CN102521426A - Rfcmos射频相关性噪声的模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFCMOS射频相关性噪声的模型，在BSIM模型中的MOS晶体管电路的基础上增加了噪声源电路，噪声源电路包括：栅极感应噪声电流源、栅极漏电流散弹噪声电流源、栅极寄生电阻热噪声电压源、源极寄生电阻热噪声电压源、漏极寄生电阻热噪声电压源、沟道热噪声电流源、源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源、漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源、衬底网络寄生电阻热噪声电压源。本发明中包含有栅极感应噪声及其与沟道噪声的相关性，使模型更符合物理，从而能提高射频噪声的仿真度。

Description

RFCMOS射频相关性噪声的模型

技术领域

本发明涉及一种RFCMOS射频相关性噪声的模型。

背景技术

BSIM(Berkeley Short channel Insulated gate field effecttransistor Model)模型是一种业届标准的MOS晶体管的模型，但其射频噪声模型存在着不足，BSIM3及以前版本只考虑了沟道噪声模型，在高频下的栅极感应噪声却忽略了，而这一噪声在高频下显得尤其重要，因为MOS晶体管在高频情况下沟道热噪声会通过栅极与源极的电容耦合到栅极上形成栅极感应噪声，这一噪声在高频特别是到达GHz量级以上的频率时会对器件的噪声系数产生极大的影响，如图1所示，其中曲线101为无栅极感应噪声及其与沟道噪声的相关性的BSIM噪声模型的RFCMOS器件的高频频率和最佳噪声系数的曲线，曲线100为实际上包含有栅极感应噪声及其与沟道噪声的相关性的RFCMOS器件的高频频率和最佳噪声系数的曲线，可以看出高频下的栅极感应噪声能极大的影响器件的噪声系数。因此建立包含有栅极感应噪声的射频相关性噪声的模型很有必要。

BSIM4及后续版本在BSIM3基础上在源端另外再加入了一个噪声源作为修正，但也得不到很好的拟合精度；BSIM模型在噪声模型方面的欠缺给射频电路的设计带来了困难与不便，特别是在对噪声系数要求非常高的射频电路收发器等的设计中，对高精度的RFCMOS射频噪声模型提出了要求及需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种RFCMOS射频相关性噪声的模型，模型中包含有栅极感应噪声及其与沟道噪声的相关性，从而能提高射频噪声的仿真度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种RFCMOS射频相关性噪声的模型，RFCMOS射频相关性噪声的模型在BSIM模型中的MOS晶体管电路的基础上增加了噪声源电路，所述噪声源电路包括：栅极感应噪声电流源、栅极漏电流散弹噪声电流源、栅极寄生电阻热噪声电压源、源极寄生电阻热噪声电压源、漏极寄生电阻热噪声电压源、沟道热噪声电流源、源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源、漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源、衬底网络寄生电阻热噪声电压源。

进一步的改进是，所述栅极寄生电阻热噪声电压源产生的噪声大小为4kTR_g；所述源极寄生电阻热噪声电压源产生的噪声大小为4kTR_d；所述漏极寄生电阻热噪声电压源产生的噪声大小为4kTR_s；其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R_g为栅极寄生电阻的阻值，R_d源极寄生电阻的阻值，R_s为漏极寄生电阻的阻值。

进一步的改进是，所述栅极漏电流散弹噪声电流源产生的噪声大小为2qI_g；所述源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源产生的噪声大小为2qI_sb；所述漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源产生的噪声大小为2qI_db；其中，q为单位电荷，I_g为栅极漏电流，I_sb为源极衬底寄生二极管的漏电流，I_db为漏极衬底寄生二极管的漏电流。

进一步的改进是，所述沟道热噪声电流源产生的噪声大小为4kTg_m×A，k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；g_m为输出跨导；A为拟合参数，取值范围为0＜A＜1。

进一步的改进是，所述栅极感应噪声电流源产生的噪声大小为

k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；g_m为输出跨导；ω为角频率；C_gs为栅极与源极的耦合电容；B为拟合参数，取值范围为0＜B＜1。

进一步的改进是，所述沟道热噪声电流源和所述栅极感应噪声电流源为相关噪声源，都包含有相同的噪声成分因子4kTg_m，该相同噪声成分因子4kTg_m由同一个噪声源产生；定义一个虚拟噪声电流源，产生的噪声大小为4kTg_m，将所述沟道热噪声电流源和所述栅极感应噪声电流源的噪声值中的4kTg_m由所述虚拟噪声电流源替代。

