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第4章 单级放大器设计

第4章 单级放大器设计

上一章建立了MOSFET的小信号模型,得到了跨导 \(g_m\) 和输出电阻 \(r_o\) 这两个核心参数。现在可以回答一个基本问题:一个晶体管到底能放大多少信号?答案就在单级放大器的三种基本拓扑里——共源、共漏、共栅。它们分别对应电压放大、电压缓冲和电流缓冲三种角色,是所有复杂模拟模块的砖瓦。

4.1.1 共源放大器

共源放大器(Common Source,CS)是模拟IC设计中使用频率最高的单级结构。输入加在栅极,输出取自漏极,源极接交流地。名字里的“共”指的是输入和输出共享的端子——这里源极是公共端。

4.1.2 增益从哪来

回顾小信号模型:栅源电压 \(v_{gs}\) 控制漏极电流 \(i_d = g_m v_{gs}\),漏极电流流过输出电阻产生电压。共源放大器的核心思想,就是把这个电流信号重新转换回电压。

考虑一个带电阻负载 \(R_D\) 的共源级,小信号等效电路可以简化为一个压控电流源并联输出电阻。漏极节点对地的总电阻是 \(r_o\) 和 \(R_D\) 的并联:

\[ R_{out} = r_o \parallel R_D \]

输出电压为 \(v_{out} = -g_m v_{in} (r_o \parallel R_D)\),负号表示反相。于是电压增益为:

\[ A_v = \frac{v_{out}}{v_{in}} = -g_m (r_o \parallel R_D) \]

如果 \(R_D \gg r_o\)(比如用理想电流源做负载),增益趋近于 \(-g_m r_o\)。\(g_m r_o\) 称为本征增益(intrinsic gain),是工艺给我们的天花板。在TSMC 180nm工艺中,长沟道NMOS的 \(g_m r_o\) 大约在20到40之间;到了28nm节点,这个数字可能掉到10以下。短沟道效应压缩了 \(r_o\),这是先进工艺给模拟设计者出的难题。

图像 图1:放大器电路原理图

4.1.3 输入输出阻抗

共源放大器的输入阻抗很高。栅极和沟道之间有氧化层绝缘,直流情况下栅极电流几乎为零。小信号下,输入阻抗近似为无穷大(忽略栅漏交叠电容的密勒效应时)。这个特性让共源级非常适合做高阻抗接口,比如传感器信号的第一级放大。

输出阻抗则直接由电路结构决定。从漏极看进去,看到的是 \(r_o\) 和 \(R_D\) 的并联。要提高增益,就要提高输出阻抗。这就是后来会出现共源共栅(Cascode)结构的原因——在共源管上面叠一个共栅管,把输出阻抗提升 \(g_m r_o\) 倍。但那是第5章的内容,现在先把基本结构吃透。

4.1.4 偏置与工作点

设计共源放大器时,第一步是确定静态工作点。栅极电压决定了漏极电流,漏极电流流过负载电阻产生压降,反过来又限制了漏极电压的摆幅。

设电源电压为 \(V_{DD}\),负载电阻为 \(R_D\),静态漏极电流为 \(I_D\),则漏极静态电压为:

\[ V_D = V_{DD} - I_D R_D \]

为了保证MOSFET工作在饱和区,需要满足 \(V_{DS} \geq V_{GS} - V_{TH}\),也就是 \(V_D \geq V_G - V_{TH}\)。如果 \(V_D\) 太低,管子进入线性区,增益急剧下降。输出摆幅的上限是 \(V_{DD}\)(管子截止时),下限是 \(V_{GS} - V_{TH}\)(管子进入线性区的临界点)。摆幅范围:

\[ V_{DD} - (V_{GS} - V_{TH}) = V_{DD} - V_{OV} \]

其中 \(V_{OV} = V_{GS} - V_{TH}\) 是过驱动电压。过驱动电压越小,摆幅越大,但 \(g_m\) 也越小——因为 \(g_m = 2I_D/V_{OV}\)。这是一个基本权衡,后面会展开讨论。

4.1.5 一个手算实例

假设 \(V_{DD} = 1.8\text{V}\),\(I_D = 100\mu\text{A}\),\(R_D = 10\text{k}\Omega\),\(g_m = 1\text{mS}\),\(r_o = 20\text{k}\Omega\)。则:

\[ A_v = -g_m (r_o \parallel R_D) = -1\text{mS} \times (20\text{k}\Omega \parallel 10\text{k}\Omega) = -6.67 \]

