📖 第 3 章 单级放大器：性能的突破与极限 (二)
【学习导言】
欢迎来到本章的第二部分。在上一部分，我们研究了基本的共源（CS）、共栅（CG）和共漏（CD）放大器。它们各有优缺点，但都面临一个共同的性能瓶颈：输出电阻不够高，或高频性能受限。
本章的叙事主线将围绕一个核心问题展开：我们如何突破单管的性能极限，在不引入额外电容的前提下，实现极高的增益和带宽？ 答案就是 “Cascode”，一种巧妙的管子堆叠艺术。
3.5 共源共栅电流镜 (Cascode Current Mirror)
3.5.1 为什么要使用 Cascode 结构？（痛点分析）
【背景故事/痛点】 传统电流镜（如图 4a 所示）作为电路中的“电流标尺”，其最重要的性能指标是精度和输出电阻 。
- 精度问题 (Channel Length Modulation, )： 理想情况下，输出电流 应该精确等于参考电流 。然而，由于输出端的 会随着负载变化，沟道长度调制效应 () 会导致 发生漂移，无法精确匹配 。
- 输出电阻问题： 当电流镜用作放大器的有源负载时，我们希望其 越大越好（因为电压增益 ）。但普通电流镜的 仅为 ，不够大。
【核心概念/解决方案】 共源共栅 (Cascode) 结构正是为了解决上述两个痛点而生。
- Cascode 的本质： 在一个普通的共源（）管的漏极上，再串联一个共栅（）管。这个堆叠动作，就像给电流镜加了一个“高阻抗屏蔽层”（如图 4b 所示）。
- 消除 效应的原理： 保持了 的漏极电压 几乎不变（）。即使外部负载电压 变化很大，由于 ，管子 的 也能保持高度恒定。 不变， 效应自然得到有效抑制，输出电流精度大大提高。 ![[Pic/Pasted image 20251031142159.png]] [图 4：此处应为原文中 Cascode 电流镜的基本结构图 (a) 普通电流镜和 (b) Cascode 电流镜]
3.5.2 Cascode 结构的性能飞跃
【关键技能/核心考点：输出电阻 】
Cascode 结构最显著的优势是对 的巨大提升。
- 物理意义： 作为共栅级，其本质是一个电流缓冲器，具有极高的输出电阻。它将 的输出电阻 “放大” 了 的电压增益倍。
- 最终结论：一句话总结： 近似于普通电流镜 乘以 Cascode 级 的固有增益 。这个增益因子通常在 之间（如 Slide 11 所示），实现了 数量级的飞跃。
【关键技能/核心考点：电压余度（Headroom）】
高增益是有代价的。Cascode 结构的主要缺点是消耗了较大的电压余度（Voltage Headroom）。
- 痛点： 为了让 和 都工作在饱和区（这是保证高 的前提），输出电压 必须满足最小要求 。
- 最小电压要求：一句话总结： 至少需要大于两个管子的过驱动电压 之和，再加上一个阈值电压 。这使得 Cascode 结构不适合在低电源电压（Low ）环境下工作，因为它极大地限制了输出电压的摆幅 (Output Swing)。
[图 8/9：此处应为原文中 Cascode 电流镜的最小电压要求和总结图]
3.5.3 改进：宽摆幅 Cascode (Wide-Swing Cascode)
【背景故事/优化】 为了克服传统 Cascode 在低电压下的应用限制，我们引入了宽摆幅 Cascode 结构。
- 核心目标： 在保持 饱和工作，以及高 的前提下，尽可能降低最小输出电压 。
- 优化结果 (NMOS 示例)： 通过巧妙地设置偏置电压 ，可以将 降低至：一句话总结： 最小电压要求消除了一个阈值电压 ，这在低 电路中至关重要。
![[Pic/Pasted image 20251031192521.png]] [图 14：此处应为原文中 Wide-Swing Cascode (NMOS) 的最终结论图]
3.6 共源共栅放大器 (Cascode Amplifier)
【知识回顾与连接】 正如 Cascode 结构能极大提升电流镜的 从而提高其作为电流源的精度，当它被用作放大器时，同样会带来巨大的增益提升，因为 。
3.6.1 经典套筒式 Cascode (Telescopic-Cascode AMP)
【核心概念/重点】 套筒式 Cascode 放大器**（如图 18 所示）**是最基本的 Cascode 放大器结构。
- 结构： 输入管 是共源级，其负载是一个共栅管 。 上方是有源负载（例如 Cascode 电流镜）。 ![[Pic/Pasted image 20251031194429.png]] [图 18：此处应为原文中 Telescopic-Cascode AMP 的 NMOS 和 PMOS 结构图]
| 优点 (与普通 CS 相比) | 缺点 (与普通 CS 相比) |
|---|---|
| 极高的输出电阻 和 极高的电压增益 。 | 输出电压摆幅 (Output Swing) 小。 |
| 极大地消除了输入管 的米勒效应（ 影响），改善了高频特性（见 3.7.3 节）。 | 不适合低电源电压电路。 |
