开关电容放大器噪声计算


积分器中的噪声

代表采样输入参考噪声,这部分噪声包含输入的开关管和OTA的噪声。

: 代表由OTA产生的参考输出的噪声,不包含采样噪声。

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首先,OTA的热噪声,对于单端输出的OTA

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每一个晶体管都会产生一个电流噪声源 , 这里假设

假设两个路径完全匹配,所以M5不贡献差分信号的噪声。M1和M2的噪声比较容易,可以直接计算出这两个管子对于输入的参考噪声为 . 而对于M3和M4而言,输入的参考噪声为。所以,总的输入参考噪声为 其中 取决于放大器的结构。

当把这样一个OTA接到一个电容回路中,如下图所示

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整个闭环系统的传输函数为 其中G是DC增益,假设放大器的增益远大于反馈系数时 是电路的主极点,如果电路采用的单极放大器 如果采用的是两级放大器结构 其中为补偿电容。

综上,整个系统的在输出端噪声可以表示为 $$ $$ 我们可以看出,整个系统的噪声不再取决于

当系统的热噪声被采样,存在以下几个特性

1 总噪声维持不变

2 噪声发生混叠,从高频噪声混叠入低频噪声,如下图。

3 噪声功率谱密度将会明显增加。

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相同的噪声面积,但是经过采样后,0到fs/2的噪声功率谱密度将会明显增加。 低频的噪声功率谱密度将会由原来的​增长为原来得​ 倍。​ 是这个系统的建立时间,​是两相位时钟的建立时间。

在设计的时候需要满足 其中,所以PSD至少增加​倍。如果N=10, PSD增加7.6 或8.8dB。

所以这是对于一个采样系统相对于连续系统的一个隐含的缺点。

对于下面的开关电容积分器

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我们需要分别考虑两个相位的噪声: 采样相位和积分相位

1 采样相位

噪声包含所对应的开关的噪声。

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噪声主要来源于两个开关的噪声 整个电路可以等效为一阶低通滤波器,中间存在一个极点。极点对应的时间常数为 所以由于开关电阻产生的噪声加载在的两端的噪声电压为 由于积分是在整个频谱的积分 可以看出采样相位的噪声和的大小没有关系,但是与系统前端的时间常数中的的大小成反比。

2 积分相位

噪声包含OTA的噪声和​所对应的开关噪声。

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这里存在两个噪声来源:开关和OTA

两个开关产生的噪声为 由之前的计算可知,OTA产生的噪声为 上的噪声由以上两个一起产生

需要计算噪声的大小,必须计算这个电路的时间常数。而在这个电路中,电容的另外一端接了一个OTA。

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其中由电容的右端向OTA输入端看过去的等效输入阻抗为 由于我们需要足够高的增益~60dB,所以​一般来说比较大。这里输入信号是一个包含DC低频信号,C2一般为pF级。忽略C2带来的影响 所以时间常数为 所以在积分相位中,由OTA产生的噪声为 由开关产生的噪声为 其中

所以整个开关电容的噪声为 $$ $$ 如果时,可以达到最小的噪声​。

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从图中得知,当x增大时,开关的噪声逐渐成为主要的噪声源,这也与直觉相符合,x增大一般来源于着​增大,将会贡献更多的噪声。但是系统的总噪声会随着的增大而减小,主要是因为增大使得串联电路的时间常数增加,从而造成带宽的减小,使得系统总噪声减小。

时,这也是我们常用的情况,主要由OTA主导整个噪声,当固定建立时间和噪声大小的时候,存在最小的值,使得系统的功耗最低。这里假设时间常数由积分阶段限制,所以 可以推出的值为, 所以对于x越小,​的值也越小。而​,所以可以用较小的​​​值,实现相同的时间常数和噪声特性。而基于反相器结构的放大器,,由PMOS和NMOS同时提供, 所以功耗能更低。

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在应用中,我们时固定信号得带宽,通常情况下需要知道每个频率点噪声功率谱密度,而上图得传输函数为 而总得输出参考噪声功率谱密度PSD,可以如下表示 其中 由于所有的噪声都经过采样而产生噪声折叠,对于白噪声的功率谱密度可以表示为

其中NTF表示为

如果采用多输入端口的开关电容积分器

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明显可以看出,加入的开关电容,使得电容两端的噪声又有了额外的噪声源,从而使得两端的噪声增加。


考虑其他电容影响

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当不能忽略C2电容的时候,OTA和反馈电容等效输入阻抗为 所以噪声源到C1两端的传递函数为,而其中Cp电容相对于米勒等效电容​​可以忽略不记。 由于 考虑寄生电容很大的情况 所以,只要满足,或者

所以开关电容电路的噪声主要与​​​相关,而与其相连的寄生电容影响较小,从等式上看,寄生电容的增大,能使得时间常数稍稍增加。


文章作者: elike
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