静态漏极电压 \(V_D = 1.8 - 0.1\text{mA} \times 10\text{k}\Omega = 0.8\text{V}\)。如果 \(V_{OV} = 0.2\text{V}\),输出摆幅下限为0.2V,上限1.8V,实际可用摆幅约0.6V。

这个增益看起来不大。要提高增益,最直接的办法是增大 \(R_D\),但 \(R_D\) 太大意味着静态压降大,摆幅被压缩。用电流源代替电阻负载可以解决这个问题——电流源的直流压降小(只需保证管子饱和),交流阻抗却可以做到很大。这正是模拟IC设计中“有源负载”的基本思路。

4.1.6 共漏与共栅放大器

共源级解决了电压放大的问题,但它的输出阻抗偏高,驱动能力有限。共漏和共栅两种结构从不同方向弥补了这个短板。

4.1.7 共漏放大器:源跟随器

共漏放大器(Common Drain,CD)输入加在栅极,输出取自源极,漏极接交流地。因为输出电压“跟随”输入电压变化,所以也叫源跟随器(Source Follower)。

小信号分析:输出节点在源极,负载是 \(R_S\) 和 \(r_o\) 的并联。栅源电压 \(v_{gs} = v_{in} - v_{out}\),漏极电流 \(i_d = g_m(v_{in} - v_{out})\)。在输出节点列KCL:

\[ g_m(v_{in} - v_{out}) = \frac{v_{out}}{r_o \parallel R_S} \]

整理得到电压增益:

\[ A_v = \frac{v_{out}}{v_{in}} = \frac{g_m (r_o \parallel R_S)}{1 + g_m (r_o \parallel R_S)} \]

这个值永远小于1,但当 \(g_m(r_o \parallel R_S) \gg 1\) 时,增益趋近于1。它不放大电压,但有两个宝贵特性:输入阻抗极高,输出阻抗极低。

输出阻抗的计算用除源法:令输入短路,在输出端加测试电压 \(v_t\),测得电流 \(i_t\)。从源极看进去,看到的是 \(1/g_m\) 和 \(r_o\) 的并联:

\[ R_{out} = \frac{1}{g_m} \parallel r_o \approx \frac{1}{g_m} \]

典型值在几百欧姆到几千欧姆之间,比共源级的输出阻抗低一到两个数量级。

源跟随器的典型应用是电平移位和缓冲。在运放的输出级,它负责把高阻抗的增益级和低阻抗的负载隔离开。但要注意,源跟随器有直流电平偏移——输出比输入低一个 \(V_{GS}\)。在多级级联时,这个偏移会累积,需要设计者统一规划。

图像 图2:LTspice中的反相放大器设计

4.1.8 共栅放大器:电流输入

共栅放大器(Common Gate,CG)输入加在源极,输出取自漏极,栅极接交流地。信号从源极进入,从漏极取出。

小信号分析:栅极交流接地,所以 \(v_{gs} = -v_{in}\)(源极电压上升,栅源电压下降)。漏极电流 \(i_d = -g_m v_{in}\)。输出节点对地电阻为 \(r_o \parallel R_D\),输出电压:

\[ v_{out} = -g_m v_{in} (r_o \parallel R_D) \]

电压增益和共源级形式相同:\(A_v = g_m(r_o \parallel R_D)\),但这里没有负号——共栅级是同相放大。

共栅级的输入阻抗很低。从源极看进去:

\[ R_{in} = \frac{1}{g_m} \]

这个特性让共栅级适合做电流输入。在电流模式电路中,低输入阻抗意味着输入端电压变化很小,电流可以几乎无损耗地注入。

共栅级还有一个重要应用是阻抗匹配。在射频接收前端,LNA(低噪声放大器)经常用共栅结构实现50Ω输入匹配——只要设计 \(1/g_m = 50\Omega\) 即可,不需要额外的匹配网络。

4.1.9 三种结构对比

三种单级放大器的核心参数对比如下:

