单级与共源放大器：原理、偏置与电路分析

本文主要介绍了单级放大器和共源放大器的相关概念，特别是直流偏置和分压电路在单级放大器中的应用。同时，提到了共源、共栅和共源共栅放大级的基本特性。 单级放大器是集成电路设计中的基本单元，它通常由一个晶体管构成，用于放大微弱的输入信号。直流偏置是单级放大器工作正常的关键，它确保晶体管工作在适当的区域，以提供线性放大。分压电路是实现直流偏置的常见方法，可以通过电阻或有源二极管分压来设定晶体管的工作电压。 1. 分压电路： - 电阻分压：通过两个串联的电阻R1和R2，将电源电压VDD分成两部分，为晶体管提供偏置电压。电阻值的大小直接影响电流Iout，电阻越小，电流越大，晶体管的面积相应减小；反之，电流越小，晶体管面积增大。输出电压Vo受电阻相对值影响，且会因Vdd的变化而变化。在某些情况下，Vgs-Vth接近阈值时，输出电流的精度可能受到工艺变化的影响。 - 二极管分压：当需要较大电阻值但又受限于面积时，可以使用MOS管作为有源电阻。由于MOS管的栅源短接，它始终工作在饱和区，可以模拟分压电阻，但其动态特性比纯电阻更好。 2. 共源放大级：这是一种常见的单级放大器配置，其中晶体管的源极接地，漏极作为输出，栅极接收输入信号。共源放大级具有较高的电压增益，适用于电压放大。 3. 源跟随器：又称共源极放大器，源极连接到输出端，栅极连接到输入端。它有高的输入阻抗和低的输出阻抗，因此常用于缓冲器或电压跟随器。 4. 共栅放大级：在这种配置中，栅极连接到输入，源极接地，漏极作为输出。共栅级有高的电流增益，但电压增益较低。 5. 共源共栅放大级：结合了共源和共栅的优点，既能提供一定的电压增益，又能增加电流增益，适合处理较大范围的输入信号。 在实际应用中，如二极管分压电路的例子，可以使用PMOS和NMOS管进行体效应消除，提高电路的稳定性和性能。计算和设计这些电路时，需要考虑晶体管的阈值电压（Vth）、长度（L）和宽度（W），以及电路的电流增益（gm）等因素，以满足特定的电压和电流需求。 单级放大器和共源放大器是模拟电路设计的基础，理解并熟练掌握它们的工作原理和设计方法，对于理解和设计更复杂的集成电路至关重要。