一個基本的共源電路

學(xué)習(xí)razavi的書籍以及視頻，給人感覺，就是每一個電路都不是平白無故來的，其產(chǎn)生都是因為有需求。

一個基本的共源電路，如下圖所示。共源電路的定義為輸入在柵極，輸出在漏極。

如果考慮溝道調(diào)制效應(yīng)，并假設(shè)其工作在飽和區(qū)，則其等效小信號模型如下圖所示。

gmV1+Vout/r0+Vout/RD=0

Vout/Vin=-gm(r0//RD)

也就是說，上圖中的電壓增益為：

Av=-gm(r0//RD)

因為r0//RD

從上面的公式可知，想要提高電壓的增益，則可以從三個方面入手：

(1) 增加RD

(2) 增加r0

(3) 增加gm

先說，增加RD。從上面的共源電路可知，如果RD增加，同時保持ID不變的話，那VDS必定下降，則可能會使管子從飽和區(qū)進(jìn)入到線性區(qū)。所以想要靠增加RD來提高電壓增益的話，空間有限。

但是，有沒有辦法，讓RD趨向于無窮大呢?或者說，在小信號等效模型時，等效于無窮大。

回想一下，恒流源的小信號等效模型，發(fā)現(xiàn)其等效模型為開路，即等效于無窮大。

所以，如果用恒流源來替代電阻RD的話，應(yīng)該就能實現(xiàn)剛才提出的愿望。因為此時：

(1) 直流偏置下，可以提供穩(wěn)定的偏置電流

(2) 小信號模型下，開路，即等效于RD趨向于無窮大。

此時 ，Av=-gm*r0。

這個電壓增益稱為MOS管的intrinsic gain，即MOS的固有增益，是管子能達(dá)到的最大增益。

但是怎么能實現(xiàn)這個電流源呢?

再回想一下，當(dāng)MOS管工作在飽和區(qū)時，其漏極和源極之間，就是一個受控電流源，而且此受控電流源接近于恒流源。

所以，可以嘗試用這個受控電流源來實現(xiàn)上面要求。

不過，NMOS和PMOS實現(xiàn)的電流源有一定的局限性，即NMOS實現(xiàn)的電流源只能是從任意結(jié)點流向地，而PMOS實現(xiàn)的電流源只能是從電流源流向任意結(jié)點。他們都無法實現(xiàn)從任意結(jié)點流向另一個任意結(jié)點的電流源。

有了電流源的實現(xiàn)方法，就有了下面的電路。

這個電路有個名稱，叫做common-source stage with current source load，翻譯過來就是具有電流源負(fù)載的共源極電路。因為ro1和ro2一般都比較大，所以放大器的增益肉眼可見的提高了。

由上圖可知，其電壓增益正比于gm，gm的其中一個表達(dá)式，如下圖所示。公式中的因素的變化，都會引起gm的變化，進(jìn)而引起增益的變化。

比如說:

(1)電子和空穴的遷移率都和溫度相關(guān)

(2) 供電電壓的變化也會反應(yīng)到ID上

(3)加工誤差，比如不同wafer之間的遷移率和開啟電壓都會有所差別

(4)信號幅度，小信號模型是基于信號很小的情況下，如果信號幅度比較大，那么不同幅度下對應(yīng)的ID不一樣，會導(dǎo)致gain不一樣

設(shè)計電路時，需要減弱這些不良影響.

而以下構(gòu)建的電路，則可以減小這些因素的影響。

這個構(gòu)建電路的基礎(chǔ)，就是diode-connected MOS.

如果用上述電路來代替負(fù)載電阻RD的話，會起到想不到的結(jié)果。

可以看到，如果使用diode-connected MOS管來代替負(fù)載電阻RD的話，最后得出的增益，只與管子本身的尺寸相關(guān)，與電子遷移率啊，電流ID的大小啊，都沒有關(guān)系了，大大增加了魯棒性。

一個基本的共源極電路，想提高它的增益，發(fā)現(xiàn)如果增加RD的值，會導(dǎo)致管子的工作狀態(tài)從飽和區(qū)進(jìn)入線性區(qū);

轉(zhuǎn)換思路，用恒流源太替代RD，這樣保證偏置和無窮大電阻共存;接著用MOS管來實現(xiàn)恒流源;

發(fā)現(xiàn)增益，受環(huán)境影響太大，就用diode-connected MOS來替代RD，使得其增益只和管子的尺寸相關(guān)。

審核編輯：湯梓紅