MOS管和BJT的三种基本放大组态是一一对应的只是名称不同。BJT 组态MOS 管对应组态特点以MOS为例共射 (CE)共源 (CS)输入电阻高栅极电压增益大输出与输入反相最常用。共集 (CC)共漏 (CD) / 源极跟随器电压增益 ≈1输入电阻极高输出电阻低同相用作缓冲器。共基 (CB)共栅 (CG)输入电阻低电压增益大输出与输入同相频率特性好。1. 共源CS类似共射结构输入信号加在栅极G输出取自漏极D源极S交流接地或接电阻到地。特点电压增益 Av≈−gm⋅(RD∥ro)反相。输入电阻极高栅极几乎不取电流。输出电阻中等约 RD∥ro。用途用作电压放大级是MOS管放大器中最常用的组态。2. 共漏CD源极跟随器类似共集结构输入信号加在栅极G输出取自源极S漏极D交流接地通常接电源。特点电压增益 Av≈1略小于1同相。输入电阻极高。输出电阻很小约 1/gm。用途用作缓冲器、阻抗变换器高输入、低输出。3. 共栅CG类似共基结构输入信号加在源极S输出取自漏极D栅极G交流接地。特点电压增益 Av≈gm⋅(RD∥ro)同相源极输入漏极输出。输入电阻很低约 1/gm。输出电阻中等。频率特性好无米勒效应。用途高频放大、电流缓冲、低输入阻抗级。对比总结表组态MOS管BJT电压增益输入阻抗输出阻抗相位共源CSCE大高中反相共漏CDCC≈1极高低同相共栅CGCB大低中同相结论MOS管同样具有共源、共漏、共栅三种基本组态分别对应BJT的共射、共集、共基。它们的使用场景和性能特点也高度相似。掌握了BJT的组态分析迁移到MOS管非常容易MOS管以增强型NMOS为例PMOS只需反转电源极性的三种基本放大组态——共源CS、共漏CD又称源极跟随器、共栅CG与BJT的共射、共集、共基一一对应。下面从判断方法、电路组成、性能特点、典型用途四个方面详细对比。一、如何判断组态判断法则在交流通路中哪个电极栅极G、源极S、漏极D作为输入和输出的公共参考点通常交流接地就是哪种组态。共源CS源极S交流接地 → 输入加在栅极G输出取自漏极D。共漏CD漏极D交流接地 → 输入加在栅极G输出取自源极S。共栅CG栅极G交流接地 → 输入加在源极S输出取自漏极D。二、各组的典型电路与组成1. 共源放大电路CS电路组成电源VDD偏置栅极分压电阻 RG1、RG2 设定静态栅压NMOS需 VGSVth漏极负载电阻 RD源极电阻 RS可选用于稳定工作点旁路电容 CS 可消除交流负反馈输入耦合电容 Cin输出耦合电容 Cout交流通路源极接地或通过大电容接地输入 vgs 加在栅极输出 vds 取自漏极。关键指标电压增益 Av≈−gm(RD∥ro) 负号表示反相输入电阻 Rin≈RG1∥RG2极高可达MΩ级输出电阻 Rout≈RD∥ro中等kΩ级用途通用电压放大级如传感器前置放大、音频前置放大。2. 共漏放大电路CD源极跟随器电路组成电源 VDD栅极分压偏置 RG1、RG2源极电阻 RS输出负载或外接负载 RLRL 与 RSRS 并联漏极直接接 VDD交流接地输入耦合电容 Cin输出取自源极交流通路漏极交流接地输入加在栅极输出取自源极。关键指标电压增益 Av≈1gm(RS∥ro)gm(RS∥ro)≈1略小于1同相输入电阻Rin≈RG1∥RG2极高输出电阻Rout≈gm1∥RS很低典型几十到几百Ω用途缓冲级、阻抗变换高输入阻抗→低输出阻抗、电压跟随器、驱动低阻抗负载。3. 共栅放大电路CG电路组成电源 VDD栅极电压固定交流接地通常由分压电阻或稳压电路提供直流偏置 VG源极输入端信号通过 Cin 加到源极源极电阻 RSRS 提供偏置回路漏极负载电阻 RD输出取自漏极交流通路栅极交流接地输入加在源极输出取自漏极。