一个基本的共源电路

学习razavi的书籍以及视频，给人感觉，就是每一个电路都不是平白无故来的，其产生都是因为有需求。

一个基本的共源电路，如下图所示。共源电路的定义为输入在栅极，输出在漏极。

如果考虑沟道调制效应，并假设其工作在饱和区，则其等效小信号模型如下图所示。

gmV1+Vout/r0+Vout/RD=0

Vout/Vin=-gm(r0//RD)

也就是说，上图中的电压增益为：

Av=-gm(r0//RD)

因为r0//RD

从上面的公式可知，想要提高电压的增益，则可以从三个方面入手：

(1) 增加RD

(2) 增加r0

(3) 增加gm

先说，增加RD。从上面的共源电路可知，如果RD增加，同时保持ID不变的话，那VDS必定下降，则可能会使管子从饱和区进入到线性区。所以想要靠增加RD来提高电压增益的话，空间有限。

但是，有没有办法，让RD趋向于无穷大呢?或者说，在小信号等效模型时，等效于无穷大。

回想一下，恒流源的小信号等效模型，发现其等效模型为开路，即等效于无穷大。

所以，如果用恒流源来替代电阻RD的话，应该就能实现刚才提出的愿望。因为此时：

(1) 直流偏置下，可以提供稳定的偏置电流

(2) 小信号模型下，开路，即等效于RD趋向于无穷大。

此时 ，Av=-gm*r0。

这个电压增益称为MOS管的intrinsic gain，即MOS的固有增益，是管子能达到的最大增益。

但是怎么能实现这个电流源呢?

再回想一下，当MOS管工作在饱和区时，其漏极和源极之间，就是一个受控电流源，而且此受控电流源接近于恒流源。

所以，可以尝试用这个受控电流源来实现上面要求。

不过，NMOS和PMOS实现的电流源有一定的局限性，即NMOS实现的电流源只能是从任意结点流向地，而PMOS实现的电流源只能是从电流源流向任意结点。他们都无法实现从任意结点流向另一个任意结点的电流源。

有了电流源的实现方法，就有了下面的电路。

这个电路有个名称，叫做common-source stage with current source load，翻译过来就是具有电流源负载的共源极电路。因为ro1和ro2一般都比较大，所以放大器的增益肉眼可见的提高了。

由上图可知，其电压增益正比于gm，gm的其中一个表达式，如下图所示。公式中的因素的变化，都会引起gm的变化，进而引起增益的变化。

比如说:

(1)电子和空穴的迁移率都和温度相关

(2) 供电电压的变化也会反应到ID上

(3)加工误差，比如不同wafer之间的迁移率和开启电压都会有所差别

(4)信号幅度，小信号模型是基于信号很小的情况下，如果信号幅度比较大，那么不同幅度下对应的ID不一样，会导致gain不一样

设计电路时，需要减弱这些不良影响.

而以下构建的电路，则可以减小这些因素的影响。

这个构建电路的基础，就是diode-connected MOS.

如果用上述电路来代替负载电阻RD的话，会起到想不到的结果。

可以看到，如果使用diode-connected MOS管来代替负载电阻RD的话，最后得出的增益，只与管子本身的尺寸相关，与电子迁移率啊，电流ID的大小啊，都没有关系了，大大增加了鲁棒性。

一个基本的共源极电路，想提高它的增益，发现如果增加RD的值，会导致管子的工作状态从饱和区进入线性区;

转换思路，用恒流源太替代RD，这样保证偏置和无穷大电阻共存;接着用MOS管来实现恒流源;

发现增益，受环境影响太大，就用diode-connected MOS来替代RD，使得其增益只和管子的尺寸相关。

审核编辑：汤梓红