2.1 五种单级放大器对照：增益摆幅速度的交换

2.1 五种单级放大器：一张对照矩阵走天下

本节摘要：共源、源随器、共栅是三种单管结构，加上堆叠出的共源共栅与对偶出的差分对，构成模拟设计的五种基本放大单元。本节逐个给出信号路径、增益与阻抗公式，解释为什么共源是唯一"既反相又放大电压"的结构、源随器与共栅为什么是缓冲器而不是放大器、共源共栅用什么代价换来gm乘ro倍的输出电阻，最后落在一张五维对照矩阵上。

从第1章的零件库进入电路层，本节处理的问题是：单只MOS管只有栅、漏、源三个端口，信号从哪进、从哪出，一共只有三种非平凡组合——这就是三种基本结构的来历。

一、三种单管结构：端口组合决定身份

共源极：信号从栅进、从漏出，源极交流接地（或接退化电阻）。小信号增益为负的gm乘（ro并RD），反相放大。它是唯一同时具备电压放大与高输入阻抗的结构，承担了模拟电路里绝大部分电压增益。源跟随器：信号从栅进、从源出，漏极接电源。增益约gm除以（gm加gds加负载电导）略小于1、同相，输入阻抗高、输出阻抗约1除以gm极低——它是电压缓冲器，作用是搬运电位、隔离负载，不放大。共栅极：信号从源进、从漏出，栅极接固定偏置。增益约gm乘RD为正，输入阻抗低（约1除以gm）、输出阻抗高，它是电流缓冲器，常与共源串成共源共栅，或用在低噪声第一级降低直接耦合。

三个结构里只有共源"放大电压"，另两个是"阻抗变换"。初学者常见的误区是问"源随器增益都不到1，要它何用"——答案是它把高阻节点变成低阻节点，第4章运放输出级、第6章采样开关的驱动都靠它。类比力学的杠杆：共源是省力杠杆（小电压撬大电压），源随器是等臂杠杆加个万向节（改变施力点的阻抗面貌），共栅则像传动轴上的联轴器（传递功率、隔离扭振）。

二、源极退化：共源的连续变形

共源的源极不接地而串一个电阻RS时，增益变成负的gm除以（1加gm乘RS）再乘总负载——增益变小但线性度变好，这正是"退化"的含义：用增益换线性。极端情况下增益趋近负的RD除以RS，只取决于电阻比，跨导波动被负反馈对消。这个变形结构在第5章比较器的迟滞网络与第7章DAC的输出级反复出现，它的本质是第3章反馈理论的本地预演：源极电阻构成单管负反馈，牺牲增益换取增益稳定度、线性度与带宽。

三、共源共栅：用电压余量买输出电阻

把共栅叠在共源头顶：下面的共源管做跨导，上面的共栅管做屏蔽。从输出节点往下看，输出电阻被抬到约gm2乘ro2乘ro1——放大了约gm乘ro倍（几十倍）。物理图像：输出电压变化本会直接拉扯共源管的漏极、经其ro引起电流变化；现在这个变化先被共栅管的ro2 attenuate，再作用到共源管，电流变化缩小gm2乘ro2倍。增益同样乘上这个因子，共源共栅单级轻松做到几千倍增益。

代价同样清晰。第一是电压余量：输出摆幅从"电源减两个过驱动"缩到"电源减四个过驱动"（多出共栅管及其电流源各一个过驱动），1.8伏工艺下摆幅可能只剩1伏上下。第二是极点多了一个，频率补偿更讲究（第3章）。第三是堆叠管受体效应影响，阈值抬升。宽摆幅共源共栅与套筒、折叠两种变体在4.2节展开，本节先记住交换关系。

图：五种单级放大器对照矩阵

四、数值演练：同一种工艺下比一比

用1.2节的0.18微米参数（gm取1.5毫西、ro取38千欧）把四种结构算实。共源带电阻负载RD等于10千欧：增益约1.5毫西乘10千欧与38千欧的并联，约10.9倍，即约21分贝；输出摆幅约1.8伏减去过驱动与RD上直流压降的约束。共源带电流源负载：负载ro也进并联，增益约1.5毫西乘19千欧约29倍。共源共栅：输出电阻抬到约1.5毫西乘38千欧乘38千欧约2.2兆欧，与同量级共源共栅电流源负载并联后，增益做到1.5毫西乘1.1兆欧约1650倍，即约64分贝。源跟随器带1千欧外加负载：增益约1.5除以（1.5加1加0.03）约0.59——负载太重时跟随器也跟不动，这正是运放输出级要class AB的原因之一。

这张数值表印证对照矩阵的结论：单级电阻负载二十几分贝、电流源负载三十分贝、共源共栅六十几分贝——每上一个台阶都在摆幅或余量上付了账。

⚠️ 常见坑：把共源级的负载电容直接当带宽算。共源的栅漏电容Cgd被密勒效应放大（1加增益）倍折算到输入（第3章展开），100飞法的Cgd在30倍增益下等效3皮法，输入极点位置比 naive 估算糟一个数量级。高频信号路径上应优先考虑共栅或共源共栅来抑制密勒乘数。

本节要点回顾

• 端口决定身份：栅入漏出是放大、栅入源出是电压缓冲、源入漏出是电流缓冲，三种组合对应三种角色
• 只有共源反相放大电压，源随器增益略小于1但输出阻抗降到1除gm，共栅无密勒效应适合高频
• 源极退化用增益换线性与稳定度，是反馈理论的单管预演
• 共源共栅输出电阻抬约gm乘ro倍、单级增益可达60分贝以上，代价是摆幅扣四个过驱动
• 数值锚点：0.18微米参数下电阻负载约21分贝、电流源负载约29分贝、共源共栅约64分贝
• 选型口诀：要增益找共源共栅、要驱动找源随器、要隔离找共栅、要抗共模找差分对

延伸：把对照矩阵用在级联规划上

单级对照矩阵更大的价值在级联规划。一个信号链的增益要拆到几级、每级用什么结构，完全可以从矩阵推导：第一级优先差分对（抗共模噪声、噪声性能由输入管主导），第二级若要增益选共源共栅、要驱动能力选带电流源负载的共源加输出缓冲，级间用源随器做阻抗匹配时要想清楚它白白吃掉一个过驱动的摆幅。规划时把每级的增益、摆幅、极点三项列成接力表：前级的输出摆幅是后级的输入共模范围，摆幅预算在接力表里逐级扣减，任何一级接不上就回头改拆分方案。这份接力表也是第4章运放内部两级分工的原型。

另一条容易被忽略的选型线索是噪声与线性度的位置敏感度。第一级决定整链噪声（后级噪声除以前级增益），所以输入级要选跨导大、面积大的配置；末级决定线性度（摆幅最大、失真最严重），所以输出级宁可牺牲增益也要保摆幅与线性——class AB结构的动机正在于此。中间级承上启下，选共源共栅把增益顶上去。位置决定性格，这个原则与五种结构矩阵叠加，几乎能机械化地推出常见系统的骨架，剩下的才是真正需要巧思的细节。

• 补一条级联原则：噪声看第一级、线性看末级、增益堆中间