ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

共閘極的輸入、輸出與轉阻

從電路方程到教材結論 · 每步必要近似 · 原圖與講解可追溯

本組繼承 共同模型與假設。「精確」指指定小訊號模型內精確。

共閘級的轉阻、輸入阻抗與有限偏壓電阻

對應:0249–0252、0269、0271。

電流方向與連線

gate 接 AC 地;drain 接 RLR_L,source 接注入訊號電流 iini_{\rm in} 及偏壓源輸出電阻 RBR_B。本節 iini_{\rm in} 定義為注入 source 節點,因此與 0271 的向下電流箭頭相反;比較有號結果時須反號。

vxv_x 是 source 電壓,GL=1/RL, GB=1/RBG_L=1/R_L,\ G_B=1/R_B,不含 body effect:

(GB+gm+go)vxgovo=iin,(G_B+g_m+g_o)v_x-g_ov_o=i_{\rm in}, (gm+go)vx+(GL+go)vo=0.-(g_m+g_o)v_x+(G_L+g_o)v_o=0.

直接解 KCL

Q=1+gmroQ=1+g_mr_o,乘開導納分母後:

AR=voiin=QRBRLRL+ro+QRB,A_R=\frac{v_o}{i_{\rm in}} =\frac{Q R_BR_L}{R_L+r_o+Q R_B}, Rin=vxiin=RB(RL+ro)RL+ro+QRB.R_{\rm in}=\frac{v_x}{i_{\rm in}} =\frac{R_B(R_L+r_o)}{R_L+r_o+Q R_B}.

流入負載的電流比為

iLiin=ARRL=QRBRL+ro+QRB.\frac{i_L}{i_{\rm in}}=\frac{A_R}{R_L} =\frac{Q R_B}{R_L+r_o+Q R_B}.

受控源電流的大小比為 gmRing_mR_{\rm in}。它可能大於 1,但真正輸送到負載的電流比仍由上一式決定;不可混淆受控源內部循環電流與外部負載電流。

漸近區域與教材 RLcR_{Lc}

實際分母的轉折尺度為

Rcrit=ro+QRB.R_{\rm crit}=r_o+Q R_B.

gmro1, gmRB1g_mr_o\gg1,\ g_mR_B\gg1,則

RcritRLc=gmroRB.R_{\rm crit}\simeq R_{Lc}=g_mr_oR_B.
區域 ARA_R RinR_{\rm in} 條件
小負載 RL\simeq R_L 1/gm\simeq1/g_m RLroR_L\ll r_oQRBroQ R_B\gg r_o
中間 RL\simeq R_L RL/(gmro)\simeq R_L/(g_mr_o) roRLQRBr_o\ll R_L\ll Q R_B
大負載 QRB\to Q R_B RB\to R_B RLro+QRBR_L\gg r_o+Q R_B

大負載時,iL/iin0i_L/i_{\rm in}\to0,而內部受控源電流比趨近 gmRBg_mR_B,解釋 0251 圖的兩條不同曲線。

0271:理想輸出電流源負載

RLR_L\to\infty

vx=RBiin,vo=(1+gmro)vx,AR=(1+gmro)RBgmroRB.v_x=R_Bi_{\rm in},\quad v_o=(1+g_mr_o)v_x,\quad A_R=(1+g_mr_o)R_B\simeq g_mr_oR_B.

若採原圖向下的 iini_{\rm in},兩個電壓與 ARA_R 都反號。教材的正值 ARA_R 是大小。

輸出阻抗必須說明是否包含負載

將輸入訊號電流源開路、注入 drain 測試電流,放大器本體阻抗為

Rout,amp=ro+(1+gmro)RB.R_{\rm out,amp}=r_o+(1+g_mr_o)R_B.

若量測端包含外接 RLR_L,則 Rout,loaded=Rout,ampRLR_{\rm out,loaded}=R_{\rm out,amp}\parallel R_L。0269 表中含 RLR_L 卻列很大的 RoutR_{\rm out},是排除外接負載的放大器本體值;必須先講清楚埠定義。

RBR_B\to\inftyRLR_L 有限時:AR=RLA_R=R_LRin=(RL+ro)/(1+gmro)R_{\rm in}=(R_L+r_o)/(1+g_mr_o)。若 RB,RLR_B,R_L 都理想無限,注入非零 DC 小訊號電流沒有有限的靜態解;不能把表格的「—」當成 0。

不用 SFG:二節點矩陣與三個極限已完整解释圖形。符號程式驗證兩個阻抗、轉阻及端點極限。

來源對照

投影片 PDF 頁 書本頁 講解所在 PDF 頁
0249 74 75 74
0250 75 76 75
0251 75 76 75, 76
0252 76 77 76
0269 85 86 85
0271 86 87 86

Spectre 仿真結果

本推導組的代表模型已完成 Spectre 驗證;覆蓋範圍以所列 netlist 為準,未逐一搭建所有投影片電路。

線性 AC 1 · MOS 電路 0 · 極零 0 · 暫態 0:所列檢查全部通過。

案例:common_gate

查看本組波形、模型條件與 CSV → · 仿真 Markdown 解釋

來源投影片與講解定位(6 張)
原書投影片 0249
0249 · PDF 74/書本 75 · 原圖及完整講解
原書投影片 0250
0250 · PDF 75/書本 76 · 原圖及完整講解
原書投影片 0251
0251 · PDF 75/書本 76 · 原圖及完整講解
原書投影片 0252
0252 · PDF 76/書本 77 · 原圖及完整講解
原書投影片 0269
0269 · PDF 85/書本 86 · 原圖及完整講解
原書投影片 0271
0271 · PDF 86/書本 87 · 原圖及完整講解