🔬 第三章：单级放大器的设计与哲学 (上)
🚀 引言：设计高性能放大器的基石
在现代集成电路设计中，放大器是所有模拟系统的核心“发动机”。本章将深入探讨最基础也是最重要的构建模块：单级放大器。
我们的目标不是简单地记住公式，而是理解：面对不同的工程需求（如高增益、低功耗、大带宽、高线性度），我们如何选择和优化最合适的单级结构。
📌 3.0 单级放大器的设计哲学与分析流程
一个优秀的单级放大器，必须在多个相互制约的性能指标之间找到最佳的平衡点，这被称为设计折衷 (Trade-off)。
3.0.1 放大器的八大特性：我们追求什么？【核心概念/重点】
当我们评价一个放大器时，通常关注以下几个关键指标（源自原文 Slide 3）：如何记忆
| 特性指标 | 物理意义 | 关键影响因素 |
|---|---|---|
| 直流或低频增益 () | 信号被放大的程度。 | 晶体管跨导 () 和输出电阻 ()。 |
| 频率特性 (带宽) | 放大器能有效工作的频率范围。 | 寄生电容 (Cgs, Cgd) 和等效输出电阻。 |
| 动态响应速度 (SR, Settling time) | 响应输入信号大变化的速度。 | 偏置电流 () 和负载电容 ()。 |
| 功耗与电源电压 | 芯片消耗的功率和工作电压范围。 | 偏置电流 () 和设计工艺。 |
| 输入/输出电压摆幅 | 信号不失真放大的电压范围。 | 直流偏置点和电源电压 ()。 |
| 输入/输出电阻 () | 决定信号源是否被加载，及驱动负载的能力。 | 放大器结构。 |
| 信噪比 (S/N) | 输出信号强度与噪声水平的比值。 | 偏置电流和器件尺寸。 |
一句话总结： 提高增益通常会牺牲带宽和速度；降低功耗会牺牲速度和噪声性能。设计，就是一场权衡的艺术。
3.0.2 结构化分析流程：如何驯服放大器？【关键技能/核心考点】
无论面对哪种放大器结构，我们都将遵循一个固定的分析流程（源自原文 Slide 4），确保设计是系统且严谨的：具体解释
- 电路结构及工作原理, 直流偏置： 确定晶体管的工作区（通常是饱和区）。
- 大信号特性分析： 确定输入电压范围和最大不失真输出电压摆幅。
- 小信号特性分析： 计算电压放大倍数 ()、输入/输出电阻 ()。
- 频率特性分析： 计算带宽、相位裕度、动态特性。
- 其它特性分析： 功耗、噪声、优缺点。
💡 3.1 电流镜：模拟电路的“定海神针”
【背景故事/为什么需要它？】
在模拟电路中，提供稳定且精确可控的直流偏置电流是至关重要的。晶体管的性能（如跨导 ）与其漏极电流 () 密切相关。如果 随着温度、电源电压或工艺批次（PVT）的变化而漂移，那么放大器的性能也将无法保证。
我们需要一个“电流拷贝机”，它能根据一个高精度的参考电流 ()，复制出所需的输出电流 ，并且这个复制过程对环境变化免疫。电流镜 (Current Mirror) 正是为了解决这个痛点而生的。
3.1.1 基本电流镜的工作原理
1. 结构与偏置
基本 NMOS 电流镜由两个晶体管 和 构成，它们共享栅极电压 。
- （参考管）被设计成二极管连接（栅极和漏极短接），这强制其始终工作在饱和区。
- （输出管）的栅极与 共享 。 ![[Pic/Pasted image 20251114235843.png]]
[图 3.1：此处应为原文 Slide 6 (a) 或 (b) 所示的基本电流镜电路图]
关键点： 的二极管连接保证了 。由于 ，只要 处于工作状态（），则必然有 ，即 始终处于饱和区（原文 Slide 6）。
2. 理想电流复制
如果假设 和 完美匹配 () 且都工作在饱和区，并且忽略沟道长度调制效应（理想情况），则：
由于 ，我们得到：
物理意义： 输出电流 仅由器件的尺寸比 () 决定，从而实现了精确的电流复制，与 、温度等变化无关（原文 Slide 6）。
3.1.2 现实的挑战：电流镜的误差与改进【关键技能/核心考点】
理想很丰满，现实很骨感。实际的电流镜存在误差，主要由以下因素引起：
1. 沟道长度调制 () 引起的误差
当 的漏源电压 与 的 不相等时（通常 ），沟道长度调制效应（Channel Length Modulation, ) 导致 偏离理想值。
由于 ，输出电流出现偏差。 越大，电流误差越大（原文 Slide 7）。
改进措施：