3.6.2 折叠式 Cascode (Folded-Cascode AMP)
【背景故事/优化】 套筒式 Cascode 摆幅太小，不适合作为高要求的运算放大器 (Op-Amp) 的第一级。因此，我们引入了折叠式 Cascode。
- 核心创新 (折叠点)： 通过引入一个额外的直流偏置电流源 (Current Mirror)，将输入管 的漏极电流“折叠”并引入到 PMOS Cascode 结构中**（如图 29/30 所示）**。
- 结构优势：
- 输入与输出的直流电平接近： 输入管 （通常为 NMOS）的源极接地，而 Cascode 级 （通常为 PMOS）的源极接 ，这使得输入和输出的直流工作点可以更容易地设置在靠近中间电源的位置，从而大大提高了输出电压摆幅（这是运算放大器最看重的特性之一）。
- 保留高 和高 的优点。
- 消除米勒效应 (Miller Effect)。 ![[Pic/Pasted image 20251031194612.png]] [图 29/30：此处应为原文中 Folded-Cascode AMP 的结构图]
【折叠式 Cascode 总结 (Slide 36)】
一句话总结： 虽然折叠式 Cascode 的增益 和功耗略逊于套筒式，但它具有更大的输出摆幅和相近的输入/输出直流电平，使其成为 Op-Amp 中最受欢迎的结构。
3.7 放大器的频率特性：速度的极限
【背景故事/为什么会变慢】 无论是 Cascode 还是普通 CS 放大器，其性能都会随着频率升高而下降。
- 本质原因： 主要由 CMOS 元器件内部和布线产生的寄生电容（ 等）决定。在高频下，这些电容不再是开路，它们会存储电荷，限制信号的快速变化，导致：
- 电压增益下降。
- 相位发生滞后或超前（偏离 ）。
- 瞬态响应速度变慢。
3.7.1 知识回顾：传递函数、极点与零点
【核心概念/重点】 系统的频率特性由极点 (Pole) 和零点 (Zero) 决定。
- 传递函数 ： 描述系统输出 与输入 关系的函数。
- 极点 (Pole)： 位于 平面左半平面的极点导致增益在高频下降，并产生相移滞后（最多 ）。
- 零点 (Zero)： 位于 平面左半平面的零点导致增益在高频上升，并产生相移超前（最多 ）。右半平面零点会引起非最小相位，在模拟电路中需要避免。
- 带宽 (Bandwidth)： 通常指增益下降到最大值 （即 ）时的频率 。在多极点系统中，距离原点最近的那个极点 (Dominant Pole) 往往决定了带宽。 ![[Pic/Pasted image 20251031201254.png]] ![[Pic/Pasted image 20251031201301.png]] [图 39-41：此处应为原文中极点/零点对波特图的影响图]
3.7.2 CS 放大器的“速度瓶颈”：米勒效应
【关键技能/核心考点：共源极放大器 (CS AMP) 的瓶颈】
- 结构： 如图 42 所示，CS 放大器的输入端 和输出端 之间存在一个寄生电容 。
- 米勒效应 (Miller Effect)： 由于 ，这个跨接在输入和输出之间的小电容 ，会在输入端等效出一个非常大的电容 。
一句话总结： CS 放大器的电压增益 越大，这个等效电容 就越大。
- 后果： 巨大的 与输入端的等效电阻 形成一个 低通网络，产生一个距离原点很近（频率很低）的极点 ，从而严重限制了 CS 放大器的带宽。
[图 42：此处应为原文中 CS 放大器的小信号等效电路图]
3.7.3 Cascode 放大器的“速度突破”
【核心概念/Cascode 为什么快】
Cascode 放大器在高频性能上的最大优势，正是它能有效抑制米勒效应。
- 隔离作用： 在 Cascode 结构中，输入管 （共源极）的漏极（ 点）不再直接连接到输出 ，而是连接到一个低阻抗点（ 的源极 ）。
- 低增益： 由于 是共栅级，它将 的负载 转换为 的输入电阻 。因此， 这一级的电压增益 变得非常小（接近 1）。
- 米勒效应被抑制： 根据米勒效应公式 ，当 接近 1 时，输入电容 仅被放大了 倍，而不是被总增益 放大。
- 带宽增加： 由于 的输入电容大大减小，决定带宽的主极点 被推向了更高的频率，从而实现了 Cascode 放大器的高带宽特性。
[图 52/53：此处应为原文中 Cascode 放大器的极点估算图]
3.7.4 源极跟随器 (Source Follower) 的频率特性
【知识回顾/连接】 源极跟随器（共漏级 CD）的电压增益 。
- 米勒效应： 由于 ，它跨接在输入和输出之间的 几乎不受米勒效应影响。
- 频率特点 (Slide 50)： 因此，源极跟随器（CD 放大器）的第一个极点 远大于 共源放大器的 ，这使得它的带宽非常宽，具有优异的高频特性。
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