第一章概述 皮书”，第二版，http:lww.eetchina.com [4]I.Vassiliou,K.Vavelidis,N.Haralabidis et al.,"CMOS Tuners for Mobile TV",IEEE Communications Magazine,pp.118-125,Dec.2006. [5]Y.Kim,J.Kim,V.N.Parkhomenko et al.,"A Multi-Band Multi-Mode CMOS DirectConversion DVB-H Tuner",in Proc.IEEE Int.Solid-State Circuits Conf,2006,33.2 [6]S.Azuma,H.Kawamura,et al.,"A Digital Terrestrial Television (ISDB-T) Tuner for Mobile Applications",in Proc.IEEE Int.Solid-State Circuits Conf., 2004,15.6. [7]B.Kim,T.W.Kim Y.Cho,et al.,"A 100mW Dual-Band CMOS Mobile-TV Tuner IC for T-DMB DAB and ISDB-T",in Proc.IEEE Int.Solid-State Circuits Conf.,2006,33.5. [8]A.Maxim,R.K.Poorfard,R.A.Johnson et al.,"A Fully Integrated 0.13 um CMOS Low-IF DBS Satellite Tuner Using Automatic Signal-Path Gain and Bandwidth Calibration",IEEE J.Solid-State Circuits,vol.42,pp.897-921, Apr.2007. [9]V.Veeresh Babu,S.Seth,A.N.Chandorkar,"Design of RF Tuner for Cable Modem Applications",in Proc.of the 17h Int.Conf.on VLSI Design, 2004. [10]K.lizuka,H.Kawamura,T.Fujiwara,et al.,"A 184 mW Fully Integrated DVB-H Tuner With a Linearized Variable Gain LNA and Quadrature Mixers Using Cross-Coupled Transconductor",IEEE J.Solid-State Circuits,vol. 42,pp.862-871,Apr.2007. [11]T.Sakai,S.Ito,N.Kaiki et al.,"A Digital TV Receiver RF and BB Chipset with Adaptive Bias-Current Control for Mobile Applications",in Proc./EEE Int.Solid-State Circuits Conf.,2007,11.4. [12]J.M.Stevenson,P.Hisayasu,A.Deiss et al.,"A Multi-Standard Analog and Digital TV Tuner for Cable and Terrestrial Applications",in Proc.IEEE Int.Solid-State Circuits Conf.,2007,11.3. [13]V.Fillatre,J.R.Tourret,S.Amiot et al.,"A SiP Tuner with Integrated LC Tracking Filter for both Cable and Terrestrial TV Reception",in Proc.IEEE Int.Solid-State Circuits Conf.,2007,11.2. [14]M.Dawkins,A.P.Burdett,and N.Cowley,"A Single-Chip Tuner for DVB-T,"IEEE J.Solid-State Circuits,vol.38,pp.1307-1317,Aug.2003. 6