- 使用长沟道管： 与 近似成反比 ()。使用 较大的管子（通常 ），可以有效减小 ，提高精度。
- 使用共源共栅电流镜： 这种结构可以强制 ，并显著提高输出电阻，将在后续章节讨论。
2. 其他制造及工艺误差
- 阈值电压 失配： 栅氧化层厚度或有源区扩散浓度差异导致 不等。
- 尺寸失配： 制造工艺导致的 和 几何尺寸偏差。
- 横向扩散效应： 源/漏区的横向扩散 导致有效栅长 。为了消除由此引起的误差，电流镜中的所有 MOS 管通常应采用相同的栅长 ，而通过改变栅宽 来调节电流比例（原文 Slide 8）。
设计提示： 在版图设计中， 和 必须保持对称且紧密相邻配置，以最小化局部的工艺和温度梯度引起的失配。
3.1.3 电流镜作为有源负载：高阻抗的秘密
电流镜在放大器中的核心应用之一是充当有源负载 (Active Load)。
【为什么需要高输出电阻？】 我们在追求高电压增益时，希望放大器的负载电阻 尽可能大。如果使用无源电阻，电阻值要达到数百 ，将占用巨大的芯片面积。电流镜在小信号分析下，能够提供非常大的输出电阻 ，从而实现高增益，同时占用较小的芯片面积。
1. 输出电阻分析 (NMOS)
对于电流镜的输出管 ，当其工作在饱和区时，其小信号输出电阻 实际上就是其漏源电阻 。
小信号等效电路（ 视为二极管连接，小信号输入 ）：
[图 3.2：此处应为原文 Slide 12 所示的电流镜小信号等效电路图]
由于 ，且 是直流电压（小信号为 0），因此 。 电流镜输出端的小信号电阻 定义为：
物理意义： 理想情况下（忽略 ），，因此电流镜是一个理想恒流源。实际中， 很大，所以电流镜是一个具有很大小信号电阻的恒流源（原文 Slide 11）。这使其成为理想的有源负载。
🔌 3.2 共源极放大器：高增益的“主力引擎”
共源极放大器 (Common-Source, CS Stage) 是最基础也是应用最广泛的 MOS 放大器，它提供电压增益和反相特性。
3.2.1 电阻负载 CS 放大器：原理与局限性
1. 工作原理 (大信号特性)
结构： 源极交流接地（共源），输入信号 加在栅极，输出 取自漏极，负载是无源电阻 。
放大过程 (反相)： 增加 () 增加 增大 上的电压降 降低 。因此是反相放大。 ![[Pic/Pasted image 20251026111025.png]]
[图 3.3：此处应为原文 Slide 14 所示的电阻负载 CS 放大器电路及其负载线分析图]输入-输出特性（大信号）： 描述了 随 变化的曲线（原文 Slide 15）。
- 截止区 (): ， 。
- 饱和区 (): 是电流源，电压随 变化而反相放大。这是放大器的工作区域。
- 线性区 (): 处于线性区，跨导 () 减小，放大能力下降，输出摆幅受限。
2. 小信号特性：增益与阻抗
为了获得不失真的放大，必须将静态偏置电压 设定在曲线的饱和区中心点 Q。
小信号交流等效电路： ![[Pic/Pasted image 20251026111240.png]] [图 3.4：此处应为原文 Slide 17 所示的电阻负载 CS 放大器小信号交流等效电路]
电压增益 ()：
物理意义： 增益是负值（反相），其大小由跨导 和总输出电阻 ( 和 的并联) 决定。
输入/输出电阻：
- 输入电阻 （理想情况下栅极电流为 0）。
- 输出电阻 。
3. 电阻负载的局限性【常见问题/痛点】
电阻负载结构简单，但在集成电路中具有严重缺点（原文 Slide 18）：
- 输出摆幅限制： 为了获得高增益，需要增大 。但较大的 会导致 减小，从而限制输出电压摆幅（容易进入线性区）。
- 占用芯片面积： CMOS 工艺下，实现数百 的电阻需要巨大的芯片面积。
- 静态功耗高： 静态功耗 较大。
结论： 电阻负载 CS 放大器通常只用于低增益、高频（如 RF 电路）的应用中，因为其寄生电容和噪声较小。但在需要高增益的一般模拟电路中，必须使用有源负载。
3.2.2 二极管负载 CS 放大器：有源元件的尝试
【为什么使用它？】 二极管连接的 MOS 管（）在导通时，始终工作在饱和区。在模拟电路中，它常被用来代替电阻作为负载，原因在于其等效直流电阻可以通过 比灵活调整，并且比无源电阻占用面积小得多。
1. MOS 二极管特性
MOS 二极管的小信号等效电阻 () 为：
由于 (二极管连接)，则小信号电阻 为：
