放大是模擬電路的基本功能之一，是運算放大器、功率放大器、低噪聲放大器等模塊的主要功能。本文將討論放大電路的基礎——單級放大器。

根據輸入輸出信號的位置，單級放大器可以分為具有不同特點四大類：共源、共漏（源跟隨器）、共柵以及共源共柵。根據放大器的負載不同，同類的單級放大器也具有不同的特點。

我的想法是寫一篇通俗易懂的文章，對于單級放大器的分析，我想可以從MOS工作條件以及增益的推導兩個方面展開。

一、共源級（Common-Sourse Stage）

共源級放大器將MOS管柵極輸入信號（柵源電壓的變化）轉化成MOS管漏極輸出信號（漏極電流變化），電流變化通過負載從而產生輸出電壓信號。

1.電阻負載的共源級

圖1.1.1 電阻負載的共源級

對于放大電路，我們關心用作放大的MOS是否工作在飽和區。

先考慮工作條件，M1工作在飽和區：Vin不能太小，為了確保M1導通，必須有Vin>VTH；Vin也不能太大，為了確保M1不進入線性區，必須有Vin-VTH

Vin>VTH1

Vin-VTH1out

對于放大電路，增益是我們需要關心的指標。

不做數學推導，我們從物理上理解放大器產生增益的原理：小信號電壓Vin由M1的柵極輸入，由M1的跨導轉化成小信號電流經過負載產生輸出電壓。那我們想知道增益，就只需要知道MOS的跨導以及負載等效電阻。

小信號電流：

Iout=gm1Vin

負載為M1與RD并聯：

Rout=RD||ro1

輸出電壓：

V out =IoutR **out=gm1Vin(RD||ro1) **

那么增益的大小就是：

|Av|=Vout/Vin=gm1(RD||ro1) ****

輸出電流與輸出電壓參考方向不同，輸入與輸出是反相的。

Av=-gm1(RD||ro1) ****

2.二極管連接型器件作為負載的共源級

圖1.2.1 二極管連接型器件作為負載的共源級

電阻負載的共源級雖然簡單，但CMOS工藝制作的電阻精確度往往很低，在實際工程中很少用到。而使用CMOS工藝制作一個晶體管是非常簡單的，因此可以用圖1.2.1中的二極管連接型MOS替代電阻作為負載。

考慮工作條件：

若電路能導通，M2作為二極管連接型器件無條件滿足工作在飽和區；M1工作在飽和區需滿足：

Vin>VTH1

** Vin-VTH1outDD -V**TH2

討論增益：

M2的襯底與源極存在電位差，需考慮襯底偏置效應（體效應），利用與推導電阻負載的共源級的方法可以得到二極管連接型器件作為負載的共源級的增益：

Av=-gm1[1/(gm2******+g mb2 ) ||ro1]**********

電阻ro1較大，并聯時可簡化忽略：

** Av=-gm1 **/(g m2 +g mb2 )

這個增益一般很小，兩個MOS的跨導的比值也就是兩個MOS的尺寸的比值，若要實現100倍、1000倍甚至更大的增益，兩個MOS的尺寸之比就會很大。

對于二極管連接型器件作為負載的共源級，拉扎維在第52頁還提出了一個蠻有意思的問題，值得大家去思考一下。

3.電流源負載的共源級

圖1.3.1 電流源負載的共源級

二極管連接型器件作為負載的共源級增益一般做不大，分析到這里，我們已經明白要提高增益的其中一個思路就是提高負載等效電阻，那我們把負各種各樣可以放上去的負載一個一個試一下不就行了嘛！那我們放個工作在飽和區的MOS試試：

考慮工作條件：

很熟悉了，直接寫：

Vin>VTH1，VDD-Vb ** >|VTH2 ** |

** Vin-VTH1out******< VDD-|V b -V DD -V TH2 | ********

討論增益：

負載為M1與M2的并聯，負載等效電阻為：

Rout=ro1||ro2************

增益：

********** Av=-gm1(ro1||ro2******************** ) **************

ro1與ro2與溝道長度調制效應有關，正比于器件的溝道長度，增大L可以進一步提高增益，但代價就是版圖面積增加。

4.線性區MOS負載的共源級

圖1.4.1 線性區MOS負載的共源級

與電流源負載的共源級一樣的電路，不同點在于M2工作在線性區。此時M2為壓控電阻，通過調節Vb實現不同大小的電阻，與電阻負載的共源級沒有本質上的不同。那是不是就可以解決CMOS工藝制作電阻不精確的問題了呢？別高興太早，在模擬集成電路中，實現一個精準的偏置電壓Vb其實并不容易。 外界條件，尤其是溫度對器件的影響很大，而實現一個與溫度無關的偏置電壓需要更加復雜的電路實現 。