共漏極放大器介紹：小信號行為
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共漏極放大器是一種單級配置，它使用柵極作為其輸入，源極作為其輸出。本文將介紹其小信號特性。
共漏極放大器有時(shí)也稱(chēng)為源極跟隨器，由于其低輸出阻抗和高輸入阻抗，在CMOS設計中非常有用。本系列的前一篇文章討論了源極跟隨器的大信號工作原理。在本文中，我們將分析以下小信號特性：
信號增益小。
輸出電阻。
頻率響應。
圖1顯示了我們將要檢查的電路。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，它與我們在上一篇文章開(kāi)頭介紹的電路相同。這是共漏極放大器的最基本版本；與現實(shí)世界的實(shí)現不同，它使用理想的電流源。
前一篇文章中的基本共漏極放大器。
圖1 基本共漏極放大器配置。
漏極連接到VDD，因為放大器使用NMOS晶體管。如果晶體管是PMOS，則漏極將連接到地。
小信號增益
上述電路的小信號模型如圖2所示。讓我們用它來(lái)求解傳遞函數。
圖1中共漏極放大器的小信號模型。
圖2:圖1中共漏極放大器的小信號模型。
根據基爾霍夫電流定律，輸出節點(diǎn)處所有電流的總和等于零。對于圖2，這意味著(zhù)：
方程式1。
在這個(gè)模型中，vgs = vin – vout and vbs = –vout。記住這一點(diǎn)，我們可以從圖2中得出i1、i2和i3的值：
方程式2。
方程式3。
方程式4。
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ro是晶體管的輸出電阻
gm是跨導
gmb是體效應跨導。
因為共漏極放大器的源極不接地，所以體效應始終存在。將這些電流值代入方程1，我們得到：
方程式5。
收集術(shù)語(yǔ)的結果如下：
方程式6。
使用方程式6和增益公式 Av = voutvinAv = voutvin Av = voutvinAv = voutvin
我們現在可以求解小信號增益：
方程式7。
由此，我們確認了在大信號分析中看到的情況——源極跟隨器充當電壓緩沖器。盡管由于體效應，增益永遠不會(huì )精確為1，但它可以非常接近1。
既然我們已經(jīng)計算出了小信號增益，那么讓我們來(lái)檢查共漏極放大器的電阻。
輸出電阻
由于放大器的輸入端是晶體管的柵極，因此輸入電阻為無(wú)窮大。本節將不再進(jìn)一步考慮。為了找到輸出電阻，我們將測試電壓（vt）連接到輸出節點(diǎn)，并在放大器輸入接地的情況下計算從中流出的電流（it）。圖3顯示了我們的測試設置。
用于尋找共漏極放大器輸出電阻的測試設置。
圖3. 用于找到圖1中共漏極放大器的輸出電阻的測試設置。
根據此圖，并認識到vgs = –vt和vbs = –vt，我們發(fā)現測試電流為：
方程式8。
輸出電阻等于測試電壓除以測試電流(Rout = vtitRout = vtit)
因此我們有：
方程式9。
這些方程說(shuō)明了源極跟隨器的輸出電阻非常低，具有吸引力。其近似值為 1gm1gm
比晶體管輸出電阻（ro）小很多，這表明放大器能夠將高阻抗增益級與其輸出負載隔離開(kāi)來(lái)。
頻率響應
最后，讓我們使用圖4中的電路和小信號模型來(lái)研究共漏極放大器的頻率響應。請注意，這次我們忽略了體效應和溝道長(cháng)度調制。
共漏極放大器電路原理圖和對應的小信號模型。
圖4. 用于頻率計算的共漏極放大器（左）和相應的小信號模型（右）。
如果我們計算上述小信號模型的傳遞函數，我們得到：
方程式10。
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CGS是柵極到源極電容
CGD是柵極到漏極電容
CL是負載電容
RS是源電阻
s 是復數頻率。
從等式10中可以看出，源極跟隨器在左半平面有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。這是由于柵極到源極電容在高頻下使輸入和輸出節點(diǎn)短路造成的。
輸入和輸出阻抗（分別為Zin和Zout）也可以告訴我們一些關(guān)于該放大器頻率響應的有趣信息。為了計算Zin，我們將使用圖5中的電路。
用于查找輸入阻抗的源跟隨器測試設置。
圖5. 用于查找輸入阻抗的源極跟隨器測試設置。
如果我們忽略體效應，則輸入阻抗為無(wú)窮大。如果我們不忽略體效應，則得到：
方程式11。
當最后兩個(gè)項相乘時(shí)，分母中會(huì )出現s2。這意味著(zhù)輸入阻抗在某些頻率下可能為負。負阻抗可能導致系統不穩定，使得源極跟隨器在振蕩器設計中非常有用。
為了找到Zout，我們在圖4的輸出端添加一個(gè)測試電壓源，并測量其輸出電流。當我們將測試電壓除以輸出電流時(shí)，我們得到：
方程式12。
從這個(gè)方程中，我們可以觀(guān)察到共漏極放大器的頻率響應：
在低頻時(shí)，Zout = 1/gm。
在高頻時(shí)，Zout = RS。
如果RS > 1/gm，輸出阻抗隨頻率增加而增加。
這種行為類(lèi)似于電感器，使得源極跟隨器在高頻率應用中作為電感器的替代品具有重要價(jià)值。
總結
理解電路的小信號操作非常重要，特別是在設計模擬集成電路時(shí)。在小信號分析中，我們通過(guò)關(guān)注在定義的偏置條件下的操作來(lái)忽略晶體管的非線(xiàn)性、大信號行為。
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