物理意义： MOS 二极管的等效小信号电阻大约是 。如果想要较大的电阻，需要较小的 ，即需要**“弱”**的管子（ 小）。
2. 二极管负载 CS 放大器（NMOS 驱动管，PMOS 负载管）
![[Pic/Pasted image 20251026122805.png]] [图 3.5：此处应为原文 Slide 21 所示的 MOS 二极管负载 CS 放大器电路]
电压增益分析：
负载 是 PMOS 二极管连接。驱动管 是 NMOS。两者都工作在饱和区。
- 的跨导为 ，输出电阻为 。
- 作为负载，其等效小信号电阻 。
总增益 为：
若忽略 （即假设 极小）：
物理意义： 增益是两个晶体管跨导之比。想要获得高增益，需要 ，即**“驱动管要强，负载管要弱”**（ 的 比 的 大）。
3. 二极管负载的局限性
虽然解决了芯片面积问题，但其增益通常有限。由于 相比于 来说很小，二极管负载放大器的增益远低于电阻负载（如果 取得很大的话）。因此，需要引入提供更高输出阻抗的负载。
3.2.3 电流镜有源负载 CS 放大器：高增益的实现【核心考点】
【为什么它是主力结构？】 电流镜（如 和 构成的 PMOS 电流镜）作为有源负载时，它提供的是其输出管 的 作为小信号负载电阻。由于 非常大，因此能够实现极高的电压增益。
1. 结构与直流偏置
- NMOS 驱动管 ：输入 加在栅极。
- PMOS 负载 ：构成 PMOS 电流镜，提供恒定直流偏置电流，并作为 的高阻抗交流负载。 ![[Pic/Pasted image 20251026160638.png]]
[图 3.6：此处应为原文 Slide 23 所示的 NMOS 放大管、PMOS 有源负载电路图]
Active Load 的作用（原文 Slide 23）：
- 提供恒定的直流偏置电流。
- 作为放大器的有源负载，提供很大的小信号等效电阻 。
- 消耗较小的电压余度（直流电阻小，交流电阻大）。
2. 小信号增益分析
输出端的总等效电阻 是驱动管 的 和负载管 的 的并联。
电压增益 ()：
物理意义： 增益由驱动管的跨导 乘以总输出电阻 决定。由于 和 都可以很大（通常在几十到数百 ），所以增益 可以非常高（通常在几十到上百）。
3. 大信号摆幅限制【关键技能】
虽然增益很高，但电流镜负载会限制输出电压摆幅 。为了保证 和 都工作在饱和区，输出电压必须满足：
- 下限 (保证 饱和)：
- 上限 (保证 饱和)：
最大不失真摆幅： 由电源电压减去两个管子的过驱动电压之和：
设计提示： 为了最大化摆幅，必须尽量减小 和 。通常将过驱动电压设置为 。在 确定的前提下，增大 可以减小 ，从而增大跨导 和摆幅。
🏃 3.3 共漏极放大器 (源极跟随器)：电压缓冲与低阻驱动
共漏极放大器 (Common-Drain, CD Stage)，更广为人知的名字是源极跟随器 (Source Follower)。
3.3.1 为什么需要源极跟随器？【Why First】
我们知道 CS 放大器能提供高增益，但其输出电阻 也很高 ()。如果 CS 级需要驱动一个低阻抗负载 () 或一个大电容负载 ()，就会出现问题：
- 高 和低 并联，将导致增益 骤降。
- 高 和大 形成大时间常数 ，导致带宽急剧下降。
源极跟随器的作用： 它就像一个“电压缓冲器”或“阻抗匹配器”。它具有极高的输入电阻（不加载前级）和极低的输出电阻（能驱动后级重载），且电压增益接近 1，能够有效地隔离高增益级和低阻抗负载。
3.3.2 电阻负载源极跟随器：体效应的影响
1. 结构与增益
- 结构： 漏极交流接地（共漏），输入 加在栅极，输出 取自源极，负载是电阻 。
![[Pic/Pasted image 20251026163727.png]] [图 3.7：此处应为原文 Slide 36 所示的源极跟随器电路及其小信号模型]
- 体效应 (Body Effect)： 由于源极输出 不接地，其源-衬底电压 。这会导致 变化，并引入一个额外的体跨导 。
2. 小信号增益与输出电阻
电压增益 ()： (使用 作为总负载)
物理意义： 是正值（同相），且略小于 1。因为 的存在，增益无法达到完美的 1。
输出电阻 (): (从 端看进去的等效电阻)
若忽略 且 很大（如用电流镜负载），则输出电阻近似为：
