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共漏极放大器是一种单级配置，它使用栅极作为其输入，源极作为其输出。本文将介绍其小信号特性。

共漏极放大器有时也称为源极跟随器，由于其低输出阻抗和高输入阻抗，在CMOS设计中非常有用。本系列的前一篇文章讨论了源极跟随器的大信号工作原理。在本文中，我们将分析以下小信号特性：

信号增益小。

输出电阻。

频率响应。

图1显示了我们将要检查的电路。为了简单起见，它与我们在上一篇文章开头介绍的电路相同。这是共漏极放大器的最基本版本；与现实世界的实现不同，它使用理想的电流源。

前一篇文章中的基本共漏极放大器。

图1 基本共漏极放大器配置。

漏极连接到VDD，因为放大器使用NMOS晶体管。如果晶体管是PMOS，则漏极将连接到地。

小信号增益

上述电路的小信号模型如图2所示。让我们用它来求解传递函数。

图1中共漏极放大器的小信号模型。

图2:图1中共漏极放大器的小信号模型。

根据基尔霍夫电流定律，输出节点处所有电流的总和等于零。对于图2，这意味着：

方程式1。

在这个模型中，vgs = vin – vout and vbs = –vout。记住这一点，我们可以从图2中得出i1、i2和i3的值：

方程式2。

方程式3。

方程式4。

解释：

ro是晶体管的输出电阻

gm是跨导

gmb是体效应跨导。

因为共漏极放大器的源极不接地，所以体效应始终存在。将这些电流值代入方程1，我们得到：

方程式5。

收集术语的结果如下：

方程式6。

使用方程式6和增益公式 $A_v=\frac{v_{out}}{v_{in}}$ $A_v=\frac{v_{out}}{v_{in}}$

我们现在可以求解小信号增益：

方程式7。

由此，我们确认了在大信号分析中看到的情况——源极跟随器充当电压缓冲器。尽管由于体效应，增益永远不会精确为1，但它可以非常接近1。

既然我们已经计算出了小信号增益，那么让我们来检查共漏极放大器的电阻。

输出电阻

由于放大器的输入端是晶体管的栅极，因此输入电阻为无穷大。本节将不再进一步考虑。为了找到输出电阻，我们将测试电压（vt）连接到输出节点，并在放大器输入接地的情况下计算从中流出的电流（it）。图3显示了我们的测试设置。

用于寻找共漏极放大器输出电阻的测试设置。

图3. 用于找到图1中共漏极放大器的输出电阻的测试设置。

根据此图，并认识到vgs = –vt和vbs = –vt，我们发现测试电流为：

方程式8。

输出电阻等于测试电压除以测试电流($R_{out}=\frac{v_t}{i_t}$)

因此我们有：

方程式9。

这些方程说明了源极跟随器的输出电阻非常低，具有吸引力。其近似值为 1gm1gm

比晶体管输出电阻（ro）小很多，这表明放大器能够将高阻抗增益级与其输出负载隔离开来。

频率响应

最后，让我们使用图4中的电路和小信号模型来研究共漏极放大器的频率响应。请注意，这次我们忽略了体效应和沟道长度调制。

共漏极放大器电路原理图和对应的小信号模型。

图4. 用于频率计算的共漏极放大器（左）和相应的小信号模型（右）。

如果我们计算上述小信号模型的传递函数，我们得到：

方程式10。

解释：

CGS是栅极到源极电容

CGD是栅极到漏极电容

CL是负载电容

RS是源电阻

s 是复数频率。

从等式10中可以看出，源极跟随器在左半平面有两个极点和一个零点。这是由于栅极到源极电容在高频下使输入和输出节点短路造成的。

输入和输出阻抗（分别为Zin和Zout）也可以告诉我们一些关于该放大器频率响应的有趣信息。为了计算Zin，我们将使用图5中的电路。

用于查找输入阻抗的源跟随器测试设置。

图5. 用于查找输入阻抗的源极跟随器测试设置。

如果我们忽略体效应，则输入阻抗为无穷大。如果我们不忽略体效应，则得到：

方程式11。

当最后两个项相乘时，分母中会出现s2。这意味着输入阻抗在某些频率下可能为负。负阻抗可能导致系统不稳定，使得源极跟随器在振荡器设计中非常有用。

为了找到Zout，我们在图4的输出端添加一个测试电压源，并测量其输出电流。当我们将测试电压除以输出电流时，我们得到：

方程式12。

从这个方程中，我们可以观察到共漏极放大器的频率响应：

在低频时，Zout = 1/gm。

在高频时，Zout = RS。

如果RS > 1/gm，输出阻抗随频率增加而增加。

这种行为类似于电感器，使得源极跟随器在高频率应用中作为电感器的替代品具有重要价值。

总结

理解电路的小信号操作非常重要，特别是在设计模拟集成电路时。在小信号分析中，我们通过关注在定义的偏置条件下的操作来忽略晶体管的非线性、大信号行为。

关键词： 共漏极放大器 小信号行为