共源放大器
Common-Source Amplifier（CS）也称 共源级、共源放大级、CS amplifier、inverting MOS stage
把输入栅压的微小变化经跨导转换为漏电流，再由漏端负载转换为反相输出电压；增益来自gm与输出电阻的乘积，代价是偏置、摆幅、带宽与线性的相互制约。
速览
约 1 分钟共源级的源端在小信号上近似公共，输入加在栅极、输出取自漏极。栅压升高使NMOS漏电流增加，负载压降增大，漏端电压下降，所以低频电压增益为负。高输入阻抗并不等于无限带宽：栅漏电容会被反相增益放大成米勒效应。
系统理解
约 3 分钟共源级是MOS电压放大的最小结构。直流偏置先把晶体管置于有跨导且留有摆幅的工作点；在该点附近，小信号栅压变化产生gm·vin的漏电流变化，漏端等效电阻再把电流变化转换为电压。低频近似Av≈−gmRout，负号表示反相。这个公式只描述偏置点附近的局部斜率，不代表从电源轨到电源轨都保持同一增益。
负载决定增益、摆幅和实现方式。电阻负载直观但在芯片上可能占面积并消耗直流压降；二极管连接负载阻抗较低、摆幅受限；电流源有源负载能提供较大输出电阻，从而提高增益，但输出端必须同时为上下器件保留饱和余度。把沟道拉长或使用共源共栅可提高输出电阻，却会增加面积、寄生或电压余度。
源极退化把一部分输出电流变化反馈到源端，使有效跨导约变为gm/(1+gmRs)。它降低增益，却扩大局部线性输入范围、减弱跨导对偏置的敏感性并改变输出电阻和噪声贡献。体效应在源端不固定时进一步改变有效跨导；大信号摆幅还会使器件进入截止或三极管区，产生压缩和失真。
频率升高后，栅源、栅漏、漏体与负载电容共同形成极点和零点。尤其栅漏电容通过反相增益产生米勒放大，可能显著增加输入等效电容。实际设计必须把直流工作点、低频增益、输出摆幅、输入驱动、噪声、失真、功耗和带宽放在同一张约束表中，而不是只最大化gmro。
承接MOSFET跨导、输出电阻与偏置，向上连接差分对、运算放大器增益级、频率响应、反馈与噪声。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 偏置电流与过驱动电压 | A / V | 共同决定gm、功耗、噪声、线性和可用摆幅 |
| 跨导 gm | S | 把栅源小信号电压转换为漏电流 |
| 输出等效电阻 Rout | Ω | 与gm共同形成低频增益，并与输出电容形成极点 |
| 输出摆幅与饱和余度 | V | 限定上下摆幅边界和可保持局部线性化的范围 |
| 栅漏与负载电容 | F | 通过米勒效应和输出极点限制带宽与稳定性 |
常见误区
- 认为晶体管处于饱和区就意味着输出电压或增益已饱和不变
- 认为Av=−gmRout适用于任意输入摆幅、任意频率和任意负载
- 认为高栅输入电阻意味着前级无需驱动任何电容
- 认为增加负载电阻或输出电阻只会提高增益，不会影响摆幅与带宽
- 认为源极退化只是损失增益，没有线性、稳定性和阻抗收益
工程深入
16 条结论 · 1 道例题从偏置到反相增益
负载把漏电流变化转换为输出电压
输出节点的小信号等效电阻把gm产生的漏电流转换为反相电压，因此低频增益等于负跨导乘以从漏端看到的总并联电阻。12
Av ≈ −gm·Rout，Rout = RD ∥ ro ∥ RL
- Av
- 低频小信号电压增益，单位 V/V
- Rout
- 输出节点总小信号电阻，单位 Ω
成立条件 忽略高频电容与额外反馈；Rout必须包含晶体管ro、负载与后级输入负载
例题：动手算一次教学假设，可复算
教学共源级中gm=2.0 mS、ro=100 kΩ、RD=50 kΩ，外部负载RL=100 kΩ，低频增益约为多少？
已知
- gm=2.0 mS
- ro=100 kΩ
- RD=50 kΩ
- RL=100 kΩ
- 忽略体效应与电容
步骤
- Rout=50 kΩ∥100 kΩ∥100 kΩ=25 kΩ，三条输出电阻路径并联
- Av≈−2.0 mS×25 kΩ=−50 V/V，跨导电流乘输出电阻，并保留反相符号
- 20log10|Av|≈34 dB，把幅值换算为分贝便于比较
外部负载与器件ro会把只看RD得到的理想增益明显压低；输出负载必须进入增益预算。
不能外推到 该结果只适用于偏置点附近和低频，未检查输出摆幅、失真、寄生极点及源阻抗。
负载、摆幅与线性
退化、阻抗与噪声
频率与系统连接
出处
2 本教材 · 2 处引用- 1
模拟CMOS集成电路设计
- 第 3 章 §§3.1–3.3.6，第 42–63 页 支持：共源级以源端为输入输出的共同参考；跨导先把输入电压转换为漏电流；负载把漏电流变化转换为输出电压；直流偏置先于小信号增益；电阻负载把增益与直流压降绑定；电流源有源负载以高阻抗换取增益；高增益负载需要为上下器件同时留余度；大信号增益会随输入和输出摆幅变化；源极退化形成局部负反馈；源极不固定时体效应会参与反馈；共源级低频栅输入电阻很高；输入管和负载都向输出贡献噪声；栅漏电容产生米勒放大；提高Rout会同时下移输出极点；差分对的差模半边电路常表现为共源级；完整设计要同时闭合九类指标
- 2
CMOS模拟集成电路设计（第3版）
- 第 5 章 §5.1，第 151–158 页 支持：共源级以源端为输入输出的共同参考；跨导先把输入电压转换为漏电流；负载把漏电流变化转换为输出电压；直流偏置先于小信号增益；电阻负载把增益与直流压降绑定；电流源有源负载以高阻抗换取增益；高增益负载需要为上下器件同时留余度；大信号增益会随输入和输出摆幅变化；源极退化形成局部负反馈；源极不固定时体效应会参与反馈；共源级低频栅输入电阻很高；输入管和负载都向输出贡献噪声；栅漏电容产生米勒放大；提高Rout会同时下移输出极点；差分对的差模半边电路常表现为共源级；完整设计要同时闭合九类指标