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MOS晶體管自身產(chǎn)生的噪聲中,特別重要的是熱噪聲和閃爍噪聲

信息來(lái)源:本站 日期:2017-08-16 

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MOS晶體管的噪聲

MOS晶體管自身產(chǎn)生的噪聲中,特別重要的是熱噪聲和閃爍噪聲(1/f噪聲)。


溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲


電子在電阻巾作隨機(jī)運(yùn)動(dòng),因此電阻的兩端會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓,這種噪聲電壓稱(chēng)為熱噪聲。MOS晶體管的溝道具有電阻成分,所以會(huì)產(chǎn)牛熱噪聲。

如圖1. 34(a)所示,MOS晶體管的熱噪聲可以用不含熱噪聲的MOS晶體管以及與柵極連接的電壓源束表示。這時(shí),強(qiáng)反型的飽和區(qū)中MOS晶體管的熱噪聲

用下式表示:

式中,R為波爾茲曼常數(shù)(1. 38X10-23.]/K);T為絕對(duì)溫度,△f為帶寬;gm為MOS晶體管的跨導(dǎo)。

頻譜密度ν2nt△與頻率沒(méi)有關(guān)系,是一定的,顯示出白噪聲特性。

圖1. 34(b)是用與不含熱噪聲的M()S晶體管并聯(lián)電流源表示的熱噪聲模型。這時(shí)MOS晶體管的熱噪聲電流由下式出:

MOS晶體管的熱噪聲頻譜密度ν2nt/△與頻率沒(méi)有關(guān)系,是一定的,顯示出白噪聲特性。

OP放大器IC等商品中,噪聲電壓νnt或噪聲電流int往往是作為每Hz值表示的。不過(guò)可以看iH,給Hi的是式(1.22)或者式(1.23)平方根。

閃爍噪聲(1/f噪聲)

所謂閃爍就是起伏的意思。閃爍噪聲與頻率的倒數(shù)(]/f)成比例,所以也稱(chēng)為1/f噪聲。這種噪聲起伏的起因主要來(lái)自?xún)煞矫妗?

1.載流子數(shù)目的起伏

在Si晶體內(nèi)部相鄰原子是靠電子共有的共價(jià)鍵結(jié)合起來(lái)的。但是在Si與SiO2的界面上,存在沒(méi)有構(gòu)成共價(jià)鍵的懸掛鍵。這些懸掛鍵俘獲電子或者釋放電子的過(guò)程是隨機(jī)地反復(fù)進(jìn)行的,因此使漏極電流產(chǎn)生起伏,這就是載流子數(shù)目的起伏。

如圖1. 35所示,MOS晶體管1/f噪聲可以用不含噪聲的MOS晶體管以及接在柵極上的電壓源來(lái)表示,這時(shí)柵極換算噪聲電壓tνnf用下式給出:

式中,K1是噪聲系數(shù)。

2.遷移率的起伏

裁流子與起伏的品格之間的相互作用,被認(rèn)為是載流子遷移率發(fā)生起伏的原因,這叫做遷移率起伏。這種遷移率起伏引起的柵極換算噪聲電壓νnf用下式表示:式中,K2是與VGS有依賴(lài)關(guān)系的噪聲系數(shù)(與前面的K1的單位不相同)。

NMOS晶體管巾載流子的起伏是主要的,而PMOS晶體管中遷移率的起伏處于支配地位。不論哪種場(chǎng)合,]/f噪聲都與頻率f以及MOS晶體管的面積(WXL)成反比。

PMOS晶體管的l/f噪聲小

n+多晶硅柵的NMOS晶體管中,在Si/Si02界面附近的Si表面上會(huì)產(chǎn)生溝道,叫做表面溝道。而n+多晶硅柵的PMOS晶體管,在離開(kāi)Si/SiO2界面附近的Si內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溝道,這叫做埋入溝道。

表面溝道晶體管中載流子比較容易被存在于Si/Si02界面上的界面能級(jí)俘獲,而埋人溝道晶體管中的溝道距離Si/Si0:界面比較遠(yuǎn),所以俘獲載流子比較困難。

因此,一般來(lái)說(shuō),PMOS晶體管的1/f噪聲要比尺寸相同的NMOS晶體管小。

降低l/f噪聲的要點(diǎn)

同時(shí)考慮熱噪聲和1/f噪聲時(shí),MOS晶體管的噪聲電壓可表示為

圖1. 36示出其噪聲頻譜密度的頻率特性。

MOS晶體管的1/f噪聲比雙極晶體管大,所以如何抑制l/f噪聲對(duì)于CMOS模擬電路就非常重要。降低MOS晶體管的1/f噪聲的方法可以歸納為以下幾點(diǎn):

(])增大MOS晶體管的面積(WXL)。

(2)對(duì)于電路的噪聲特性影響大的晶體管(例如差動(dòng)放大電路的輸入差動(dòng)對(duì)),采用PMOS晶體管。

(3)單位面積柵電容大的晶體管的l/f噪聲小。就是說(shuō)減薄柵氧化膜的厚度,有利于降低l/f噪聲。


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