第一章 概述 6 皮书”, 第二版，http://www.eetchina.com. [4] I. Vassiliou, K. Vavelidis, N. Haralabidis et al., "CMOS Tuners for Mobile TV", IEEE Communications Magazine, pp. 118-125, Dec. 2006. [5] Y. Kim, J. Kim, V. N. Parkhomenko et al., "A Multi-Band Multi-Mode CMOS DirectConversion DVB-H Tuner", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2006, 33.2. [6] S. Azuma, H. Kawamura, et al., "A Digital Terrestrial Television (ISDB-T) Tuner for Mobile Applications", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2004, 15.6. [7] B. Kim, T. W. Kim Y. Cho, et al., "A 100mW Dual-Band CMOS Mobile-TV Tuner IC for T-DMB DAB and ISDB-T", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2006, 33.5. [8] A. Maxim, R. K. Poorfard, R. A. Johnson et al., "A Fully Integrated 0.13 um CMOS Low-IF DBS Satellite Tuner Using Automatic Signal-Path Gain and Bandwidth Calibration", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, pp. 897-921, Apr. 2007. [9] V. Veeresh Babu, S. Seth, A. N. Chandorkar, "Design of RF Tuner for Cable Modem Applications", in Proc. of the 17th Int. Conf. on VLSI Design, 2004. [10] K. Iizuka, H. Kawamura, T. Fujiwara, et al., "A 184 mW Fully Integrated DVB-H Tuner With a Linearized Variable Gain LNA and Quadrature Mixers Using Cross-Coupled Transconductor", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, pp. 862-871, Apr. 2007. [11] T. Sakai, S. Ito, N. Kaiki et al., "A Digital TV Receiver RF and BB Chipset with Adaptive Bias-Current Control for Mobile Applications", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2007, 11.4. [12] J. M. Stevenson, P. Hisayasu, A. Deiss et al., "A Multi-Standard Analog and Digital TV Tuner for Cable and Terrestrial Applications", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2007, 11.3. [13] V. Fillatre, J. R. Tourret, S. Amiot et al., "A SiP Tuner with Integrated LC Tracking Filter for both Cable and Terrestrial TV Reception", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2007, 11.2. [14] M. Dawkins, A. P. Burdett, and N. Cowley, "A Single-Chip Tuner for DVB-T," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, pp. 1307-1317, Aug. 2003
第一章概述 [15]D.Saias,et al.,"A 0.12um CMOS DVB-T tuner",in Proc.IEEE Int. Solid-State Circuits Conf.,2005,pp.430-431. [16]C.Y.Cha,J.K.Choi,H.S.Kwon,and S.G.Lee,"Radio specifications of double conversion tuner for cable modem",IEEE Trans.on Consumer Electronics,Vol.49,pp.1272-1278,Nov.2003. [17]S.Lou and H.Luong,"A Wideband CMOS Variable-Gain Low-Noise Amplifier for Cable TV Tuners,"in IEEE Asian Solid-State Circuits Conf. (A-SSCC),2005,pp.181-184. 7
