共栅放大器
1, 基本概念
使用单个晶体管，如果不考虑将其用作开关， 我们可以构造出共源放大器，源极跟随器以及共栅放大器； 现在我们有了第三个也是最后一个单晶体管电路， 稍后我们将把这三个基本的单晶体管组合到两个或三个基本的双晶体管电路。 大多数模拟电路是通过这些单晶体管电路和双晶体管电路构建的， 因此对这些基本单元的透彻理解至关重要。
图 1 单个晶体管组成的三种基本电路
上图再次概述了三个单晶体管电路：第一个是放大器，通过跨导gm将输入电压转换为输出电流；第二个是源随器，它被直流电源IB 偏置，电压增益是一；这就是为什么源随器被称为电压缓冲器。第三个是共栅放大器，它也被直流电源IB 偏置，小信号输入电流叠加在源电流上，输出在漏极。由于没有电流可以逃逸，电流增益也是一；这就是为什么共栅放大器也称为电流缓冲器。
它是一个缓冲器，因为它的输入电阻小，但输出电阻很高。因此，该结构用于准确地将电流从低阻抗传输到高阻抗，应用于电流输出传感器，例如光电二极管和恒电位传感器。它们的内部阻抗可以是数百个MΩ，我们需要一个阻抗转换器来降低这些值！请留意，共栅放大器的输入阻抗与源随器的输出阻抗相同。
通常，共栅放大器的输出电流通过电阻RL 转换为电压。 因此，我们获得了电流电压转换器或跨阻放大器。 电阻RL 越高，增益越大，因为 跨阻vout / iin = AR就是RL本身。 当RL不太高时，这是正确的。 对于不太高的RL值，输入电阻 vin /iin = Rin 会很低，或者仅仅是1 / gm。
我们将尝试使RL的值尽可能高，以实现高增益。 这可以通过级联一些晶体管作为负载来完成。 那么问题是，增益会是多少？ 确实，对于非常高的RL值，尚不清楚增益将会是多少。 例如，对于无限大的RL，电流 iin 不再流过。 vout / iin的比值是多少？
图 2 有阻性负载的共栅电路-1
遵守基尔霍夫定律 ( laws of Kirchoff ) 的唯一可能方法是在输入电流源上增加输出电阻或将负载电阻限制为有限值。 让我们看看将负载电阻设为无穷大并增加一个与输入电流源并联的输出电阻RB时会发生什么。 此外，我们将输出电阻rDS与晶体管本身分开，以确定电流实际流向何处。
现在计算出两个电流，晶体管本身的电流ids 和通过负载电阻的电流iL。 后者的电流iL 由输入电流源施加恒定。 但是，如果RL大于特定值 RLC，则该电流必须变为零！ 另一方面，晶体管电流ids 随负载电阻而增加，一旦RL大于RLC 则成为恒定值。 因此，晶体管将输入电流放大到相当大的值！ 通常，gmRB 比一大得多。
请注意，RLC 包含所有涉及的参数，那些晶体管的参数，例如 gm 和 rDS，还有 RB。 它包含晶体管本身的实际增益 gmrDS。
图 3 有阻性负载的共栅电路-2
现在让我们再看看实际的跨阻 AR 和输入电阻 Rin。
对于非常大的负载电阻值，AR 变为 RLC 本身。 增益 AR 包括晶体管的增益 gmrDS ，因此非常高。 它是单晶体管共栅放大器所能达到的最高跨阻增益。 为此，负载电阻必须大于相同的跨阻 RLC。
对于这些大负载电阻，晶体管本身的输入电阻变得无穷大。 这是意料之中的，因为负载电阻也是无穷大—— 没有电流可以通过晶体管。 因此，输入电流源看到的电阻变为电阻器 RB，这实际上是其输出电阻。 因此它绝不小，正如 1/gm 低负载电阻所暗示的那样。
图 4 带有源负载的共栅电路
