基本放大电路

    为了放大模仿信号必需运用有源器件。MOS晶体管就是一种频繁运用的有源器件。MOS晶体管的三个端子中有两个分别是输入端和输出端。还有第三个端子，将这个端子固定为一定的电位就能够构成三种放大电路。就是说，源极、栅极、漏极中的某个极衔接到固定电位上，就可以分别构成源极接地、栅极接地、漏极接地三种放大电路。

   端子不一定非要接地(GND)才干固定电位，为什么要“接地”？由于关于被放大的信号来说，电位固定的端子可以看作交流接地。另外，就MOS晶体管的输入输出端的分配来说，电绝缘的栅极不能作为输出端运用，所以可以组合起来的放大电路就如表3.1所列。

源极接地放大电路

   表3.1所示的放大电路中，源极接地放大电路是最常用的模仿电路。所以首先对源极接地放大电路的放大功用停止讨论。

   如前所述，简直一切模仿电路中的MOS晶体管都是工作在饱和区。在饱和区，即便改动漏极电压VDS，其漏极电流ID简直不增加。换句话说，MOS晶体管是工作在输出电阻r。十分大的偏置条件下。为了便于了解放大的原理，首先思索假设输出电阻ro（=νds/id)无限大条件下的状况。这里的νds是漏极电压的微小变化量，id是漏极电流的微小变化量（以下ν、i等小写字母都是表示微小变化量）。然后再来计算输出电阻为有限值时的电压增益。

   如图3.1所示，给MOS晶体管的栅极加直流偏压VGS，再加模仿信号电压νin，于是，漏极端（输出）除产生直流电流成分之外，还有与输入信号νin成比例的小信号电流id=gmνin流过：

式中，VT为MOS晶体管的阈值电压；β为与沟道长宽比等有关的参量(β≡(w/L)μCox)；gm为跨导。

   式(3.1)中的输人信号νin十分小，假定级数展开的2次项以上的高次项能够疏忽不计。式(3.1)右边第一项表示与栅极电压VGS相对应的直流漏极电流Io，第二项是与输入信号νin相对应的输出漏极电流ido在解析放大电路时，假定信号电压νin十分小，这时电路的工作都可看作是线性的（近似直线），因此计算就变得十分简单。

   式(3.1)中，当只思索与放大有关的信号成分（右边第二项）时，源极接地的MOS晶体管就能够看作具有将输入的小信号电压uin变换为电流ia=gmvin功用的器件。

现在讨论将这个信号成分作为输出电压取出的方法。按照欧姆定律，当小信号电流id流过电阻R时，电阻两端产生电压idR。利用这个原理，就能够取出放大后的信号。

   例如，如图3.2所示，将电压-电流变换器件MOS晶体管与负载电阻Rload连接，并流过式(3.1)所示的电流I（=直流成分lo+小信号成分id），那么输出电压就是VDD-Rload(Io+id)。其中直流电压成分VDD-RloadIo中不包含信号信息，所以没有取出处理的必要。而包含小信号电流的输出信号电压Vout= —Rload.id必须放大输出。按照欧姆定律，如果负载电阻Rload大，那么输出信号νout也就大。Rload前面的负号意味着输出信号相对于电流信号成分id以反相位输出。

由式(3.2)能够得到源极接地放大电路的电压增益为

   从这个结果能够看出，为了取得高的增益，应该运用具有大跨导gm的有源器件与大的负载电阻Rload相衔接。

   上面的阐明中，假定次级的输入负载电阻Rin比MOS晶体管的输出电阻ro大得多。但是，实践的源极接地电路的有效输出电阻是负载电阻Rload与MOS晶体管的输出电阻r。以及次级的输入负载电阻Rin呈并联衔接的，要用这样的放大电路驱动R。小的电路并非上策。所以，下面思索Rin十分大而且r。也是实践值的状况。

电路原理

   CMOS模仿集成电路中，更多的状况是图3.2的负载电阻Rload并不是单纯的电阻元件，而是由MOS晶体管的输出电阻ro替代。

   (1)负载电阻采用MOS晶体管的话，能够流过更多的电流用来驱动MOS晶体管，这意味着驱动器件的9m大。

   (2)改动负载MOS晶体管的尺寸或偏置条件，就可以门由地调整输出电阻ro的值。

   (3) MOS晶体管占有的面积比电阻元件小。

   图3.3示出用P沟MOS晶体管的输出电阻rop交换图3.2中的负载电阻Pload的源极接地放大电路。这个电路的有效输出电阻R能够经过下面的实验求得。

   假如增人输出端电压νout流入驱动器件N沟MOS晶体管的漏极电流νout/ron就增加。这一点能够从输出电阻的定义式得到阐明。而负载一侧的P沟MoS晶体管中则相反，自漏极流出的电流νout/rop减少，所以在流入输出端的有效电流iout与νout之间下面的关系式成立：

式中，ron、rop分别是N沟MOS晶体管和P沟MOS晶体管的输出电阻。从式(3.3)能够看出，用P沟MOS晶体管作为负载的源极接地放大电路的有效输出电阻R，如图3.3的右图所示那样，与输出端衔接的两个MOS晶体管的漏极电阻（ron，rop）的并联电阻等价。即

   rop∥ron表示rop与ron并联衔接的合成电阻。当次级的输入电阻Rin影响不可疏忽时，R就表示为：

   放大电路的电压增益Ao由MOS晶体管的漏极电阻ro与跨导gm之积给出输出电阻ro与电流成反比。驱动一侧的MOS晶体管的gm与I成比例(参考第2章式(2.6))。因而，如图3.4所示，源极接地放大电路的增益｜Ao｜=gmR与流过MOS晶体管的电流f的平方根成反比。但是，为了取得高增益，减小电流I的话就不能快速驱动次级电路，所以实践的放大电路中，在耗费功率与高速响应之间取恰当的折中。普通来说，CMOS电路以放大增益为目的时的gmro为几十倍的大小还是容易得到的。