類比設計

共源放大器(common-source amplifier)

共源放大器是類比設計裡最常用的電壓增益級——只要你想讓一個小擺動出來變得更大,第一個想到的就是這一只電晶體。把它想成一根粗水管上的閥門:把手輕輕一轉(閘極電壓),引起的水流變化(汲極電流)遠比這一轉本身要大,而你把這股電流變化讀成負載上的電壓擺幅。要注意它是反相的——輸入往上推,輸出反而往下擺——這就是增益帶負號的原因。那擺動到底放大了多少?大致就是電晶體的跨導 gm(閘極操控電流的本事有多強)乘以它的輸出電阻 ro(面對變化的輸出電壓,元件把這股電流穩住的倔強程度):增益 ≈ -gm*ro,也就是所謂的本徵增益,每一級通常在幾十到一兩百倍之間。而跨導本身取決於你把元件偏置得有多猛——在教科書的平方律區裡,gm = 2*Id/Vov,其中 Vov 是閘極超過閾值的過驅動電壓。

另外兩個近親沿用同一只電晶體,只是從不同的端子取輸出。共汲級——更常見的叫法是源極隨耦器(source follower)——把輸出取在源極而不是汲極。它幾乎不放大(增益 ≈ 1,略小一點);它的本職是當緩衝器,對驅動它的前級呈現一個輕巧的高阻負載,同時把電壓以低阻、能帶電流的副本交給下一級。共閘級則把閘極固定、從源極驅動:它不反相,輸入阻抗低、輸出阻抗高,表現得像一個電流緩衝器——很適合做共源共閘(cascode),即把它疊在一只共源元件上方,以倍增輸出電阻、提升增益。可以把這三者看成一家人,按哪個端子作為公共參考來分類:共源用來放大,共汲用來緩衝電壓,共閘用來乾淨地傳遞電流。

Av ≈ -gm*ro, with gm = 2*Id/Vov

共源級的小訊號電壓增益(反相),以及背後由偏置決定的跨導。

實際負載很關鍵:-gm*ro 這個數字假設了理想電流源負載,所以你真正拿到的增益是 gm 乘以電晶體與其負載並聯後呈現的輸出電阻——單純一個電阻負載通常給出的增益要小得多。

又稱
CS amplifiercommon-source stagecommon-source gain stage