关键指标电压增益 Av≈gm(RD∥ro)同相正值输入电阻Rin≈gm1很低典型几十到几百Ω输出电阻 Rout≈RD∥ro中等优点无米勒效应因为栅极接地隔离了输入输出电容频率特性极好带宽很宽。用途高频宽带放大器、射频前端、电缆驱动、低输入阻抗的电流缓冲器。三、与BJT组态的对照表组态MOS管BJT增益输入阻抗输出阻抗相位频率特性共源CSCE高高中反相较差米勒共漏CDCC≈1极高低同相好共栅CGCB高低高同相很好无米勒四、实际应用选择指南需要高输入阻抗、中等电压增益、单级放大→ 选共源CS。需要极高的输入阻抗、低输出阻抗、缓冲隔离→ 选共漏CD源极跟随器。需要高频宽带放大、低输入阻抗如匹配50Ω同轴电缆→ 选共栅CG。五、举例如何判断一个具体电路假设看到一个MOS管电路信号从栅极输入漏极输出源极接一个电容到地 →共源。信号从栅极输入源极输出漏极接电源 →共漏。信号从源极输入漏极输出栅极接一个固定偏置电压交流旁路电容接地 →共栅。判断的关键在交流等效图中找出输入、输出、公共端交流接地端。一句话总结MOS管的共源、共漏、共栅组态与BJT的共射、共集、共基完全类比掌握了判断方法和性能特点就能灵活设计各种放大器级。初学者建议从共源开始实践再扩展到共漏和共栅。三种组态共源、共漏、共栅本身的结构、判断方法和用途在耗尽型和增强型MOS管之间是一样的。唯一的区别在于偏置条件因为耗尽型零栅压时已经导通增强型需要正向栅压才能导通但组态的归类不受影响。下面详细说明。1. 耗尽型与增强型的主要区别项目增强型 NMOS耗尽型 NMOS零栅压 (VGS0VGS0)截止无沟道导通已有沟道阈值电压 VthVth正值例如 2V负值例如 -2V导通条件VGSVth正压VGSVthVth 为负所以 VGS 可以为零甚至小负压关断条件VGSVth零或负VGSVth需要更负的电压核心耗尽型是“常开”器件增强型是“常闭”器件。2. 三种组态的判断方法相同无论是增强型还是耗尽型组态的判定规则是一样的共源CS源极交流接地输入栅极输出漏极。共漏CD漏极交流接地输入栅极输出源极。共栅CG栅极交流接地输入源极输出漏极。这个规则只取决于电极的交流连接方式与器件是增强型还是耗尽型无关。3. 偏置电路设计的差异虽然组态相同但因为耗尽型零栅压时已导通所以静态工作点的设置不同。举例共源放大电路增强型 NMOS需要提供正 VGSVth 才能建立静态电流。通常用电阻分压器RG1,RG2RG1,RG2提供栅极偏压源极接地或接小电阻。耗尽型 NMOS可以在 VGS0 时就有一定的静态电流。因此栅极可以直接接地或通过大电阻接地源极接一个小电阻 RSRS 形成自给偏压源极电位为正使得 VGS 为负从而将电流调节到所需值。电路更简单。但这不影响组态的归属源极仍然作为公共端交流接地所以它仍是共源组态。4. 耗尽型 PMOS对于耗尽型 PMOS零栅压时也导通阈值电压 Vth 为正值因为PMOS的阈值通常为负但耗尽型PMOS的阈值可能为正需要澄清通常耗尽型NMOS的 Vth 为负耗尽型PMOS的 Vth 为正。这会导致偏置极性与增强型PMOS相反。但组态判断方法依然不变。5. 总结问题答案耗尽型和增强型的三种组态不一样吗不组态的分类和判断方法完全一样。那有什么区别偏置电路设计不同增强型需要外加栅压才能导通耗尽型零栅压已导通偏置更简单有时可自给偏压。能用耗尽型做共源、共漏、共栅吗能应用上与增强型类似但更适合需要“常开”或零偏置的场合如恒流源、启动电路。一句话耗尽型和增强型的MOS管都能构成共源、共漏、共栅电路组态划分规则不变只是偏置方式不同。