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半导体开放世界

共源共栅放大器

Cascode Amplifier也称 套筒式共源共栅、共源共栅级、cascode

用共栅隔离提高输出电阻，同时逐管核查电压余度。

专深出处 2 本教材
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速览

约 1 分钟

输入管先把电压变成电流，共栅管把这股电流送到输出并减弱输出对输入管漏端的影响。高输出电阻有助于增益，但并联负载和饱和余度会限制收益。

系统理解

约 2 分钟

先建立共源—共栅的信号电流路径，再在输入固定条件下测试输出电阻。支路电阻提升由共栅局部反馈产生，整级还要与实际负载并联；整体跨导是否近似输入gm也要由电流分配确认。

偏置与摆幅并非附注：内部节点要维持输入管饱和，输出端又要支撑共栅管余度。高阻式、屏蔽和低米勒效应都只在相应工作区与频率模型内成立。

复用共源放大器、差分对和电流镜，不重建运放总览；本节点专门核电流路径、输出阻抗与偏置余度。

关键参数

关键参数
参数单位含义
支路及带载输出电阻Ω分别报告共源共栅支路与并联负载后的增量阻抗
电压余度V逐管饱和条件确定输入/输出窗口
支路电流A静态和大信号转向的分配及最小余量

常见误区

  • 增加共栅管就能不付代价地提高实际增益。
  • 输出能碰到电源轨就代表全程高增益线性。
  • 折叠后输入输出都是轨到轨。

工程深入

12 条结论 · 2 道例题

电流路径、阻抗与电压余度

定义

共源共栅传递的是信号电流

基本共源共栅把共源输入管产生的小信号电流送入共栅管，再由输出负载变成电压。两个同型管串联时直流电流被重用；这不是两个独立电压增益级的简单串接。12

成立条件 共源输入和共栅管串联且维持规定工作区；直流重用指同支路无其他分流。；所述信号传送为固定偏置附近的小信号近似。

公式

输出电阻由局部屏蔽提高

固定输入与共栅偏置，忽略体效应时，两只饱和管构成的支路输出电阻为ro1+ro2+gm2·ro1·ro2。gm2·ro2很大时才可丢掉前两项；这是器件支路而非包含任意负载的整级输出电阻。12

Rb=ro1+ro2+gm2ro1ro2,Rout=Rb∥RL,Av≈−gm1RoutR_b=r_{o1}+r_{o2}+g_{m2}r_{o1}r_{o2},\qquad R_{\mathrm{out}}=R_b\parallel R_L,\qquad A_v\approx-g_{m1}R_{\mathrm{out}}
Rb = ro1+ro2+gm2·ro1·ro2；Rout = Rb∥RL；Av ≈ −gm1·Rout
RbR_b
双管支路小信号输出电阻单位 Ω
ro1,ro2r_{o1},r_{o2}
两管饱和区输出电阻单位 Ω
gm1,gm2g_{m1},g_{m2}
输入管和共栅管跨导单位 S
RLR_L
其余负载到交流地的电阻单位 Ω
RoutR_{\mathrm{out}}
含负载输出电阻单位 Ω
AvA_v
反相低频电压增益，采用整体跨导近似单位 V/V

成立条件 两管饱和，栅偏置与体端交流固定，忽略体效应及电容。；Rb式对所选小信号模型精确；Av额外采用Gm≈gm1的近似，不能声称精确整级增益。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学双管ro1=ro2=100 kΩ，gm2=1.00 mS，gm1=0.500 mS，RL=2.00 MΩ。忽略体效应，求支路和带载输出电阻、近似增益。

已知

  • ro1=ro2=100000 Ω；gm2=0.001 S
  • gm1=0.0005 S；RL=2000000 Ω；Gm≈gm1

步骤

  1. Rb = 100000+100000+0.001×100000² = 10.2 MΩ三项均有Ω量纲。
  2. Rout = 10.2×2/(10.2+2) = 1.67213 MΩ必须与负载并联。
  3. Av ≈ −0.0005×1.67213×10⁶ = −836 V/V输出反相，不能直接用10.2 MΩ计算带载增益。
结果 支路10.2 MΩ；带载1.672 MΩ；近似增益−836 V/V。

