CMOS环形振荡器的噪声分析

CMOS电路噪声与抑制噪声是电路中常见的问题，对于CMOS电路而言也是如此。

在设计和使用CMOS电路时，我们需要了解噪声的来源以及如何有效地抑制噪声，以确保电路的性能和可靠性。

本文将探讨CMOS电路噪声的产生机制以及几种常见的噪声抑制技术。

一、噪声的来源CMOS电路中的噪声主要来自以下几个方面：1. 热噪声：热噪声是由元件的热激活引起的。

根据维纳-霍奇金关系，热噪声与电阻、温度以及带宽相关。

在CMOS电路中，主要由电阻和晶体管的热噪声引起。

2. 动态噪声：动态噪声源于电荷的随机变动。

例如，由于电流和电压的变化引起的电感和电容的噪声。

此外，开关瞬态和充放电过程中的不确定性也会导致动态噪声。

3. 互调失真噪声：互调失真噪声是由非线性元件引起的。

在高频应用中，由于非线性元件的存在，信号会在频谱上产生互调失真。

二、噪声抑制技术为了有效地抑制CMOS电路中的噪声，工程师们开发了多种噪声抑制技术。

以下是几种常见的技术：1. 降噪滤波器：降噪滤波器通过滤除噪声信号的特定频率成分来减少噪声的影响。

常见的降噪滤波器包括带通滤波器和带阻滤波器。

通过适当选择滤波器的参数，可以实现对特定频率的噪声的抑制。

2. 增加信噪比：信噪比是衡量信号质量的重要指标。

通过增加信号的强度或减少噪声的幅度，可以提高信噪比。

在CMOS电路设计中，可以采取一系列措施来增加信号强度，例如增大电流和电压，优化电路布局，减少电阻和电容等。

3. 降低功耗：功耗是产生噪声的重要因素之一。

高功耗会产生较高的温度，从而增加热噪声。

因此，在CMOS电路设计中要尽量降低功耗。

常见的功耗优化技术包括使用低功耗电源电压，采用节能的电路结构和算法等。

4. 场效应管噪声抑制技术：由于CMOS电路中晶体管的噪声是主要的噪声源之一，因此采用一些场效应管噪声抑制技术可以有效地降低噪声。

例如，在放大器电路中，可以采用共源极电路来抑制晶体管的噪声。

5. 模拟/数字混合抑制：在模拟/数字混合电路中，模拟和数字信号之间的转换也可能引入噪声。

CMOS图像传感器及噪声研究综述宗宗摘要目前，图像传感器市场主要有CMOS图像传感器和CCD图像传感器。

CCD图像传感器由于其较高的填充因子FF(Fill Factor)和较低的固定模式躁声FPN(Fix Pattern Noise)已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速度，难与CMOS集成等缺点，限制了它的应用，特别是在要求低电压低功耗的移动设备中应用。

CMOS图像传感器上世纪60年代就已经出现，但因工艺和技术原因，存在严重的噪声问题，性能不够完善严重影响图像质量还被废弃。

但自20世纪90年代以来进人世纪年代,由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加, 芯片制造技术和信号处理技术的发展,为新一代低噪声、优质图像和高彩色还原度的CMOS传感器的开发铺平了道路, CMOS传感器的性能因此大大提高, CMOS图像传感器成为固体图像传感器的研究开发热点。

但在光线较暗条件下，CMOS图像传感器的噪声问题比较突出，这与器件和工艺本身关系较大。

对于CMOS图像传感器噪声的研究有助于解决其不足，以保证其优势可以发挥，无论是对噪声的抑制，还是对器件工艺改进的引导都有较大意义。

图像传感器市场比较大，对于兴起的CMOS图像传感器研发也是具有实际意义的。

本综述首先对目前CMOS图像传感器所用的技术和原理进行了研究介绍，然后分别从CMOS本身晶体管和光电二极管噪声研究和当前技术结构所拥有的噪声进行了研究介绍，最后自己分析了减小噪声的大致方向。

一CMOS图像传感器主流结构CMOS图像传感器的概念最早出现在20世纪60年代，但当时由于大规模集成电路工艺的限制未能进行研究。

普遍意义上的CMOS图像传感器的研究是从80年代早期开始，而从实验室走向产品化则是在90年代早期。

CMOS图像传感器的研发大致经历了3个阶段：CMOS无源像素传感器(CMOS—PPS。

Passive Pixel Sensor)阶段、CMOS有源像素传感器(CMOS—APS，Active Pixel Sensor)阶段和CMOS数字像素传感器(CMOS—DPS，Digital Pixel Sensor)阶段。