在之前的讨论中我说到“PMOS只需反转电源极性”意思是对于任何NMOS的电路结构如共源、共漏、共栅将其中的所有电源电压的正负极性对调即 VDD 换成 −VDD 或 VSS并且把地GND换成最高电位同时将NMOS换成PMOS就能得到对应的PMOS电路其工作原理完全对称。更通俗地说PMOS是NMOS的“互补镜像”器件。分析时只要把电压的正负号反过来电流的方向反过来而所有的公式如增益、输入输出阻抗等在形式上保持不变。1. 具体“反转”什么电源极性NMOS电路的电源正极是 VDD负极接地0V。PMOS电路的电源正极是地0V负极是 −VDD或者习惯上将PMOS的源极接正电源 VDD但此时参考地是负端。最常见的做法是将NMOS中的“地”对应PMOS中的“正电源”将NMOS中的“正电源”对应PMOS中的“地”。电压符号NMOS中的正电压如 VGS0在PMOS中变成负电压VGS0但绝对值相同。电流方向NMOS中电流从漏极流向源极D→SPMOS中电流从源极流向漏极S→D。2. 举例共源放大电路NMOS 共源源极接地0V漏极接电阻 RDRD 到正电源 VDD输入加在栅极正电压PMOS 共源反转极性源极接正电源 VDD相当于NMOS中的地漏极接电阻 RD 到地0V相当于NMOS中的 VDD 到地输入加在栅极但此时栅极电压需要低于源极即 VGVDDVGVDD才能导通即 VGSVGS 为负。两者的交流小信号等效模型完全相同增益公式 Av−gm(RD∥ro) 也相同。3. 为什么可以这样简化因为PMOS和NMOS是互补对称的器件它们的物理方程在电压极性取反后完全一样。所以只要把整个电路的参考点和电源极性一起反转就可以直接套用NMOS的分析结论。4. 实际操作中的注意事项在画PMOS电路图时通常仍然采用正电源 VDD 和地但PMOS的源极接 VDD漏极接负载到地。此时与NMOS电路相比只是把源极从地换成了电源。分析时电压极性自然倒转。例如PMOS共源放大器的偏置需要使栅极电压低于 VDD 一个大于 ∣Vth∣ 的量即VGSVG−VDD−∣Vth∣等价于VSG∣Vth∣。这与NMOS的 VGSVth 在形式上是对偶的。5. 总结“PMOS只需反转电源极性”是一个工程上的简化方法意思是在分析PMOS电路时可以把原来的NMOS电路中的“地”和“正电源”互换并将所有电压参考方向反过来那么PMOS的行为就变得和NMOS完全一样。这样就不用重新学习一套新规则只要记住NMOS的分析然后反过来用即可。
MOS管的基本组态：共源、共漏、共栅
MOS管和BJT的三种基本放大组态是一一对应的只是名称不同。BJT 组态MOS 管对应组态特点以MOS为例共射 (CE)共源 (CS)输入电阻高栅极电压增益大输出与输入反相最常用。共集 (CC)共漏 (CD) / 源极跟随器电压增益 ≈1输入电阻极高输出电阻低同相用作缓冲器。共基 (CB)共栅 (CG)输入电阻低电压增益大输出与输入同相频率特性好。1. 共源CS类似共射结构输入信号加在栅极G输出取自漏极D源极S交流接地或接电阻到地。特点电压增益 Av≈−gm⋅(RD∥ro)反相。输入电阻极高栅极几乎不取电流。输出电阻中等约 RD∥ro。用途用作电压放大级是MOS管放大器中最常用的组态。2. 共漏CD源极跟随器类似共集结构输入信号加在栅极G输出取自源极S漏极D交流接地通常接电源。特点电压增益 Av≈1略小于1同相。输入电阻极高。输出电阻很小约 1/gm。用途用作缓冲器、阻抗变换器高输入、低输出。3. 共栅CG类似共基结构输入信号加在源极S输出取自漏极D栅极G交流接地。特点电压增益 Av≈gm⋅(RD∥ro)同相源极输入漏极输出。输入电阻很低约 1/gm。输出电阻中等。频率特性好无米勒效应。用途高频放大、电流缓冲、低输入阻抗级。