ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

共栅级的输入、输出与跨阻

从电路方程到教材结论 · 每步必要近似 · 原图与讲解可追溯

本组继承 共同模型与假设。「精确」指指定小信号模型内精确。

共栅级的跨阻、输入阻抗与有限偏置电阻

对应:0249–0252、0269、0271。

电流方向与连接

栅极接 AC 地;漏极接 RLR_L,源极接注入信号电流 iini_{\rm in} 及偏置源输出电阻 RBR_B。本节 iini_{\rm in} 定义为注入源极节点,因此与 0271 的向下电流箭头相反;比较有号结果时须反号。

令 vxv_x 是源极电压,GL=1/RL, GB=1/RBG_L=1/R_L,\ G_B=1/R_B,不含体效应:

(GB+gm+go)vx−govo=iin,(G_B+g_m+g_o)v_x-g_ov_o=i_{\rm in}, −(gm+go)vx+(GL+go)vo=0.-(g_m+g_o)v_x+(G_L+g_o)v_o=0.

直接解 KCL

令 Q=1+gmroQ=1+g_mr_o,乘开导纳分母后:

AR=voiin=QRBRLRL+ro+QRB,A_R=\frac{v_o}{i_{\rm in}} =\frac{Q R_BR_L}{R_L+r_o+Q R_B}, Rin=vxiin=RB(RL+ro)RL+ro+QRB.R_{\rm in}=\frac{v_x}{i_{\rm in}} =\frac{R_B(R_L+r_o)}{R_L+r_o+Q R_B}.

流入负载的电流比为

iLiin=ARRL=QRBRL+ro+QRB.\frac{i_L}{i_{\rm in}}=\frac{A_R}{R_L} =\frac{Q R_B}{R_L+r_o+Q R_B}.

受控源电流的大小比为 gmRing_mR_{\rm in}。它可能大于 1,但真正输送到负载的电流比仍由上一式决定;不可混淆受控源内部循环电流与外部负载电流。

渐近区域与教材 RLcR_{Lc}

实际分母的转折尺度为

Rcrit=ro+QRB.R_{\rm crit}=r_o+Q R_B.

若 gmro≫1, gmRB≫1g_mr_o\gg1,\ g_mR_B\gg1,则

Rcrit≃RLc=gmroRB.R_{\rm crit}\simeq R_{Lc}=g_mr_oR_B.
区域 ARA_R RinR_{\rm in} 条件
小负载 ≃RL\simeq R_L ≃1/gm\simeq1/g_m RL≪roR_L\ll r_o 且 QRB≫roQ R_B\gg r_o
中间 ≃RL\simeq R_L ≃RL/(gmro)\simeq R_L/(g_mr_o) ro≪RL≪QRBr_o\ll R_L\ll Q R_B
大负载 →QRB\to Q R_B →RB\to R_B RL≫ro+QRBR_L\gg r_o+Q R_B

大负载时,iL/iin→0i_L/i_{\rm in}\to0,而内部受控源电流比趋近 gmRBg_mR_B,解释 0251 图的两条不同曲线。

0271:理想输出电流源负载

取 RL→∞R_L\to\infty:

vx=RBiin,vo=(1+gmro)vx,AR=(1+gmro)RB≃gmroRB.v_x=R_Bi_{\rm in},\quad v_o=(1+g_mr_o)v_x,\quad A_R=(1+g_mr_o)R_B\simeq g_mr_oR_B.

若采原图向下的 iini_{\rm in},两个电压与 ARA_R 都反号。教材的正值 ARA_R 是大小。

输出阻抗必须说明是否包含负载

将输入信号电流源开路、注入漏极测试电流,放大器本体阻抗为

Rout,amp=ro+(1+gmro)RB.R_{\rm out,amp}=r_o+(1+g_mr_o)R_B.

若测量端包含外置 RLR_L,则 Rout,loaded=Rout,amp∥RLR_{\rm out,loaded}=R_{\rm out,amp}\parallel R_L。0269 表中含 RLR_L 却列很大的 RoutR_{\rm out},是排除外置负载的放大器本体值;必须先讲清楚端口定义。

RB→∞R_B\to\infty 而 RLR_L 有限时:AR=RLA_R=R_L,Rin=(RL+ro)/(1+gmro)R_{\rm in}=(R_L+r_o)/(1+g_mr_o)。若 RB,RLR_B,R_L 都理想无限,注入非零 DC 小信号电流没有有限的静态解;不能把表格的「—」当成 0。

不用 SFG:二节点矩阵与三个极限已完整解释图形。符号程序验证两个阻抗、跨阻及端点极限。

来源对照

幻灯片 PDF 页 书本页 讲解所在 PDF 页
0249 74 75 74
0250 75 76 75
0251 75 76 75, 76
0252 76 77 76
0269 85 86 85
0271 86 87 86

Spectre 仿真结果

本推导组的代表模型已完成 Spectre 验证;覆盖范围以所列网表为准,未逐一搭建所有幻灯片电路。

线性 AC 1 · MOS 电路 0 · 极零 0 · 瞬态 0:所列检查全部通过。

案例:common_gate

查看本组波形、模型条件与 CSV → · 仿真 Markdown 解释

来源幻灯片与讲解定位(6 张)
原书幻灯片 0249
0249 · PDF 74/书本 75 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0250
0250 · PDF 75/书本 76 · 原图及完整讲解
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0251 · PDF 75/书本 76 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0252
0252 · PDF 76/书本 77 · 原图及完整讲解
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0269 · PDF 85/书本 86 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0271
0271 · PDF 86/书本 87 · 原图及完整讲解