第一章 概述 7 [15] D. Saias, et al., "A 0.12µm CMOS DVB-T tuner", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., 2005, pp. 430-431. [16] C. Y. Cha, J. K. Choi, H.S. Kwon, and S. G. Lee, "Radio specifications of double conversion tuner for cable modem", IEEE Trans. on Consumer Electronics, Vol. 49, pp. 1272-1278, Nov. 2003. [17] S. Lou and H. Luong, "A Wideband CMOS Variable-Gain Low-Noise Amplifier for Cable TV Tuners," in IEEE Asian Solid-State Circuits Conf. (A-SSCC), 2005, pp. 181-184
第二章MOS管噪声模型 第二章MOS管噪声模型 2.1沟道电流热噪声 对于任意一个电阻（或等效电阻）R,由于热载流子的不规则运动都会产生噪 声，即热噪声，其功率谱可以表示为 Tha/Af =4KT/R (2-1) 而对于一个MOS管而言，其沟道也可以等效为一个电阻，因此同样具有热 噪声。根据详细的理论推导1,2]，在饱和工作时MOS管的沟道热噪声可表示为 ina/Af =4kTygao, (2-2) 其中go为漏源电压Vs=0时漏源之间的跨导，y为沟道热噪声系数，当Vs为 零时y=1。对饱和长沟器件，9=9m，y=213；而在亚微米器件中， 9oIgm>1,y>1。为简便起见，在后面的分析中通常假设go=gm,并只考虑 Hz带宽内的噪声功率，这样可将沟道热噪声表示为 。=4kTy9m (2-3) 图2-1MOS管沟道热噪声 2.2栅噪声（准静态模型） 当MOS管栅极所加激励信号频率o远小于截止频率@时，栅极的输入阻 抗呈纯容性，即栅极的信号电流在相位上比电压超前90°；当信号频率趋近于⊙ 时，沟道中载流子的响应速度开始跟不上输入信号的变化速度，信号电流和电压 的关系与纯容性阻抗的情况相比出现滞后，在电路参数上表现为输入阻抗中出现 了实部，这可以用一个电导9。来表示： go So 图2-2MOS高频栅极电导模型
第二章 MOS 管噪声模型 8 第二章 MOS 管噪声模型 2.1 沟道电流热噪声 对于任意一个电阻(或等效电阻)R，由于热载流子的不规则运动都会产生噪 声，即热噪声，其功率谱可以表示为 2 i f kT R n d, ∆ = 4 . (2-1) 而对于一个 MOS 管而言，其沟道也可以等效为一个电阻，因此同样具有热 噪声。根据详细的理论推导[1,2]，在饱和工作时 MOS 管的沟道热噪声可表示为 2 i f kT g nd d , 0 ∆ = 4 γ , (2-2) 其中gd0 为漏源电压Vds = 0 时漏源之间的跨导，γ 为沟道热噪声系数，当Vds 为 零时 γ = 1。对饱和长沟器件， g g d m 0 = ， γ = 2/3 ；而在亚微米器件中， 0 g g d m / 1 > ，γ > 1。为简便起见，在后面的分析中通常假设g g d m 0 = ，并只考虑 1Hz 带宽内的噪声功率，这样可将沟道热噪声表示为 2 i kT g nd m , = 4 γ . (2-3) 2 n d, i 图 2-1 MOS 管沟道热噪声 2.2 栅噪声(准静态模型) 当 MOS 管栅极所加激励信号频率ω 远小于截止频率ωT 时，栅极的输入阻 抗呈纯容性，即栅极的信号电流在相位上比电压超前 90°；当信号频率趋近于ωT 时，沟道中载流子的响应速度开始跟不上输入信号的变化速度，信号电流和电压 的关系与纯容性阻抗的情况相比出现滞后，在电路参数上表现为输入阻抗中出现 了实部，这可以用一个电导gg 来表示： g Cgs g g s 图 2-2 MOS 高频栅极电导模型
第二章MOS管噪声模型 9g= o℃2 (2-4) 5gao 注意，这个电导只是器件在高频特性下表现出来的电阻特性的量化，不是实 际的物理电阻，因此是没有热噪声的。 在一定的偏置下，MOS器件沟道反型，沟道内载流子的流动通过栅氧化层 的耦合，会在栅极产生一个物理电流，称为栅极感应噪声电流(Induced Gate Noise,或称漏致栅噪声)，可以表示为： iRg/Af=4kTδg。, (2-5) 其中6为栅噪声系数，长沟道饱和器件中其值为43。 gate P-sub 图2-3栅极感应噪声效应 这样，可以得到饱和工作时MOS管栅噪声电路模型，如图2-4所示。其中 Tho/Af =4kT6g C (2-6) 9g= 5gdo 从这个等式中可以看到栅噪声的表达式中含有频率变量，这似乎可以得出 结：栅噪声的谱密度不是常数，而是正比于o2,随o增加而单调增加，因而栅 噪声不是白噪声而是“蓝噪声”3]。为什么栅噪声和沟道噪声起源相同，却表现出 不同的噪声特性呢？实际上，这是人为引入的理解偏差。通过戴维宁定理，可以 将上图转化为图2-5所示的电压源和电阻串连的形式，并且有 图2-4MOS管饱和栅噪声模型 图2-5戴维宁等效模型
