3.3 共栅放大器

3.3.1 直流特性分析

共栅放大器的电路结构如图3-18（a）所示，将MOS器件的栅极连接至固定电平，把源极作为输入端，漏极作为输出端，这种连接方法的放大器被称为共栅放大器。为简化分析共栅放大器的直流特性，我们从M 1 工作在截止区开始分析。当 V in 很大时，M 1 处于截止区，此时 V out = V DD 。当 V in 减小至 V b - V TH1 时，M 1 开启，流过M 1 的电流 I D 开始增大，这使 V out = V DD - I D R D 开始减小，当 V out 大于 V b - V TH1 时，M 1 工作在饱和区，此时共栅放大器的输入-输出特性满足以下关系

（3-33）

当 V in 减小至 V 1 以下时， V out < V b - V TH1 ，M 1 工作在线性区，此时M 1 的跨导减小，因此 V out 随 V in 减小的速度也开始减缓。通过上述分析可知，共栅放大器的输入-输出特性曲线如图 3-18（b）所示，其增益为正值。

M 1 工作在饱和区时，共栅放大器的增益最大，因此根据式（3-33）可得到其增益为

（3-34）

因为∂ V TH1 /∂ V in =∂ V TH1 /∂ V SB1 = η ，因此式（3-34）可变为

（3-35）

3.3.2 小信号特性分析

共栅放大器的小信号模型如图3-19所示，根据KCL可以得到

（3-36）

故共栅放大器的小信号增益为

（3-37）

由于 ，当 时， A V =（ g m1 + g mb1 ）（ r o1 || R D ）≈（ g m1 + g mb1 ） R D ，由此也可以看出其输出阻抗为 r o1 || R D 。

对于共源放大器和共漏放大器，它们的输入端均为MOS器件的栅极，因此对于直流输入信号来说其输入阻抗 R in 几乎是无穷大的。但对于共栅放大器，其输入端为源极，因此我们对其输入阻抗进行具体分析。如图 3-20 所示，在输入端施加电压 V X ，则输入阻抗为 R in = V X / I X 。根据KCL可以得到

（3-38）

因此得到

（3-39）

在通常情况下， ， ，因此式（3-39）可简化为

（3-40）

通过上述分析我们发现，共栅放大器的输入阻抗较小，因此共栅放大器的输入也可以采用电流形式，如图3-21（a）所示，其中 R s 为输入电流源 I in 所呈现的输出阻抗。通过图 3-21（b）所示的小信号模型分析其输入-输出特性。根据KCL可以得到

（3-41）

（3-42）

通过式（3-42）可得到 V X 的表达式，再将其代入式（3-41），可得到

（3-43）

下面再来分析图3-21（a）所示的共栅放大器的输出阻抗，分析过程与分析图3-10所示的带有源极负反馈的共源放大器的输出阻抗类似，分析结果为

（3-44）

由此可知，当考虑输入信号源内阻 R S 时，共栅放大器自身的输出阻抗增大了（ g m1 + g mb1 ） R S 倍，这是因为存在负反馈作用。通过上述分析发现，共栅放大器具有较低的输入阻抗、较高的输出阻抗及单位增益电流放大能力，因此共栅放大器可以用作电流缓冲器。

3.3.3 基本单级放大器特性总结

至此，我们已经分析了MOS器件以共源、共漏、共栅三种形态连接作为放大器使用时的直流特性，现在我们对常见单级放大器的特性进行总结，如表3-1所示。