共源共栅(cascode)
cascode(共源共栅)是把两只晶体管叠起来:在你的增益管上面再摞一只晶体管,让两只管子流过同一股电流,却各干各的活。下面那只(输入管)负责放大。上面那只(cascode 管)只是稳稳地待着,把自己的源极电压钉住,像一个缓冲器,夹在你那只娇贵的增益管和输出节点之间。可以把它想成站在放大器前面的保镖:它替你挡下输出节点那边的推搡,让输入管几乎感觉不到输出电压在动。因为输入管的漏极电压现在基本保持不变,两件好事就发生了——它那一点点沟道长度调制反馈(Early 效应,正是它让一个理想电流源「软化」成有限的输出电阻 ro)几乎不再起作用;同时它栅漏电容的米勒倍增也塌缩了,这对带宽有帮助。
回报就是增益。一个普通的共源级提供的本征增益大约是 gm*ro——管子的跨导乘以它自己的输出电阻,而在短沟道工艺里 ro 低得让人头疼。叠上一只 cascode,会把往里看的输出电阻乘上大约这只 cascode 管自己的 gm*ro,于是这个节点呈现的就不再只是 ro,而是大约 gm*ro*ro。你的直流增益也跟着同样的倍数蹿升——轻轻松松多出 20 到 40 dB——而且不用多耗一点电流,因为两只管子流过同一股偏置电流。这正是为什么 cascode 在 op-amp 的输出级、电流镜,以及任何你需要一个「硬」的高阻抗节点的地方,都随处可见。
代价要从余量(headroom)里出。你现在在电源和地之间叠了两个漏源电压,每只管子都至少需要它自己的过驱动电压 Vov(再留点余量)才能待在饱和区,所以你花掉的电压空间大约是两个 Vov,而不是一个。在如今的低压电源上这很奢侈,这也正是折叠式 cascode(folded cascode)和增益自举(gain-boosting)存在的原因——它们是一些巧办法,既保住增益上的好处,又把你让出去的余量抠回来一些。
cascode 管(gm2、ro2)把输入管的输出电阻 ro1 乘上它自己的本征增益 gm2·ro2——于是该节点的增益 gm1·Rout 也按同样的倍数白白放大。
cascode 管的栅极偏置要小心给:偏置给得太低,下面那只管子就会掉出饱和区,增益随之崩塌;整个把戏只有在两只管子都待在饱和区时才成立。