共漏極放大器介紹：小信號行為
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共漏極放大器是一種單級配置，它使用柵極作為其輸入，源極作為其輸出。本文將介紹其小信號特性。
共漏極放大器有時也稱為源極跟隨器，由于其低輸出阻抗和高輸入阻抗，在CMOS設(shè)計中非常有用。本系列的前一篇文章討論了源極跟隨器的大信號工作原理。在本文中，我們將分析以下小信號特性：
信號增益小。
輸出電阻。
頻率響應(yīng)。
圖1顯示了我們將要檢查的電路。為了簡單起見，它與我們在上一篇文章開頭介紹的電路相同。這是共漏極放大器的最基本版本；與現(xiàn)實世界的實現(xiàn)不同，它使用理想的電流源。
前一篇文章中的基本共漏極放大器。
圖1 基本共漏極放大器配置。
漏極連接到VDD，因為放大器使用NMOS晶體管。如果晶體管是PMOS，則漏極將連接到地。
小信號增益
上述電路的小信號模型如圖2所示。讓我們用它來求解傳遞函數(shù)。
圖1中共漏極放大器的小信號模型。
圖2:圖1中共漏極放大器的小信號模型。
根據(jù)基爾霍夫電流定律，輸出節(jié)點處所有電流的總和等于零。對于圖2，這意味著：
方程式1。
在這個模型中，vgs = vin – vout and vbs = –vout。記住這一點，我們可以從圖2中得出i1、i2和i3的值：
方程式2。
方程式3。
方程式4。
解釋：
ro是晶體管的輸出電阻
gm是跨導(dǎo)
gmb是體效應(yīng)跨導(dǎo)。
因為共漏極放大器的源極不接地，所以體效應(yīng)始終存在。將這些電流值代入方程1，我們得到：
方程式5。
收集術(shù)語的結(jié)果如下：
方程式6。
使用方程式6和增益公式 Av = voutvinAv = voutvin Av = voutvinAv = voutvin
我們現(xiàn)在可以求解小信號增益：
方程式7。
由此，我們確認(rèn)了在大信號分析中看到的情況——源極跟隨器充當(dāng)電壓緩沖器。盡管由于體效應(yīng)，增益永遠不會精確為1，但它可以非常接近1。
既然我們已經(jīng)計算出了小信號增益，那么讓我們來檢查共漏極放大器的電阻。
輸出電阻
由于放大器的輸入端是晶體管的柵極，因此輸入電阻為無窮大。本節(jié)將不再進一步考慮。為了找到輸出電阻，我們將測試電壓（vt）連接到輸出節(jié)點，并在放大器輸入接地的情況下計算從中流出的電流（it）。圖3顯示了我們的測試設(shè)置。
用于尋找共漏極放大器輸出電阻的測試設(shè)置。
圖3. 用于找到圖1中共漏極放大器的輸出電阻的測試設(shè)置。
根據(jù)此圖，并認(rèn)識到vgs = –vt和vbs = –vt，我們發(fā)現(xiàn)測試電流為：
方程式8。
輸出電阻等于測試電壓除以測試電流(Rout = vtitRout = vtit)
因此我們有：
方程式9。
這些方程說明了源極跟隨器的輸出電阻非常低，具有吸引力。其近似值為 1gm1gm
比晶體管輸出電阻（ro）小很多，這表明放大器能夠?qū)⒏咦杩乖鲆婕壟c其輸出負(fù)載隔離開來。
頻率響應(yīng)
最后，讓我們使用圖4中的電路和小信號模型來研究共漏極放大器的頻率響應(yīng)。請注意，這次我們忽略了體效應(yīng)和溝道長度調(diào)制。
共漏極放大器電路原理圖和對應(yīng)的小信號模型。
圖4. 用于頻率計算的共漏極放大器（左）和相應(yīng)的小信號模型（右）。
如果我們計算上述小信號模型的傳遞函數(shù)，我們得到：
方程式10。
解釋：
CGS是柵極到源極電容
CGD是柵極到漏極電容
CL是負(fù)載電容
RS是源電阻
s 是復(fù)數(shù)頻率。
從等式10中可以看出，源極跟隨器在左半平面有兩個極點和一個零點。這是由于柵極到源極電容在高頻下使輸入和輸出節(jié)點短路造成的。
輸入和輸出阻抗（分別為Zin和Zout）也可以告訴我們一些關(guān)于該放大器頻率響應(yīng)的有趣信息。為了計算Zin，我們將使用圖5中的電路。
用于查找輸入阻抗的源跟隨器測試設(shè)置。
圖5. 用于查找輸入阻抗的源極跟隨器測試設(shè)置。
如果我們忽略體效應(yīng)，則輸入阻抗為無窮大。如果我們不忽略體效應(yīng)，則得到：
方程式11。
當(dāng)最后兩個項相乘時，分母中會出現(xiàn)s2。這意味著輸入阻抗在某些頻率下可能為負(fù)。負(fù)阻抗可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得源極跟隨器在振蕩器設(shè)計中非常有用。
為了找到Zout，我們在圖4的輸出端添加一個測試電壓源，并測量其輸出電流。當(dāng)我們將測試電壓除以輸出電流時，我們得到：
方程式12。
從這個方程中，我們可以觀察到共漏極放大器的頻率響應(yīng)：
在低頻時，Zout = 1/gm。
在高頻時，Zout = RS。
如果RS > 1/gm，輸出阻抗隨頻率增加而增加。
這種行為類似于電感器，使得源極跟隨器在高頻率應(yīng)用中作為電感器的替代品具有重要價值。
總結(jié)
理解電路的小信號操作非常重要，特別是在設(shè)計模擬集成電路時。在小信號分析中，我們通過關(guān)注在定義的偏置條件下的操作來忽略晶體管的非線性、大信號行為。
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