进一步的改进是，所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源为一5电阻噪声网络、或为一3电阻噪声网络；所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源中每个电阻产生的噪声大小为4kTR_Bi，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R_Bi分别为5电阻噪声网络或3电阻噪声网络中的噪声电阻的阻值。

进一步的改进是，所述栅极感应噪声电流源、所述栅极漏电流散弹噪声电流源、所述栅极寄生电阻热噪声电压源所处的节点位置能够互换。

进一步的改进是，所述栅极漏电流散弹噪声电流源能够不设置，即将所述栅极漏电流散弹噪声电流源产生的噪声大小设置为0。

进一步的改进是，所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源能够不设置，即将所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源产生的噪声大小设置为0。

本发明能在BSIM模型基础上将栅极感应噪声加入到模型中，并体现沟道热噪声与栅极感应噪声的相关性；另外也加入了各种寄生电阻的热噪声与寄生二极管的散弹噪声，使模型更符合物理，从而能提高射频噪声的仿真度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是高频下栅极感应噪声对噪声系数的影响的对比曲线；

图2是本发明实施例RFCMOS射频相关性噪声的模型的示意图；

图3是本发明实施例中的虚拟噪声电流源的示意图；

图4是本发明实施例中的第二种衬底电阻噪声网络的示意图；

图5是本发明实施例中的第三种衬底电阻噪声网络的示意图；

图6是本发明实施例模型的最佳噪声系数曲线和现有技术中的最佳噪声系数曲线的比较图。

具体实施方式

如图2所示，是本发明实施例RFCMOS射频相关性噪声的模型的示意图。本发明实施例RFCMOS射频相关性噪声的模型在BSIM模型中的MOS晶体管电路的基础上增加了噪声源电路。

BSIM模型中的MOS晶体管电路包括本征MOS晶体管1、栅极寄生电阻8a、源极寄生电阻9a、漏极寄生电阻10a、源极衬底寄生二极管13a、漏极衬底寄生二极管14a以及多个衬底寄生电阻15a组成的衬底网络寄生电阻。源极2和节点S相连、漏极3和节点D相连、栅极4和节点G相连、衬底电极和节点B相连。所述本征MOS晶体管1的栅极接节点Gi1、源极接节点Si、漏极接节点Di。所述源极寄生电阻9a位于节点S和节点Si之间，所述漏极寄生电阻10a位于节点D和节点Di之间，所述栅极寄生电阻8a位于节点Gi1和节点Gi2之间。所述源极衬底寄生二极管13a位于节点Si和节点SBi之间，所述漏极衬底寄生二极管14a位于节点Di和节点DBi之间。

所述噪声源电路包括：栅极感应噪声电流源6、栅极漏电流散弹噪声电流源7、栅极寄生电阻热噪声电压源8b、源极寄生电阻热噪声电压源9b、漏极寄生电阻热噪声电压源10b、沟道热噪声电流源11、源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源13b、漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源14b、多个衬底寄生电阻热噪声电压源15b组成的衬底网络寄生电阻热噪声电压源。

所述栅极寄生电阻热噪声电压源8b产生的噪声大小为4kTR_g；所述源极寄生电阻热噪声电压源9b产生的噪声大小为4kTR_d；所述漏极寄生电阻热噪声电压源10b产生的噪声大小为4kTR_s；其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R_g为栅极寄生电阻8a的阻值，R_d源极寄生电阻9a的阻值，R_s为漏极寄生电阻10a的阻值。

所述栅极漏电流散弹噪声电流源7产生的噪声大小为2qI_g；所述源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源13b产生的噪声大小为2qI_sb；所述漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源14b产生的噪声大小为2qI_db；其中，q为单位电荷，I_g为栅极漏电流，I_sb为源极衬底寄生二极管13a的漏电流，I_db为漏极衬底寄生二极管14a的漏电流。

所述沟道热噪声电流源11产生的噪声大小为4kTg_m×A，k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；g_m为输出跨导；A为拟合参数，取值范围为0＜A＜1。

所述栅极感应噪声电流源6产生的噪声大小为

k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；g_m为输出跨导；ω为角频率；C_gs为栅极与源极的耦合电容；B为拟合参数，取值范围为0＜B＜1。