CMOS反相器多级噪声抑制原理一、概述CMOS反相器是数字电路中常见的基本元件，它由N型MOS和P型MOS场效应晶体管组成。

在数字系统中，CMOS反相器被广泛用于信号的放大、传输和逻辑运算等方面。

然而，由于环境中存在各种形式的噪声，噪声会对CMOS反相器的正常工作产生不利影响。

为了提高CMOS反相器的性能，多级噪声抑制原理被引入其中。

二、多级噪声抑制原理1. 噪声来源在CMOS反相器中，噪声主要来源于以下几个方面：- 热噪声：由于晶体管内部载流子的热运动引起的随机涨落现象导致的噪声；- 断电噪声：由于晶体管内部的空载电流引起的噪声；- 电源噪声：由于电源波动引起的噪声；- 输入信号噪声：来自输入信号的噪声。

2. 多级噪声抑制原理的基本思想多级噪声抑制原理的基本思想是通过多级放大器和滤波器的结合，降低噪声对CMOS反相器的影响，提高系统的信噪比。

在CMOS反相器中，通常采用分级放大器和信号处理器来完成多级噪声抑制。

3. 分级放大器的作用分级放大器主要用于信号的放大和噪声的抑制。

这是因为在放大器中，信号的增益和噪声的增益是不同的，可以通过适当设计放大器的结构和参数，使得信号得到增益，而噪声得到抑制。

4. 信号处理器的作用在CMOS反相器中，信号处理器主要用于对信号进行滤波和去噪，进一步提高系统的信噪比。

信号处理器可以采用数字滤波器、模拟滤波器等方式，根据具体的应用需求和系统性能要求进行选择和设计。

5. 多级噪声抑制原理的实现多级噪声抑制原理的实现需要综合考虑系统的性能指标、电路结构、工艺制程等多个方面的因素。

在设计中需要注意以下几点：- 合理选择放大器和滤波器的结构和参数，以实现信号的增益和噪声的抑制；- 优化电路的布局和布线，以降低电路的噪声敏感度和互相干扰；- 采用先进的工艺制程和技术，以提高电路的性能和可靠性。

6. 多级噪声抑制原理的优势多级噪声抑制原理的优势主要体现在以下几个方面：- 可以有效抑制噪声，提高系统的信噪比；- 可以提高系统的抗干扰能力，提高系统的稳定性和可靠性；- 可以适应不同的应用场景和性能要求，具有灵活性和可扩展性。

CMOS压控振荡器的相位噪声分析与优化技术研究CMOS压控振荡器的相位噪声分析与优化技术研究摘要：相位噪声是CMOS压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）设计过程中需要重点考虑的因素之一。

本文针对CMOS压控振荡器的相位噪声进行了深入的分析与研究，并提出了一些优化技术，旨在提高VCO的性能和稳定性。

一、引言CMOS VCO在现代通信和射频电路中具有广泛的应用。

然而，由于器件本身的非线性特性和环境干扰等因素，CMOS VCO常常面临相位噪声问题。

相位噪声会引起信号质量下降、频谱扩展等问题，因此必须进行深入的分析和研究。

二、相位噪声分析相位噪声主要由两个部分组成：1)本振频率偏移所产生的相位噪声，2)本振频率的起伏所产生的相位噪声。

其中，频率偏移是由于振荡器内部非线性特性和环境干扰等原因引起的，而频率起伏则是由于CMOS工艺中的电源噪声和电压不稳定性等因素导致的。

为了准确评估CMOS VCO的相位噪声性能，可以使用较为精确的方法，如相位噪声密度（phase noise density）和相位噪声功率谱密度（phase noise power spectral density）来描述。

通过对VCO的噪声源建模以及相位噪声功率谱密度的计算，可以分析噪声的来源和功率谱特性。

三、相位噪声优化技术研究1)降低振荡功耗。

振荡器功耗对相位噪声性能有很大影响，因此可以通过改进电源管理技术和优化电路结构来降低功耗，从而减小相位噪声。

2)优化电源噪声滤波器。

电源噪声是相位噪声的一个主要源头，通过设计合理的电源噪声滤波器可以减小电源噪声的传导和波及范围。

3)减小晶体振荡器（crystal oscillator）的载波噪声。

晶体振荡器作为VCO的参考频率源，其载波噪声也会对VCO的相位噪声性能产生影响。

因此，可以选择合适的晶体振荡器，或采用频率锁定环（PLL）等技术来减小载波噪声。

2.6GHz高速CMOS环形振荡器设计肖乃稼;何晓雄;崔华锐【摘要】文章提出了一种偶数级环形振荡器的设计方案,中心频率为2.3 GHz,利用起振电路使其能够快速起振,当环形振荡器的控制电压为1.2～2.0V时,其线性调谐范围为1.9～2.6 GHz;电路设计采用TSMC 0.18μm 1P6M混合信号生产工艺;利用Cadence Spectre RF进行仿真.结果显示,在中心频率为2.3 GHz、偏移载波频率为10 MHz的情况下,环形振荡器的相位噪声为-112.9 dBc/Hz.该电路可用于高速锁相环的设计中.【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)008【总页数】6页(P1059-1064)【关键词】压控振荡器;环形振荡器;相位噪声;偶数级;起振【作者】肖乃稼;何晓雄;崔华锐【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;中国电子科技集团第二十四研究所,重庆 400000【正文语种】中文【中图分类】TN753.5随着集成电路设计和生产工艺的快速发展,集成电路已经进入系统级芯片(systemon chip,SoC)阶段。