负载使实际高阻远小于共源共栅支路值。

适用边界 参数是教学假设；增益值采用Gm≈gm1，不代替完整小信号模型。

边界

负载是高增益的另一半

即使共源共栅支路很高阻，输出端并联的电流源或外部电阻仍会限制整级输出电阻。只提高输入侧阻抗，不能保证实际电压增益按相同比例增长。12

成立条件 固定偏置、所有参与增益的晶体管处于所选饱和小信号模型内。；在低于内部极点的频段比较到交流地的并联负载。

机制

高阻提升不等于额外电压增益级

低频增益按整体跨导与所见输出电阻相乘计算。在输入电流基本传到输出时整体跨导近似输入管gm；不能无条件把共源与共栅的空载电压增益相乘。12

成立条件 在固定工作点用输出短路电流定义整体跨导。；采用Gm≈gm须验证分流可忽略，不把两级空载电压增益相乘。

公式

全饱和输出下限需要两份余度

地参考NMOS双管支路在合理偏置、长沟道饱和边界近似下，最小输出电压等于两管过驱动之和。能把输出拉得更低，不代表仍保留高增益饱和工作。12

Vout,min≈Vov1+Vov2,Vout,max≈VDD−∣Vov3∣−∣Vov4∣V_{\mathrm{out,min}}\approx V_{\mathrm{ov1}}+V_{\mathrm{ov2}},\qquad V_{\mathrm{out,max}}\approx V_{\mathrm{DD}}-|V_{\mathrm{ov3}}|-|V_{\mathrm{ov4}}|
Vout,min ≈ Vov1+Vov2；Vout,max ≈ VDD−|Vov3|−|Vov4|
Vout,min,Vout,maxV_{\mathrm{out,min}},V_{\mathrm{out,max}}
上下均双管、无尾源额外堆叠的简化输出范围单位 V
Vov1,Vov2V_{\mathrm{ov1}},V_{\mathrm{ov2}}
下方两个NMOS的正过驱动单位 V
Vov3,Vov4V_{\mathrm{ov3}},V_{\mathrm{ov4}}
上方两个PMOS过驱动，使用绝对值单位 V
VDDV_{\mathrm{DD}}
地参考正电源单位 V

成立条件 源接地的长沟道NMOS双管支路，各管饱和边界用过驱动近似。；偏置可分配所需内部节点余度；实际设计须另留线性和工艺裕量。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学上下各双管的单端共源共栅放大器，VDD=1.80 V，下方过驱动0.18、0.22 V，上方过驱动幅值0.20、0.25 V，求简化全饱和输出窗口。

已知

  • 无尾电流源额外堆叠，地参考
  • 各偏置恰能分配所需余度，忽略短沟道及体效应修正

步骤

  1. Vmin = 0.18+0.22 = 0.40 V下支路所需余度。
  2. Vmax = 1.80−0.20−0.25 = 1.35 V上支路从正电源扣除。
  3. Vpp = 1.35−0.40 = 0.95 V；Vcenter = 0.875 V中心取中点时，两方向各有0.475 V几何余度。
结果 简化输出窗口0.40–1.35 V；跨度0.95 V；中点0.875 V。

供电1.8 V不等于具有1.8 V全饱和输出摆幅。

适用边界 边界只是教学长沟道余度估算，实际设计需要留裕量并验证增益/线性；不同拓扑有额外尾源或偏置约束。

关联

栅偏置同时受内部节点与输出约束

对源接地的NMOS输入管，内部节点近似Vb−VGS2；其不能低于输入管饱和余度，而输出又须高于Vb−VTH2。共栅偏置过低可先损失输入管饱和，过高则压缩输出低端。1

成立条件 输入管源接地，共栅管栅偏置为Vb，使用长沟道阈值与饱和近似。；内部节点由稳态VGS与电流确定，不能独立任意指定。

边界

共栅源端阻抗不能恒写成1除以gm

从共栅源端看入的阻抗还取决于其漏端到交流地的负载。漏端近交流地时可近似1/gm，但高阻负载下该近似可能明显失准，进而改变内部节点摆幅与电流分配。12

成立条件 共栅栅端为交流地，在规定偏置附近求看入源端的小信号阻抗。；漏端负载必须计入；1/gm还要求体效应、输出电阻等修正可忽略。

定义

体效应可进入屏蔽增益

当共栅管源端相对体端摆动时，小信号体跨导会与栅跨导共同进入输出阻抗提升。忽略体效应必须是模型选择或连接条件，不是共源共栅天然没有体效应。1

成立条件 共栅管源端相对体端存在小信号电压，体跨导由该工作点模型给出。；栅和体的交流连接须明确；源体短接时不能沿用同一gmb贡献。

边界

同栅串联不自动构成有效共源共栅

将两只相同阈值器件的栅直接相连以省偏置，可能使上管落入线性区，不能因此获得独立偏置共源共栅的高阻效果。多阈值例外也必须逐管核饱和条件。1

成立条件 对所示同栅同型两管比较阈值、器件尺寸和实际端电压。；多阈值结构仍逐管检查饱和，不推广相同阈值示例至全部工艺。

机制

屏蔽输入管漏端有两种可观察后果

共栅管减弱输出变化向输入管漏端的传递，有利于电流源恒定性，也减轻输入管栅漏电容的米勒放大。屏蔽不等于内部节点绝对不动，仍取决于器件增益和负载。12

成立条件 固定偏置附近且相关管保持饱和；屏蔽程度由有限本征增益和负载决定。；米勒效应比较限定于所用小信号电容及频段，不表示内部节点在任意频率都不动。

边界

接近线性区时高阻公式会失效

当输出降低迫使共栅管进入线性区，它需要更大的栅源电压维持电流，内部节点随输出变化更强，屏蔽减弱；继续套用饱和小信号高阻式会高估增益。1

成立条件 输出大范围变化时沿实际负载线重新求工作点，允许识别进入线性区的边界。；此前的饱和区高阻式在边界外不继续外推。

边界

验证需要扫输出而不只算中心点

设计检查应同时看工作点附近增量增益和逐管工作区，并在预期输出范围重新检查。大信号传输能到达的极值与高小信号增益的可用摆幅不是同一个指标。12

成立条件 在预期输出范围逐点求直流工作区，并在各点分别评估局部小信号增益。；传输极值、全饱和范围与满足线性指标的范围分别报告。

出处

2 本教材 · 20 处引用
  1. 1

    模拟CMOS集成电路设计

    Behzad Razavi

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  2. 2

    CMOS模拟集成电路设计（第3版）

    Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg

    查看这个来源 →

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