如虚线16所示的所述沟道热噪声电流源11和所述栅极感应噪声电流源6之间具有相关性，两者为相关噪声源，都包含有相同的噪声成分因子4kTg_m，该相同噪声成分因子4kTg_m由同一个噪声源产生；大小为4kTg_m的相关噪声源能通过定义一个虚拟噪声电流源来描述，该虚拟噪声电流源产生的噪声大小同样为4kTg_m，这样就能将所述沟道热噪声电流源11和所述栅极感应噪声电流源6的噪声值中的4kTg_m由所述虚拟噪声电流源替代。如图3所示，为本发明实施例中的虚拟噪声电流源的示意图，噪声大小为4kTg_m的噪声电流源17a和一个1欧姆无噪声电阻17b并联，此时端口P输出的噪声电流等于噪声电压。

图2中，大的虚线方框12所示的为衬底噪声网络，包括：小的虚线方框15所示的所述衬底网络寄生电阻及所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源，源极衬底寄生二极管13a和其散弹噪声电流源13b、漏极衬底寄生二极管14a和其散弹噪声电流源14b。所述衬底网络寄生电阻及所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源是在每个所述衬底寄生电阻15a上加上其对应的衬底寄生电阻热噪声电压源15b组成的。所述衬底噪声网络为一5电阻噪声网络，即所述衬底网络寄生电阻及所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源中包括了5个所述衬底寄生电阻15a。5个所述衬底寄生电阻15a的位置分别为：节点B分别和节点SBi、节点Bi、节点DBi间各有一个所述衬底寄生电阻15a，节点Bi分别和节点SBi、节点DBi间也各有一个所述衬底寄生电阻15a。

所述衬底噪声网络也能为3电阻噪声网络，分别如图4和图5所示。图4中，所述衬底噪声网络的所述衬底网络寄生电阻及所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源中包括了3个所述衬底寄生电阻15c，各所述衬底寄生电阻15c对应一衬底寄生电阻热噪声电压源15d。3个所述衬底寄生电阻15c的位置分别为：在节点Bi分别和节点B、节点SBi、节点DBi间也各有一个所述衬底寄生电阻15c。

图5中，所述衬底噪声网络的所述衬底网络寄生电阻及所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源中包括了3个所述衬底寄生电阻15e，各所述衬底寄生电阻15e对应一衬底寄生电阻热噪声电压源15f。3个所述衬底寄生电阻15e的位置分别位于节点SBi和节点B之间、节点DBi和节点B之间、节点SBi和节点DBi之间。

本发明实施例中的所述衬底噪声网络也能够去除、或采用其它和上述5电阻噪声网络和3电阻噪声网络类似的其它电阻噪声网络。

所述衬底噪声网络的所述衬底网络寄生电阻及所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源中每个电阻产生的噪声大小为4kTR_Bi，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R_Bi分别为5电阻噪声网络或3电阻噪声网络中的所述衬底寄生电阻的阻值。

所述栅极感应噪声电流源6、所述栅极漏电流散弹噪声电流源7、所述栅极寄生电阻热噪声电压源8b所处的节点位置能够互换。所述栅极漏电流散弹噪声电流源7能够不设置，即将所述栅极漏电流散弹噪声电流源7产生的噪声大小设置为0。

上述各种寄生电阻如栅极寄生电阻8a、源极寄生电阻9a、漏极寄生电阻10a、源极衬底寄生二极管13a、漏极衬底寄生二极管14a以及衬底寄生电阻15a、15c、15e的热噪声电压源都能用硬件描述语言进行仿真和验证。以verilog-A为例，对漏极寄生电阻10a的漏极寄生电阻热噪声电压源10b的表示如下：

V(d，di)＜+white_noise(4kTR)；其中V(d，di)中的d、di分别为图2中所示漏极寄生电阻10a所在节点D和Di，R为对于的寄生电阻。寄生电阻的热噪声电压源的表示能够以此类推得到。

对于各种散弹噪声电流源，如所述栅极漏电流散弹噪声电流源7、所述源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源13b和所述漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源14b，都能用硬件描述语言进行仿真和验证。以verilog-A为例，对所述栅极漏电流散弹噪声电流源7的表示如下：

I(Gi3，Gi2)＜+white_noise(2qI_g)；其中Gi3，Gi2为图2中所示的节点，其它源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源13b、漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源14b以此类推得到。

