电子技术——共栅（共基）放大器-Toy模板网

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电子技术——共栅（共基）放大器

在本节我们学习IC中共栅（共基）放大器的配置，虽然我们之前在分立电路中学习过共栅（共基）放大器的配置。但是在IC中共栅（共基）放大器主要作为电流缓冲器来使用，这正是本节要学习的内容。

CG放大器

下图是CG放大器的原理图，输入信号源 $v_{sig} 带有内阻 $R_s$ ：

电子技术——共栅（共基）放大器
负载电阻为 $R_L$ 在IC中通常使用恒流源主动负载代替。

为了说明CG放大器的信号特性，我们将DC置零得到下面的电路：

电子技术——共栅（共基）放大器
观察到栅极电流为零，因此CG放大器的漏极和源极电流相等，这是电流缓冲器的第一个条件。

接下来我们探究CG放大器的整体输入阻抗，我们使用等效的T模型，如图：

电子技术——共栅（共基）放大器
我们在CG的输入端放置了测试电压源 $v_x$ ，则整体输入阻抗定义为：

$R_{in} \equiv \frac{v_x}{i_x}$

首先流过 $r_o$ 的电流为 $i_x + g_mv_{gs}$ 其次流过 $R_L$ 的电流为 $i_x$ 根据基尔霍夫电压法我们能够得出：

$v_x = (i_x+g_mv_{gs})r_o + i_x R_L$

又因为 $v_{gs} = -v_x$ 带入我们得到输入阻抗：

$R_{in} = \frac{r_o + R_L}{1 + g_mr_o}$

又因为 $g_mr_o \gg 1$ ，可以写为：

$R_{in} \simeq \frac{1}{g_m} + \frac{R_L}{g_mr_o}$

这是一个有趣的结果。如果 $r_o$ 是无穷大的，那么 $R_{in} = \frac{1}{g_m}$ 这和我们在分立电路中的CG的输入阻抗是一致的。如果 $r_o$ 不能忽略，例如在IC电路中，则 $R_in$ 和 $R_L$ 的关系为 $R_L$ 除以 $g_mr_o$ ，也就是说，即使接入的负载是较大的阻值，其输入阻抗也能保持在一个较低的水平，这个电阻的传导特性对于电流缓冲器来说十分重要。

接下来考虑整体输出阻抗，此时我们在输出端接入测试电压源 $v_x$ ，将输入信号源 $v_{sig}$ 置零，则整体输出阻抗定义为：

$R_{out} \equiv \frac{v_x}{i_x}$
电子技术——共栅（共基）放大器

如图同样的分析方法得到：

$v_x = (i_x - g_mv_{gs})r_o + i_x R_s$

带入 $v_{gs} = -i_x R_s$ ，则：

$R_{out} = r_o + R_s + g_mr_oR_s = r_o + (1 + g_mr_o)R_s$

因为 $g_mr_o \gg 1$ 可以近似写成：

$R_{out} \simeq r_o + (g_mr_o) R_s$

并且如果 $(g_mr_o) R_s \gg r_o$ 那么：

$R_{out} \simeq g_mr_oR_s$

我们发现，CG放大器将输出阻抗由原来的 $R_s$ 放大了 $A_0 = g_mr_o$ 倍，这个电阻的传导特性对于电流缓冲器来说十分重要。假如 $R_s$ 本身就很大，那么CG放大器的输出阻抗能够保持在一个极大的值的水平。

总结以下几点：

CG放大器有单位电流增益。
一个极低的输入阻抗 $\frac{R_L}{g_mr_o}$ 。
一个极高的输出阻抗 $R_s(g_mr_o)$ 。

电子技术——共栅（共基）放大器

正因为CG放大器有着上述的性质，CG放大器作为一个电流缓冲器是不二之选，因此承接上一节的末尾部分，我们可以将黑盒电路替换为CG放大器。

带源极电阻的CS放大器的输出阻抗

之前我们在MOS章节学过带源极电阻的CS放大器的特性，源极电阻将放大器的传导系数变为了 $g_m/(1+g_mR_s)$ 也就是除以了 $1+g_mR_s)$ 。同样的也提升了其他的相关参数，例如线性性质和带宽。现在，我们重点关注带源极电阻的CS放大器在IC中的输出阻抗。我们将信号源置地，我们发现此时的拓扑结构和CG放大器相同，也就是说：

$R_o = r_o + R_s + g_mr_oR_s \simeq (1 + g_mR_s)r_o$

也就是说，源极电阻将CS放大器的输出阻抗变为了原来的 $1 + g_mR_s)$ 倍。

电子技术——共栅（共基）放大器

体效应

假设IC中的MOS中的体极没有连接到源极，那么体效应就会发挥作用。然而，分析体效应是相对简单的，只需要将体极看成是第二个栅极即可，如下图：

电子技术——共栅（共基）放大器

栅极电压 $v_{gs}$ 为漏极贡献了电流 $g_mv_{gs}$ ，体极电压 $v_{bs}$ 为漏极贡献了电流 $g_{mb}v_{bs}$ 。因此整个漏极电流为 $g_mv_{gs} + g_{mb}v_{bs}$ 。这里 $g_{mb} = \chi g_m$ 。对于CG放大器来说 $v_{bs} = v_{gs}$ 。因此漏极电流变为：