第二章 MOS 管噪声模型 9 2 2 5 0 gs g d C g g ω = . (2-4) 注意，这个电导只是器件在高频特性下表现出来的电阻特性的量化，不是实 际的物理电阻，因此是没有热噪声的。 在一定的偏置下，MOS 器件沟道反型，沟道内载流子的流动通过栅氧化层 的耦合，会在栅极产生一个物理电流，称为栅极感应噪声电流(Induced Gate Noise，或称漏致栅噪声)，可以表示为： 2 i f kT g ng g , ∆ = 4 δ , (2-5) 其中δ 为栅噪声系数，长沟道饱和器件中其值为 4/3。 VG VD 2 n g, i 图 2-3 栅极感应噪声效应 这样，可以得到饱和工作时 MOS 管栅噪声电路模型，如图 2-4 所示。其中 2 , 2 2 0 4 5 ng g gs g d i f kT g C g g δ ω ⎧ ∆ = ⎪⎪ ⎨ ⎪ = ⎪⎩ . (2-6) 从这个等式中可以看到栅噪声的表达式中含有频率变量，这似乎可以得出 结：栅噪声的谱密度不是常数，而是正比于 2 ω ，随ω 增加而单调增加，因而栅 噪声不是白噪声而是“蓝噪声”[3]。为什么栅噪声和沟道噪声起源相同，却表现出 不同的噪声特性呢？实际上，这是人为引入的理解偏差。通过戴维宁定理，可以 将上图转化为图 2-5 所示的电压源和电阻串连的形式，并且有 g Cgs 2 g n g, i g s gr 2 n g, v g s Cgs 图 2-4 MOS 管饱和栅噪声模型 图 2-5 戴维宁等效模型
第二章MOS管噪声模型 11111 Io= go Q2+1 go Q2 5gao. (2-7)） vho/Af =4kTor 在求r时假设栅源电容C的Q值远大于1，即Qc。=5go1oCgs>1,也即： 0<5gao1Cgs=5m,/a。由于a=9m1g0≤1，因此这个假设总是成立的。这样 可以看到，栅噪声。也是与频率无关的，即仍然属于白噪声。 2.3栅噪声与沟道噪声的相关性 研究表明，栅噪声和沟道噪声部分相关，在长沟道条件下二者相关系数为[2] fofa C= 日 ≈0.395j. (2-8) 需要注意的是，这里的相关系数符号与栅噪声电流的规定正方向有关，如果 图2-4中ing方向为由下往上（从S端到G端），则c=-0.395j。根据该定义， 将栅噪声电流。分为与沟道噪声电流相关和不相关的两部分i,c和，山，并有4] [o+_[o店+店___ (2-9) 话品 即：日。-c，=（1-c）。这样，可以将栅噪声表示为与沟道热噪声相 关和不相关的两部分 ga Noiseless part (a)完整模型 gmV gs Noiseless part (b)将噪声等效到输入端后的模型 图2-6MOS管双端口网络噪声模型 10
第二章 MOS 管噪声模型 10 2 2 0 2 , 1 1 11 1 1 5 4 g g gd ng g r gQ gQ g v f kT r δ ⎧ = ≈= ⎪ + ⎨ ⎪ ∆ = ⎩ . (2-7) 在求 gr 时假设栅源电容Cgs 的 Q 值远大于 1，即Q gC C d gs gs = 5/ 1 0 ω ，也即： ω 5 / 5/ g C d gs T 0 = ω α 。由于 0 α = g g m d / ≤ 1，因此这个假设总是成立的。这样 可以看到，栅噪声 2 n g, v 也是与频率无关的，即仍然属于白噪声。 2.3 栅噪声与沟道噪声的相关性 研究表明，栅噪声和沟道噪声部分相关，在长沟道条件下二者相关系数为[2] 2 2 0.395 gd gd gg dd g d ii ii c j ii ii i i ∗ ∗ ∗ ∗ = =≈ ⋅ ⋅ . (2-8) 需要注意的是，这里的相关系数符号与栅噪声电流的规定正方向有关，如果 图 2-4 中 2 n g, i 方向为由下往上(从 S 端到 G 端)，则c j = −0.395 。根据该定义， 将栅噪声电流 g i 分为与沟道噪声电流相关和不相关的两部分 g c, i 和 g u, i ，并有[4] ( ) 2 2 2 2 2 2 2 , , ,, , , , 22 22 22 22 2 gc gu d gc d gu d gc d gc d gc gd gd gd gd g i ii ii ii ii ii i c ii ii ii ii i ∗ ∗∗ ∗ ∗ ⎡ ⎤ + ⎡ ⎤⎡ ⎤ + ⎢ ⎥ ⋅ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎣ ⎦ = = = == , (2-9) 即： 2 2 2 gc g , i ic = ， ( ) 2 2 2 ii c gu g , = −1 。这样，可以将栅噪声表示为与沟道热噪声相 关和不相关的两部分 Noiseless part gg Cgs 2 g i gs v Cgd g vm gs dr 2 d i (a) 完整模型 2 n v dr g vm gs Cgd gs v Cgs gg 2 g i (b) 将噪声等效到输入端后的模型 图 2-6 MOS 管双端口网络噪声模型