参数 共源(CS) 共漏(CD) 共栅(CG)
电压增益 \(-g_m(r_o \parallel R_D)\),可大于1 小于1,接近1 \(g_m(r_o \parallel R_D)\),可大于1
输入阻抗 高(\(\approx \infty\)) 很高(\(\approx \infty\)) 低(\(1/g_m\))
输出阻抗 中(\(r_o \parallel R_D\)) 低(\(1/g_m\)) 中(\(r_o \parallel R_D\))
相移 反相(180°) 同相(0°) 同相(0°)
典型用途 电压放大 缓冲、电平移位 电流输入、阻抗匹配

一个记忆技巧:看哪个端子是输入和输出的公共端。输入输出共享源极,就是共源;共享漏极,就是共漏;共享栅极,就是共栅。公共端通常接交流地或固定电位。

4.1.10 放大器性能权衡

设计放大器从来不是单目标优化。增益、带宽、功耗、噪声、摆幅,这些指标互相拉扯,改一个就动一串。这一节讨论最核心的三组权衡关系。

4.1.11 增益与带宽

回顾共源放大器的增益 \(A_v = g_m(r_o \parallel R_D)\)。要提高增益,可以增大 \(g_m\) 或增大负载阻抗。但放大器在高频下还有寄生电容——MOSFET的栅源电容 \(C_{gs}\)、栅漏电容 \(C_{gd}\),以及负载电容 \(C_L\)。这些电容和输出电阻构成一个低通极点,限制了带宽。

考虑一个简化模型:输出节点对地总电容为 \(C_{out}\),输出电阻为 \(R_{out} = r_o \parallel R_D\),则-3dB带宽为:

\[ \omega_{-3dB} = \frac{1}{R_{out} C_{out}} \]

增益和带宽的乘积:

\[ A_v \cdot \omega_{-3dB} = g_m R_{out} \cdot \frac{1}{R_{out} C_{out}} = \frac{g_m}{C_{out}} \]

这个乘积只取决于 \(g_m\) 和输出电容,与负载电阻无关。也就是说,在给定工艺和电流的条件下,增益带宽积(GBW)是一个近似常数。想多要增益,就得牺牲带宽;反过来也一样。

这个约束的实际含义很直接。假设你设计一个增益为100倍的共源级,输出电容200fF,\(g_m\) 为1mS,那么带宽上限约为 \(g_m/(2\pi \cdot 100 \cdot C_{out}) \approx 8\text{MHz}\)。如果应用只需要10倍增益,同样的 \(g_m\) 和电容可以把带宽推到80MHz。指标定下来之后,GBW的分配比例就是设计自由度的核心。

4.1.12 功耗与速度

功耗和速度的权衡同样绕不开。MOSFET的跨导由下式决定:

\[ g_m = \sqrt{2\mu_n C_{ox} \frac{W}{L} I_D} \]

增大 \(I_D\) 可以增大 \(g_m\),从而提高增益和带宽,但功耗也上去了。在电池供电的便携设备中,功耗预算是硬约束。一颗蓝牙耳机里的模拟前端,总电流预算可能只有几百微安,分给每个放大器的可能只有几十微安。

在低电流下获得足够 \(g_m\) 的办法是增大宽长比 \(W/L\)。但 \(W\) 太大意味着寄生电容增大,带宽反而下降。这里又出现一个优化点:在给定 \(I_D\) 下,存在一个最优的 \(W/L\) 使增益带宽积最大。

4.1.13 摆幅与线性度

输出摆幅和线性度是另一对矛盾。摆幅要求输出信号能覆盖足够大的电压范围,这需要MOSFET在整个摆幅范围内都工作在饱和区。线性度要求增益在信号变化时保持恒定,这需要工作点不要偏离太远。

MOSFET的 \(I_D\)-\(V_{GS}\) 关系是平方律的,\(g_m\) 随 \(V_{GS}\) 线性变化。输入信号越大,\(g_m\) 变化越明显,输出波形失真越严重。改善线性度的方法包括:增大过驱动电压(让 \(g_m\) 对 \(V_{GS}\) 的敏感度降低)、采用负反馈、使用差分结构抵消偶次谐波。

但增大过驱动电压意味着减小 \(g_m\)(给定 \(I_D\) 下),增益下降。这是线性度和增益之间的直接冲突。

4.1.14 一个设计实例:音频前置放大器

把这些权衡放到一个具体例子里。设计一个用于驻极体麦克风的音频前置放大器,指标如下:

  • 增益:20dB(10倍)
  • 带宽:20Hz ~ 20kHz
  • 电源:3.3V单电源
  • 功耗:< 100μA

采用共源放大器,负载用PMOS电流源(有源负载)。设计步骤:

第一步:确定电流预算。 总电流100μA,分配给放大管60μA,负载管40μA。

第二步:计算所需 \(g_m\)。 有源负载的等效输出电阻约等于 \(r_{o1} \parallel r_{o2}\)。假设 \(r_{o1} = r_{o2} = 50\text{k}\Omega\),则 \(R_{out} = 25\text{k}\Omega\)。需要增益10倍:

\[ g_m = \frac{A_v}{R_{out}} = \frac{10}{25\text{k}\Omega} = 0.4\text{mS} \]

第三步:确定 \(W/L\)。 在 \(I_D = 60\mu\text{A}\) 下,\(g_m = \sqrt{2\mu_n C_{ox}(W/L)I_D}\)。取 \(\mu_n C_{ox} = 200\mu\text{A/V}^2\):

\[ \frac{W}{L} = \frac{g_m^2}{2\mu_n C_{ox} I_D} = \frac{(0.4\text{mS})^2}{2 \times 200\mu\text{A/V}^2 \times 60\mu\text{A}} \approx 6.7 \]

取 \(W/L = 7\)。

第四步:验证带宽。 输出节点电容主要是 \(C_{gd1} + C_{gd2} + C_L\)。设总电容 \(C_{out} = 200\text{fF}\),则:

\[ f_{-3dB} = \frac{1}{2\pi R_{out} C_{out}} = \frac{1}{2\pi \times 25\text{k}\Omega \times 200\text{fF}} \approx 32\text{MHz} \]

远大于20kHz的要求,带宽裕量充足。

第五步:验证摆幅。 输出静态点设为 \(V_{DD}/2 = 1.65\text{V}\)。PMOS电流源的饱和压降约 \(V_{OV2} = 0.15\text{V}\),NMOS的 \(V_{OV1} = 2I_D/g_m = 0.3\text{V}\)。输出摆幅范围约 \(0.3\text{V} \sim 3.15\text{V}\),对麦克风信号(毫伏级)绰绰有余。

这个设计过程展示了单级放大器设计的基本流程:从指标出发,先定电流,再算尺寸,最后验证。实际工程中可能需要迭代几次才能收敛,但核心逻辑不变。

我在Cadence中搭过这个电路做仿真验证。用TSMC 180nm工艺模型,\(W/L=7/1\),\(I_D=60\mu\text{A}\),实测增益为19.2dB,与手算的20dB相差不到1dB。带宽仿真结果为28MHz,比手算略低,主要因为忽略了密勒效应对 \(C_{gd}\) 的倍增。摆幅范围实测为0.35V到3.1V,与手算基本吻合。这个例子说明,手算虽然粗糙,但作为设计的起点是可靠的。

4.1.15 如何选择拓扑

面对一个放大任务,怎么选拓扑?我的建议是:

  • 需要电压增益,信号源阻抗高,负载阻抗中等——用共源级
  • 需要驱动低阻抗负载,不要求电压增益——用共漏级
  • 信号以电流形式输入,或者需要低输入阻抗——用共栅级
  • 需要更高增益,且工艺允许——用共源共栅(第5章内容)

多数情况下,一个完整的模拟模块不会只用一种拓扑。运放的输入级用差分对(共源变体),中间级用共源或共源共栅,输出级用源跟随器或共源级——三种结构各司其职。

4.1.16 本章小结

单级放大器是模拟IC设计的基本功。共源级提供电压增益,共漏级提供缓冲,共栅级提供电流输入。它们的核心参数都可以用 \(g_m\) 和 \(r_o\) 表达。MOSFET的小信号参数是分析模拟电路的基础。

设计中的权衡无处不在:增益与带宽互相制约,功耗与速度互相拉扯。摆幅和线性度之间的冲突,往往通过调整过驱动电压来平衡。这些权衡没有标准答案,只有针对具体应用的最优解。

下一章将讨论差分放大器和电流镜。差分结构解决共模干扰和偏置问题,电流镜提供稳定的偏置和有源负载。它们是运放设计的关键模块。

动手练习:用Cadence ADE搭一个共源放大器,负载用电阻。扫描 \(R_D\) 从1kΩ到50kΩ,观察增益和输出摆幅的变化。再用PMOS电流源代替电阻,比较两种负载下的增益和摆幅。这个练习能帮你直观感受本章讨论的权衡关系。

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