4、输入级噪声分析：差分对的噪声贡献与优化

各位同学，咱们今天聊聊仪表放大器最核心的部分——输入级差分对的噪声。说实话，这个环节要是没处理好，后面再怎么折腾也是白搭。我做了十几年模拟IC，见过太多项目因为输入级噪声没控住，最后整个芯片性能拉胯。

一个典型的CMOS差分对，噪声主要来自三个地方：

我个人习惯先把热噪声拎出来看。MOS管的热噪声电流密度是：

i_n² = 4kTγgm

这里的γ是噪声系数，长沟道器件大概2/3，短沟道能到2甚至更高。嗯，这个值你设计时一定要留余量。

关键点：差分对的输入参考噪声，等于单个管子的噪声除以差分增益。说白了，增益越大，等效到输入的噪声越小。

我曾经有个项目，仿真时噪声指标好好的，流片回来一测，低频噪声大了快一倍。查了半天，问题出在尾电流源上。

尾电流源的噪声会通过两种方式耦合到输出：

怎么优化？我建议：

我的经验：尾电流源的噪声贡献，在低频段能占到总噪声的20%-30%。你设计时最好单独跑一下noise contribution分析，别等流片了才后悔。

你想想看，输入管尺寸大了，gm大，热噪声小，但寄生电容也大，带宽就受限。尺寸小了，噪声又压不住。怎么选？

我一般遵循这个思路：

实际项目中，我会先根据噪声指标定一个最小gm，然后反推W/L。举个例子：

假设目标输入参考噪声 < 10 nV/√Hz
取 γ = 1, kT = 4e-21
由 4kTγ/gm < (10e-9)²
得 gm > 16 mS

有了gm，再结合偏置电流，就能算出W/L了。当然，这只是第一步，后面还要仿真验证。

低频应用里，1/f噪声才是真正的噩梦。我记得有个生物电信号的项目，要求0.1Hz到10Hz的噪声小于1μVpp，普通差分对根本做不到。

两种主流方案：

我个人更偏爱chopping，因为它不会引入采样噪声。但要注意，chopping会在输出端留下纹波，需要加滤波器。

注意：Chopping频率不能太高，否则开关的电荷注入和时钟馈通会变成新的噪声源。我一般取几kHz到几十kHz，具体看你的带宽需求。

前两年我做了一个ECG前端芯片，输入级差分对的设计参数如下：

输入管：PMOS，W/L = 2000/0.5 (μm)
偏置电流：200 μA 每管
尾电流源：NMOS，W/L = 500/2，加10Ω degeneration
负载：二极管连接的PMOS，W/L = 100/1

仿真结果：

这个指标对于ECG来说已经够用了。但如果你要做脑电信号，还得再压一个数量级，那就得上chopping了。

好了，咱们把思路理一理。差分对噪声优化，我建议按这个顺序来：

最后说一句，仿真只是参考，流片回来才是真章。我见过太多仿真完美、实测翻车的案例了。所以，设计时一定要留裕量，尤其是噪声这种跟工艺波动敏感的参数。

核心要点：差分对的噪声优化，本质是在功耗、面积、带宽和噪声之间找平衡。没有万能公式，只有针对你的具体应用做取舍。

下一章咱们聊输入级噪声分析的第二部分——电流镜和负载的噪声贡献。到时候我会分享一个我踩过的坑，关于电流镜噪声怎么把整个信噪比拉垮的。敬请期待。