用另一个晶体管代替输入电流源，产生两个晶体管的级联，称为共源共栅，如下图右面所示。 由于晶体管作为电流源，具有输出电阻 rDS，它可以代替输出电阻为RB 的输入电流源。 最大增益（对于非常大的电阻负载）在下图中给出，这表明总电压增益现在等于两个晶体管增益的乘积 ， 显然这是输出电阻增加的结果。 对于单个晶体管（左），该输出阻抗仅为 rDS1，但对于源极中具有另一个 rDS 的晶体管（右），输出阻抗为 rDS1gm2rDS2，如下图所示。
输出阻抗越大，增益越大。 将共栅电路置于单晶体管放大器之上 (共源共栅) 是增加增益的最常见设计技术之一。 每当我们需要更多增益时都会使用它！ 其他增益技术将是增益提升、自举和电流消除以及电流缺失设计。
图 5 共源共栅电路和单晶体管的比较
既然我们知道共源共栅显著提高了增益，我们想知道最高到什么频率，共源共栅可以做到这些增益提高。
当输出电容是主要电容时，GBW 与下图中给出的一样。 两种情况的带宽必然不同，因为输出电阻差异很大。 然而，两者的 GBW 相同。 事实上，在使用共源共栅的情况下，增益要大得多，但带宽等比例降低， 因此GBW 是相同的。 这如图7 所示。
图 6 共源共栅和单晶体管的比较2
很明显，共源共栅增强了低频增益。 与单级放大器相比，低频增益越大，带宽越小。 因此，GBW 是相同的。 这仅在负载电阻非常高的情况下才是正确的。 在一些宽带放大器中，负载电阻很小，例如 50 Ω。在这种情况下，输出电阻和带宽两个都相同， 增益也相同，但很小，就像 GBW 一样。
在模拟集成电路中，我们通常使用直流电流源作为负载，以增加增益。 因此，我们可以得出结论，这种共源共栅只会增强低频增益！
图 7 级联和单晶体管的比较3
2，共源共栅中的米勒效应
对于以直流电流源作为负载的共源共栅放大器，增益相当大。输入晶体管的增益也很大。这两个晶体管之间点的阻抗是输出电阻 rDS1（或 ro1）。因此，从输入到中间点的增益为 gm1rDS1，即晶体管 M1 的增益，M1的米勒效应也因此可以发挥作用，尤其是当源电阻 RS 较高时。 现在问题是，哪一极是主导极，是CL 引起的还是CM 引起的？
用晶体管的小信号模型（带有 gm 和 rDS）代替晶体管，并计算总增益 Av，产生一个二阶方程，其根很容易找到，他们是两个极。将其绘制在零极点位置图中，RS 作为变量，如下图所示。
对于低 RS 值，负载电容 CL 显然占主导地位。该主极点频率 fd 仅由负载电容和输出电阻 ro2gm2ro1 或 Av2 ro1决定。但是在 fnd 处有一个由时间常数 RSCM 引起的非主导极点， 然而，对于较高的 RS 值，该电容 CM 的米勒效应占主导地位。现在主导极频率 fd 随着电阻 RS 的增加而降低。
RS 的交叉值为 RSt。它大约是 几十MΩ 的数量级，因为 CSL 通常比 CM 大得多，而 CM 略大于 CDG。
图 8 共源共栅中的米勒效应
另一个小电容也可能起作用。 中间点到地的电容 Cm 由 CDS1 和 CGS2 组成。 他们没有那么小。 他们是否产生了一个重要的极点？
同样，我们只有两个电容，这就产生了一个二阶方程，其根给出了两个极点。 它们被绘制在一个 以 Cm 作为变量的零极点位置图，如下图所示。
对于较低的 Cm 值，负载电容 CL 显然再次占主导地位。 同样，在 fnd 处有一个非主导极点，由时间常数 Cm/gm2 引起。 如果 gm2 与 gm1 相似，那么这个非主导极点比 GBW 高很多，因为 CL 肯定比 Cm 大很多。
然而，对于 Cm 大的值，时间常数 ro1Cm 会代替它。 但这是不可能发生的，因为这个区域 Cm 必须大于 Av2CL，这的确是一个非常高的电容。
图 9 电容在中心点的共源共栅
3，伸缩共源共栅
