模拟CMOS集成电路放大器总结（1）

对于模拟CMOS集成电路的分析和设计而言，放大器应用于许许多多的电路，因此放大器的设计和分析必不可少，而对于以MOS管为主的集成电路中，最基础的单级放大器主要以共源级放大电路，共源共栅级放大电路，以及源级跟随器等为主，那么我将通过对拉扎维模拟CMOS集成电路的理解，将放大电路通过一系列文章进行分析以及总结。
今天的文章主要主要来分析和总结共源级放大电路，共源级放大电（Common Source stage Amplifier）是各种放大电路基础，许多的放大电路是通过共源级放大电路改编而来的，对于共源级放大电路，主要有下列几种电路，采用电阻负载的共源级，采用电流源负载的共源级，采用二极管连接的负载的共源级，还有采用源级负反馈的共源级结构，今天的文章先分析两种，在接下来的文章中会继续分析其余两种结构。
在分析之前，还要说明一下，对于放大器的分析方法，主要是通过小信号模型对增益，输入输出阻抗等性能的分析，同时对于电路的分析，主要集中在对小信号进行分析，在分析过程中考虑沟道长度调制的影响。
话不多说，我们首先来分析一下带电阻负载的共源放大器：
带电阻结构的共源放大器在电路结构中最为基础，其主要结构如下图：

对于该放大器，在漏极和VDD之间通过电阻连接，从而构成了带电阻负载的共源级放大电路，而对于此电路，假设合理设置偏置，使得负载处在饱和状态，则此时对于该电路的小信号动态分析时， 将VDD作为交流地，做出小信号模型有：

显然对于此时分析：
1.输入电压 ：Vin = V1
2.输出电压 ：Vout = -gmV1(ro||Rd) = -gmVin(ro||Rd)
因此最终得到增益Av = Vout/Vin = -gm*(ro||Rd)
3.输入阻抗：在求输入阻抗的时候，显然由小信号图可以得到，由于栅极和漏极及源级之间存在一层绝缘的氧化层，因此，对于此电路的输入端而言，其实相当于开路，因此该电路的输入阻抗为无穷。
4.输出阻抗：在求输出阻抗的时候，不妨将电路结构中独立源置零，此时电路结构将栅级直接接地，此时显然V1=0，则gmV1=0，最终得到输出阻抗Rout有 : Rout = ro||Rd
显然在这种情况下得到的电压增益并不高，假设沟道长度调制较小，因此增益可以近似等于gmRd,此时如果想要增大增益，就需要增加电阻Rd的值或者增加gm，但是对于放大器而言，如若要增大增益，就要增大电阻Rd的值，但是对于电路结构而言，要保证MOS管处在饱和状态,现在假设管子处在饱和状态，则需要满足：
Vds>Vgs-Vth
Vds = VDD - IdRd
因此由上述两条式子可以得到，Rd存在一定的范围，即Rd<(VDD-Vgs+Vth)/Id
随着Rd的不断增大，因此可以得到最大的增益为gm(VDD-Vgs+Vth)/Id,显然这对于集成电路而言是远远不够的，而对于增加gm而言，我们知道：
gm = √unCox*(W/L)*Id
此时通过增大MOS管的宽长比W/L来增大电路的跨导，但是，随着宽长比的增大，gm存在上限值，即Id/1.5Vt (Vt为热电势，在常温下为常数)，因此，想要得到大的增益，显然该结构是得不到的，因此，为了得到高增益，寻找一种阻抗高从而可以取代电阻同时又能保证电路导通的原件变得重要，在实际电路中，我们运用理想电流源充当这种角色，理想电流源的运用使得电路满足上述条件，从而得到高增益，那么具体电路怎么实现的呢，在下次的文章中，将分析理想电流源为负载的共源级放大电路的实现，性能分析，以及其优缺点。作为写博客的新手，可能在文章中存在纰漏和解释不清的地方，欢迎大家提出改正讨论。