物理意义： 源极跟随器的输出电阻极低，通常只有 的量级（约几百欧姆到几 ）。这表明它有强大的驱动能力。
3.3.3 消除体效应的策略【设计优化】
体效应是 SF 级增益偏离 1 并引入非线性的主要原因。我们需要强制 。
- NMOS 驱动管的解决方案： 使用独立的 -well，并将 -well（衬底/Bulk）连接到源极（Source）。这样 ，体效应消除。但该方法需要双阱工艺，增加了版图和工艺复杂性（原文 Slide 45）。
- PMOS 驱动管的解决方案： PMOS 管的衬底天然是 -well，通常连接到 。在电流镜负载结构中， 和 可由两个分离的独立 -well 实现，从而允许 的衬底连接到源极，消除体效应。这是更常用的消除体效应的方法（原文 Slide 46）。
3.3.4 应用：带宽扩展与隔离【应用提示】
SF 最重要的应用是作为隔离缓冲器：
[图 3.8：此处应为原文 Slide 48 所示的 SF 在 CS 放大器和负载之间作为缓冲器的电路图]
- 隔离低阻抗负载： 插入 SF 后，高增益 CS 级看到的是 SF 级极高的输入电阻，增益不会下降。
- 扩展带宽： 如果 CS 级的输出直接接大负载电容 ，带宽极小。插入 SF 后，其极小的输出电阻 驱动 ，极点频率 大幅提高，从而扩展了系统的带宽。
🛡️ 3.4 共栅极放大器：高频与高输入阻抗的“卫兵”
共栅极放大器 (Common-Gate, CG Stage) 是第三种基本单级结构。
3.4.1 为什么需要共栅极？【Why First】
CG 级的独特之处在于其极低的输入电阻和优异的高频性能。
- 极低的输入电阻： 虽然在电压放大中通常是缺点，但在某些需要电流输入的电路（如 RF 混频器或 Cascode 结构中）中是必要的。
- 高频特性优异： 由于输入端（源极）和输出端（漏极）之间没有栅极电容 的反馈路径，CG 级没有米勒效应 (Miller Effect)，因此其高频特性远优于 CS 级。
3.4.2 电阻负载 CG 放大器：增益与阻抗
1. 结构与增益
- 结构： 栅极交流接地（共栅），输入 加在源极，输出 取自漏极。 ![[Pic/Pasted image 20251026202914.png]]
[图 3.9：此处应为原文 Slide 51 所示的电阻负载 CG 放大器电路]
电压增益 ()：
物理意义： 增益是正值（同相），且大小与 成正比。由于 的存在，CG 级的增益通常略高于 CS 级的增益 。
2. 输入与输出电阻
输入电阻 ():
物理意义： 非常低，与源极跟随器的 处于同一量级。体效应（）进一步减小了 （原文 Slide 59）。
输出电阻 ():
物理意义： 较高，如果 很大，则 。
3.4.3 有源负载 CG 放大器
当 CG 级采用电流镜作为有源负载时，输出电阻 同样由两个 并联决定，可以实现高增益。
![[Pic/Pasted image 20251026210659.png]] [图 3.10：此处应为原文 Slide 54 所示的 NMOS 放大管、PMOS 有源负载 CG 电路图]
核心特点 (原文 Slide 54)： 具有较低的输入电阻，通常与 CS 极串联形成共源共栅电路 (Cascode)，以同时实现高增益、高带宽和高输出电阻。
📊 3.5 性能总结与结构选择
最后，我们通过一张表格总结三种基本单级放大器的核心性能指标（原文 Slide 62），以指导设计选择。
| 性能指标 | 共源放大器 (CS) | 共漏放大器 (CD/SF) | 共栅放大器 (CG) |
|---|---|---|---|
| 低频电压增益 () | 高 (反相) | 低 (，同相) | 高 (同相) |
| 高频带宽 | 小 (米勒效应) | 大 | 中等 |
| 输入电阻 () | 高 () | 高 () | 低 () |
| 输出电阻 () | 高 () | 低 () | 高 () |
| 主要应用 | 主力高增益级 | 电压缓冲、低阻驱动、带宽扩展 | Cascode、射频输入、电流缓冲 |
| ![[Pic/Pasted image 20251026212437.png]] |
设计选择原则：
- 需要最高增益：CS 级 (电流镜负载)。
- 需要低输出阻抗或驱动重载：CD 级 (源极跟随器)。
- 需要消除米勒效应或低输入阻抗：CG 级 (常作为 Cascode 结构的一部分)。
Xyea