4.1 噪声
MOS晶体管中，有两种效应需要考虑：热噪声和闪烁噪声。
- 热噪声与热力学密切相关
- 闪烁噪声是由于材料缺陷引起的。
在强反转（gm / ID < 10 S/ A）中，γ值随沟道长度显著变化，而在中等反转中，变化相对较小。
为了降低输入参考噪声，需要增加跨导gm
热噪声、GBW、电源电流之间权衡
一旦FO固定(结束γ近似恒定)，完全由截止频率(fT)和 gm/ID决定。
- 曲线在中强反转区（gm / ID = 7 S/ A附近）显示出最佳值。
- 曲线的峰值对于最短沟道长度是最高的，这仅仅是因为对于短沟道，截止频率最大
- 这证实了短沟道晶体管对于给定的带宽和噪声规格可以在较低的电流电平下工作
- 在更复杂的电路中，权衡并不像前面的例子那么简单。
- 例如，低噪声的价值可能高于大带宽，在这种情况下，上面的品质因数变得不合适。在这种情况下，把电路推向中等或弱反型是可取的
- 在任何情况下，噪声约束的电路优化可以系统地进行使用gm / ID为中心的方法。
有源负载的 热噪声
为了最小化excess noise，必须最小化 gm2/gm1，相当于最小化
因为两个晶体管流过的ID相同，一旦选择了
因为,需要牺牲输出摆幅
电路的动态范围定义为最大信号功率与噪声功率之比。无论如何使用该电路（在反馈配置或开环内），最大化动态范围将需要最大化以下项：
Flicker Noise(1/f noise)
- 闪烁噪声的功率谱密度不是恒定的，而是与频率成反比地减小。
- 在低频时，闪烁噪声分量占主导地位，而在高频时，热噪声占主导地位。
- 热功率谱密度和闪烁功率谱密度相等的频率称为闪烁噪声转折频率(flicker noise corner frequency )（fco）
有两种已知的物理机制引起闪烁噪声：
- carrier number fluctuations due to trapping (McWorther model)占据主导
- mobility fluctuations (Hooge model)
- qe：电子电荷
- λ：速到衰减距离
- Nt：电荷陷阱密度
- α：bias dependence
虽然热噪声基底随栅极偏置而显著变化，但闪烁噪声分量仅变化很小。
减小闪烁噪声的主要方法是增加器件面积WL
如果增加器件尺寸不能使噪声达到所需水平，则可以采用电路级技术，如斩波（chopping）和相关双采样（double sampling）
从应用的角度来看，重要的是要注意，闪烁噪声往往只在低带宽电路中是显著的。
根据经验，当带宽对于比闪烁噪声转折点（fco）高1- 2个数量级时，闪烁噪声变得无关紧要。
对于较大的gm / ID或较大的L，闪烁噪声转折频率降低。
4.2 非线性失真
- 噪声决定了电路可以处理的最小信号
- 非线性失真为可以处理的最大信号设定了界限。
MOS跨导非线性
通常通过将漏极电流展开为静态点（VGS，ID）附近的泰勒级数来分析非线性失真
- 由于强反型中的迁移率下降，gm1在大VGS时饱和
- 在深强反型，VGS > 1 V时的负gm 2明显表明，VGS开始衰减。
差分对非线性
随机失配
- 集成电路技术的一个最重要的特征是，相同绘制（且紧密间隔）的组件的电参数以良好的精度匹配。
- 促使人们设计出利用此特性的“比率”和对称电路。
- example 包括
- 全差分放大器电路
- 电流镜
- 用于反馈和分压或分流的各种阻性和容性网络
- 即使集成元件的匹配非常好，但它永远不是完美的，在许多情况下，IC设计者必须注意失配引起的非理想性
- 当谈到不匹配时，区分系统效应和随机效应很重要
- 两个晶体管之间的系统失配可能是
- 非对称布局或所讨论的器件周围的不同层密度引起的。
- 可以通过适当的布局技术来缓解
- 一旦消除了系统失配的所有重要来源，就剩下随机失配
总结
- gm / ID *fT，是 低噪声、宽带宽 重要的参数
- excess noise 可以通过适当选择 gm /ID 来最小化
- gm /ID可以用于量化闪烁噪声PDS 的偏置依赖性
参考文献
《Systematic Design of Analog CMOS Circuits: Using Pre-Computed Lookup Tables》
