑制共模干扰的能力。这一考虑在混合信号应用别重要，差分结构的放大器对抑制噪声也有显著的作用。由于MOS晶体管的沟道电阻产生热噪声，所以选择双极差分输入会得到一个相对好的噪声系数。

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如果要对该电路进行进一步的噪声优化，可以考虑采用增加器件面积的方法去减小1/f噪声。因为器件面积的增加，会使流过器件的电流密度减小，使得电荷载流子被“悬挂”键俘获的数量减少，从而降低漏电流中产生的闪烁噪声。

5总结

噪声现象及其在模拟电路中的影响越来越受到关注，因为噪声与功耗、速度和线性度之间是互相制约的。本文对一种变送器产生的噪声进行了分析，提出了利用减小输出电阻和采用差分电路结构以及加大器件面积的方式来降低噪声的方法，噪声计算和仿真的结果均符合产品的设计指标。

参考文献

[1]毕查德・拉扎维 著 《模拟CMOS集成电路设计》，西安交通大学出版社，2002。

[2]池保勇，余志平，石秉学 著《CMOS射频集成电路分析与设计》，清华大学出版社 2003。

[3]PAUL R.GRAY著《模拟集成电路的分析与设计》，高等教育出版社，2002。

[4]王勇著《放大器固有噪声分析》，2008。

[5]L. W. Couch. Digital and Analog Communication Systems. Fourth Ed. , New York:Macmillan Co. , 1993.

[6]S. M. Sze. Physics of Semiconductor Devices. Second Ed. , New York: Wiley, 1981.

[7]Y. Tsividis. Operation and Modeling of the MOS Transistor. Second Ed. , Boston:McGrawHill, 1999.

[8]A. A. Abidi. High-Frequency Noise Measurements on FETs with Small Dimensions. IEEE Tran. Electron Devices, vol.33, pp.1801-1805, Nov. 1986.

[9]H. A. Haus et al.. Representation of Noise in Linear Twoports. Proc. IRE, vol.48, pp.69-74,Jan. 1960.

作者简介

卢剑，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

律博，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

刘峻，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

王鸿鹏，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

郭宇，高级工程师，研究方向：集成电路的设计与研究;

苏建华，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

吴春瑜，教授，硕士生导师，主要从事集成电路及半导体器件的教学与研究;

梁洁，北京美新华微电子技术有限公司技术总监。

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