然而，理想的直流电流源并不存在。它们必须通过晶体管来实现。下图显示了这种实现。 MOST M3 和 M4 串联使用以提供给直流电流源高的输出电阻。 如果晶体管 M1/M2 的输出电阻与晶体管 M3/M4 的输出电阻大致相同，则总输出电阻 Rout 约为其一半。 带宽显然由负载电容决定。因此，GBW 与单晶体管放大器相同。
这种配置称为伸缩共源共栅，因为所有晶体管都串联在电源线和地之间。 这种配置的主要缺点是所有晶体管必须保持在饱和区。这意味着每个晶体管上的最小电压 vDS 约为 VGS-VT。如果我们取 VGS-VT ≈ 0.2 V，我们发现最大输出电压不能高于电源电压减 0.4 V，并且也不能低于 0.4 V。因此最大摆幅比电源电压低 0.8 V。这是低电源电压的主要不足！
图 10 伸缩共源共栅
4，折叠共源共栅
折叠共源共栅更常用，因为它在用作差分电路时具有一些优势。 之所以称为“折叠”，是因为共源共栅晶体管现在是 pMOST 而不是 nMOST。 由输入晶体管 M1 确定的小信号电流 ids1 现在向上流动而不是向下流过共源共栅晶体管 M2。
通常，偏置电流 IB1 在两个晶体管上平均分配，因此两个晶体管中的直流电流相同。 两个电流波动也相同。 所有其他参数，例如增益、带宽和 GBW，都与伸缩共源共栅相同。 但是请留意，电流消耗是伸缩共源共栅的两倍。
此外，最大输出电压摆幅大致相同。 如果我们用一个 MOST 实现电流源 IB1，用两个 MOST 串联实现电流源 IB2，那么最大输出摆幅再次比电源电压小 0.8 V。
我们现在找到了使用折叠共源共栅而不是伸缩共源共栅的一个很好的论据。 折叠共源共栅两倍的电流消耗是一个真正的缺点！
图 11 折叠共源共栅
还要注意，我们在这里讨论的是共源共栅，而不是级联放大器。 这种级联放大器仅由两个连续的单级放大器组成。 电压增益相等，但带宽和 GBW 却大不相同。 此外，级联或两级放大器的功耗要高得多。
图 12 共源共栅和级联放大器的比较-1
实际上，共源共栅是具有增益增强功能的单级放大器（在低频下）。 这意味着一个节点处于高阻抗。 这是实现增益和信号摆幅较大的节点。 从负载电容决定主导极的节点上也可以明显看出这一点。
在这种单级放大器中，GBW 始终由负载电容和输入跨导决定。
级联放大器实际上是一个两级放大器。 这意味着该电路中的两个节点处于高阻抗。 这也意味着接地电容的两个节点，给出了一个极点， 两个极点会产生稳定性问题。 这个问题可以通过在第二级增加一个米勒电容来消除，它被称为补偿电容 Cc。
在这种两级放大器中，GBW 始终由补偿电容和输入跨导决定。 显然，任何电容的增加通常都会增加功耗。 从这个角度来看，单级放大器通常更好。 一个例外可能是输出摆幅。 如果仅使用一个晶体管作为电流源 IB2，则输出摆幅仅比电源电压小 0.4 V。
图 13 共源共栅和级联放大器的比较-2
5，调节共源共栅 ( Regulated Cascode)
对于深亚微米 CMOS，两个晶体管贡献的增益可能不够。 对于栅极长度为 90 nm 以及以下的 MOST ，单个晶体管的增益小于 10！
为了获得更多增益，可以在共源共栅晶体管周围应用反馈， 它被称为调节共源共栅（Regulated Cascode）， 这也被称为增益提升 ( Gain Boosting)。 这种反馈实际上是并串联反馈，导致输出阻抗上升了反馈增益的量， 增益增加相同的量。
如果我们仅通过一个晶体管 M3 来实现反馈放大器，则该晶体管的增益会添加到总增益中。 该反馈放大器的另一个优点是中间（在 M3 的栅极处）的阻抗降低了与反馈增益相同的量。
图 14 调节级联或增益提升
但是请注意，在低频时增益提升会增加另一个增益增强， 它不会改变 GBW。 因此，最好比较调节共源共栅同共源共栅和单级放大器的性能，他们都有相同的 GBW，但增益和带宽却大不相同。