锁相环(phase-locked loop)作为片上系统中的时钟源,广泛应用于各类SoC芯片中,其性能决定了整个系统性能的好坏。

而压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)是锁相环电路中工作频率最高的单元,也是最核心的单元,人们对如何获得高频、低相位噪声、快速启动时间、较小版图面积的压控振荡器进行了广泛的研究。

在集成电路中压控振荡器主要分为环形振荡器和LC振荡器2类。

LC振荡器需要在片上集成电感,因此会占用很大的芯片面积;而环形振荡器结构相对简单,易于用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)工艺实现,有着较小的版图面积,因而得到了广泛的应用。

收稿日期：２００６－０７－２３１引言单片集成的射频收发器是当前研究的重点，而高谱纯度、低相位噪声的压控振荡器研究是其中难点之一，原因是缺乏高品质的片上无源器件和对噪声的机理缺乏本质的认识。

传统的噪声分析都是基于Ｌｅｅｓｏｎ噪声公式，而Ｌｅｅｓｏｎ公式源于振荡器的在周期稳态状态下的线形模型，它是一个缺乏理论证明的经验表达式［１］，而实际上振荡器是在大信号状态下工作且非线形明显，因此在压控振荡器设计中Ｌｅｅｓｏｎ公式还需要进一步完善。

文中重点是分析基于电感电容压控振荡器的噪声机理，提出对称噪声滤波方法，并设计出一种４．８ＧＨｚ的压控振荡器芯片以验证分析的准确性。

测试结果表明相位噪声为－１２３．６６ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ，与同类型压控振荡器相比处于领先水平。

２电感电容振荡器相位噪声图１是一种基于尾电流偏置的Ｎ／ＰＭＯＳ互补型差分振荡器，。

互补差分对管Ｍ１，Ｍ２和Ｍ３，Ｍ４产生“负阻抗”［２］抵消谐振网络等效电阻而形成振荡。

文献［３］中把振荡器噪声源分为３个部分：谐振网络噪声、互补差分对管噪声及尾电流源噪声。

压控振荡器的噪声可表示为ＣＭＯＳ电感电容压控振荡器中对称噪声滤波技术的研究杨丰林１，闵昊１，沈绪榜２（１复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海２０１２０３；２西安微电子技术研究所，陕西西安７１００５４）摘要：提出一种基于ＣＭＯＳ电感电容压控振荡器的对称噪声滤波技术。

仿真结果表明，对称噪声滤波技术能够在相同的功耗下改善相位噪声６ｄＢ。

应用对称噪声滤波技术设计一个４．８ＧＨｚ压控振荡器，在０．２５μｍＣＭＯＳ工艺上制造，测试结果表明在偏离载波１ＭＨｚ时相位噪声为－１２３．６６ｄＢｃ／Ｈｚ，整个振荡器的功耗仅为１２ｍＷ，与同类型的压控振荡器比较，取得很好的ＰＦＴＮ指标。

关键字：射频集成电路；压控振荡器；相位噪声；噪声滤波中图分类号：ＴＮ７５２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７１８０（２００７）０５－００４１－０４ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｙｍｍｅｔｒｉｃａｌＮｏｉｓｅＦｉｌｔｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎＣＭＯＳＬＣＶＣＯＹＡＮＧＦｅｎｇ－ｌｉｎ１，ＭＩＮＨａｏ１，ＳＨＥＮＸｕ－ｂａｎｇ２（１ＡＳＩＣａｎｄＳｙｓｔｅｍＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＦｕｄａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ；２Ｘｉ′ａｎＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ′ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＬＣＶＣＯ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｎｏｉｓｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＶＣＯｕｓｉｎｇｔｈｉｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｆｏｒ６ｄＢｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｏｎｅｓ．Ａｐｒｏｔｏｔｙｐｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｅｄｉｎ０．２５μｍＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｇｅｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆ－１２３．６６ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚｉｎｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｃｈｉｐｇｅｔｓｔｈｅｆｏｕｒｔｈＰＦＴＮｆｉｇｕｒｅｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｏｏｔｈｅｒｓｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＦＩＣ；ＶＣＯ；ｐｈａｓｅｎｏｉｓｅ；ｎｏｉｓｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇＬｔｏｔａｌ（!ｍ）＝８ＦｋＴＲＶ２０!０２Ｑ!ｍ（１）其中Ｆ＝（１＋４"ＩＲπＶ０＋４９"ｇｍＲ）（２）式中，Ｉ为偏置电流，γ为ＭＯＳ管的沟道噪声系数，Ｒ为谐振网络等效电阻，Ｖ０为振荡器幅度，ｇｍ为尾电流管Ｍ０的跨导。