对于如图3所示虚拟噪声电流源，能用硬件描述语言进行仿真和验证。以verilog-A为例，对所述虚拟噪声电流源的表示如下：

I(p)＜+V(p)，串1欧姆电阻的表示方法，测试断口P的输出噪声电压等于噪声电流；这样可以解决I(P)ω²的表示，I(P)ω²＝-ddt(ddt(I(P))；

I(p)＜+white_noise(4kTg_m)

为体现沟道热噪声电流源和栅极感应噪声电流源的相关性，需要如下表示：

I(Di，Si)＜+white_noise(I(p)·A)

$I(G,\mathrm{Gi}3)<+\mathrm{white}\_\mathrm{noise}(-\mathrm{ddt}(\mathrm{ddt}\left(I\left(P\right)\right)\frac{C_{\mathrm{gs}}^2}{{g_m}^2}\&CenterDot;B)$

即沟道热噪声电流源和栅极感应噪声电流源中相同噪声成分4kTg_m，实现了相关性。

通过调整拟合参数A和B可以得到噪声系数随频率的变化，调节拟合参数A和B进行仿真能得到如图6所示的本发明实施例模型的最佳噪声系数曲线和现有技术中的最佳噪声系数曲线的比较图。仿真中的偏置条件为Vgs＝1.8v，Vds＝1.8v。A＝0且B＝0情况下相当于现有技术中的纯BSIM噪声模型，噪声系数几乎不随频率变化，而调整A和B参数可以得到噪声系数随频率的变化。可以看出本发明实施例模型更符合物理，能提高射频噪声的仿真度。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于，RFCMOS射频相关性噪声的模型在BSIM模型中的MOS晶体管电路的基础上增加了噪声源电路，所述噪声源电路包括：栅极感应噪声电流源、栅极漏电流散弹噪声电流源、栅极寄生电阻热噪声电压源、源极寄生电阻热噪声电压源、漏极寄生电阻热噪声电压源、沟道热噪声电流源、源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源、漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源、衬底网络寄生电阻热噪声电压源。

2.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述栅极寄生电阻热噪声电压源产生的噪声大小为4kTR_g；

所述源极寄生电阻热噪声电压源产生的噪声大小为4kTR_d；

所述漏极寄生电阻热噪声电压源产生的噪声大小为4kTR_s；

其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R_g为栅极寄生电阻的阻值，R_d源极寄生电阻的阻值，R_s为漏极寄生电阻的阻值。

3.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述栅极漏电流散弹噪声电流源产生的噪声大小为2qI_g；

所述源极衬底寄生二极管散弹噪声电流源产生的噪声大小为2qI_sb；

所述漏极衬底寄生二极管散弹噪声电流源产生的噪声大小为2qI_db；

其中，q为单位电荷，I_g为栅极漏电流，I_sb为源极衬底寄生二极管的漏电流，I_db为漏极衬底寄生二极管的漏电流。

4.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述沟道热噪声电流源产生的噪声大小为4kTg_m×A，k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；g_m为输出跨导；A为拟合参数，取值范围为0＜A＜1。

5.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述栅极感应噪声电流源产生的噪声大小为k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；g_m为输出跨导；ω为角频率；C_gs为栅极与源极的耦合电容；B为拟合参数，取值范围为0＜B＜1。

6.如权利要求4或5所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述沟道热噪声电流源和所述栅极感应噪声电流源为相关噪声源，都包含有相同的噪声成分因子4kTg_m，该相同噪声成分因子4kTg_m由同一个噪声源产生；定义一个虚拟噪声电流源，产生的噪声大小为4kTg_m，将所述沟道热噪声电流源和所述栅极感应噪声电流源的噪声值中的4kTg_m由所述虚拟噪声电流源替代。

7.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源为一5电阻噪声网络、或为一3电阻噪声网络；所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源中每个电阻产生的噪声大小为4kTR_Bi，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R_Bi分别为5电阻噪声网络或3电阻噪声网络中的噪声电阻的阻值。

8.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述栅极感应噪声电流源、所述栅极漏电流散弹噪声电流源、所述栅极寄生电阻热噪声电压源所处的节点位置能够互换。

9.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述栅极漏电流散弹噪声电流源能够不设置。

10.如权利要求1所述RFCMOS射频相关性噪声的模型，其特征在于：所述衬底网络寄生电阻热噪声电压源能够不设置。

Images