显然，如果此放大器仅用于高频，则不需要共源共栅！ 每当我们必须将高 GBW 与高增益相结合时，总会使用调节共源共栅。 对于高频性能，我们需要使用大的 VGS-VT 和最小沟道长度，这不可避免地导致较低的增益。 通过增益提升，我们有一些电路设计技巧，可以通过它来增加增益。
图 15 调节共源共栅，共源共栅和单管放大器的比较
很明显，之前只有一个晶体管的增益提升放大器可以用具有大增益 Agb 的全运算放大器代替 ， 其同相输入连接到偏置电压 VB 。 反馈回路将确保电压在晶体管 M2 的源极尽可能保持恒定。 在这种情况下，在共源共栅的增益特性之上添加了全增益。 显然，只有在真正的低频下需要真正的高增益时才需要这样做。 例如，在音频及以下频率的低失真放大器中就是这种情况。
然而，这种增益提升级的设计并非微不足道。 它有自己的增益Agb、带宽BWgb，因此也有GBWgb。 我们必须确保 GBW 与原始共源共栅放大器的 BW 完全相符，如果没有出现零极点双峰。 这样的双峰对于放大器的设定时间 ( Setting time ) 是致命的，如下所述；
图 16 增益提升
如果在 Bode 图的中间出现零极点双峰，那么设定时间就会被破坏。
设定时间是在一定误差范围内达到输出电压最终值所需的时间。例如，当我们采用具有单位增益反馈的运算放大器时，带宽 BW 与 GBW 相符。当我们将阶跃波形应用到该放大器时，我们希望输出遵循一个时间常数 1/(2πGBW)，其用指数描述。
为了达到 0.1% 的设定时间，我们需要等待 ln(1000) 或这个时间常数的 6.9 倍。当我们在具有大的扩展 Dfpz的相当低的频率 fpz 下，有一个零极点双峰时，在时间响应中会出现一个额外的指数项，具有更大的时间常数 1/(2πfpz)。
需要更多时间来达到最终输出电压 0.1% 以内。 0.1% 的设定时间要长得多。
在所有开关应用中，例如开关电容滤波器，设定时间决定了时钟脉冲的最小宽度是多少。它决定了这样系统的最大频率 。在这样的系统中，必须不惜一切代价避免零极点双峰的出现！
图 17 零极点双峰和设定时间
最后，概述了所有三个单晶体管结构。 它们的增益、输入和输出阻抗是在所有不同的源和负载阻抗情况下相加的。 请记住，它们有三个，跨导控制放大器中的电压-电流增益， 源极跟随器具有单位电压增益但输出电阻低， 共栅放大器具有单位电流增益但输出电阻高。
图 18 单个晶体管组成的三种基本电路
下图给出了单晶体管放大器的增益，还添加了输入和输出阻抗。 很明显，输入阻抗总是无穷大。 输出阻抗是电阻性的，因为不包括电容。 它根据实际的电路配置而有很大差异。
图 19 场效应管放大器和源随器
6，双极晶体管组成的基本电路
对于双极晶体管也可以这样做。 双极晶体管的 β 总是被假定为远大于 1。 然而，输入阻抗不再是无穷大。 它们涉及 rπ 和基极电阻 rB。 输出阻抗也非常不同。
图 20 双极晶体管组成的基本电路
对于场效应管，同样在没有电容下计算增益、输入和输出阻抗。
对于增益，取输出电压作为与输入电流的关系。 根据输入电流源的输出电阻为无穷大还是输出电阻为 RB，结果会有很大差异。
图 21 场效应管的输入输出电阻
最后给出了双极晶体管的增益、输入和输出阻抗。 它们显然比场效应管更重要。
所有计算都是用晶体管的小信号等效电路（只有gm和 ro）代替晶体管，求解基尔霍夫方程进行的；并且下图给出了一个示例， 它是场效应管跨阻（输出电压与输入电流之比）的推导。
请注意，在小信号等效电路中可以简单地省略直流电流源，而直流电压源只是用短路表示。
图 23 场效应管增益的计算