对比总结表组态MOS管BJT电压增益输入阻抗输出阻抗相位共源CSCE大高中反相共漏CDCC≈1极高低同相共栅CGCB大低中同相结论MOS管同样具有共源、共漏、共栅三种基本组态分别对应BJT的共射、共集、共基。它们的使用场景和性能特点也高度相似。掌握了BJT的组态分析迁移到MOS管非常容易MOS管以增强型NMOS为例PMOS只需反转电源极性的三种基本放大组态——共源CS、共漏CD又称源极跟随器、共栅CG与BJT的共射、共集、共基一一对应。下面从判断方法、电路组成、性能特点、典型用途四个方面详细对比。一、如何判断组态判断法则在交流通路中哪个电极栅极G、源极S、漏极D作为输入和输出的公共参考点通常交流接地就是哪种组态。共源CS源极S交流接地 → 输入加在栅极G输出取自漏极D。共漏CD漏极D交流接地 → 输入加在栅极G输出取自源极S。共栅CG栅极G交流接地 → 输入加在源极S输出取自漏极D。二、各组的典型电路与组成1. 共源放大电路CS电路组成电源VDD偏置栅极分压电阻 RG1、RG2 设定静态栅压NMOS需 VGSVth漏极负载电阻 RD源极电阻 RS可选用于稳定工作点旁路电容 CS 可消除交流负反馈输入耦合电容 Cin输出耦合电容 Cout交流通路源极接地或通过大电容接地输入 vgs 加在栅极输出 vds 取自漏极。关键指标电压增益 Av≈−gm(RD∥ro) 负号表示反相输入电阻 Rin≈RG1∥RG2极高可达MΩ级输出电阻 Rout≈RD∥ro中等kΩ级用途通用电压放大级如传感器前置放大、音频前置放大。2. 共漏放大电路CD源极跟随器电路组成电源 VDD栅极分压偏置 RG1、RG2源极电阻 RS输出负载或外接负载 RLRL 与 RSRS 并联漏极直接接 VDD交流接地输入耦合电容 Cin输出取自源极交流通路漏极交流接地输入加在栅极输出取自源极。关键指标电压增益 Av≈1gm(RS∥ro)gm(RS∥ro)≈1略小于1同相输入电阻Rin≈RG1∥RG2极高输出电阻Rout≈gm1∥RS很低典型几十到几百Ω用途缓冲级、阻抗变换高输入阻抗→低输出阻抗、电压跟随器、驱动低阻抗负载。3. 共栅放大电路CG电路组成电源 VDD栅极电压固定交流接地通常由分压电阻或稳压电路提供直流偏置 VG源极输入端信号通过 Cin 加到源极源极电阻 RSRS 提供偏置回路漏极负载电阻 RD输出取自漏极交流通路栅极交流接地输入加在源极输出取自漏极。关键指标电压增益 Av≈gm(RD∥ro)同相正值输入电阻Rin≈gm1很低典型几十到几百Ω输出电阻 Rout≈RD∥ro中等优点无米勒效应因为栅极接地隔离了输入输出电容频率特性极好带宽很宽。用途高频宽带放大器、射频前端、电缆驱动、低输入阻抗的电流缓冲器。三、与BJT组态的对照表组态MOS管BJT增益输入阻抗输出阻抗相位频率特性共源CSCE高高中反相较差米勒共漏CDCC≈1极高低同相好共栅CGCB高低高同相很好无米勒四、实际应用选择指南需要高输入阻抗、中等电压增益、单级放大→ 选共源CS。需要极高的输入阻抗、低输出阻抗、缓冲隔离→ 选共漏CD源极跟随器。需要高频宽带放大、低输入阻抗如匹配50Ω同轴电缆→ 选共栅CG。五、举例如何判断一个具体电路假设看到一个MOS管电路信号从栅极输入漏极输出源极接一个电容到地 →共源。信号从栅极输入源极输出漏极接电源 →共漏。信号从源极输入漏极输出栅极接一个固定偏置电压交流旁路电容接地 →共栅。判断的关键在交流等效图中找出输入、输出、公共端交流接地端。一句话总结MOS管的共源、共漏、共栅组态与BJT的共射、共集、共基完全类比掌握了判断方法和性能特点就能灵活设计各种放大器级。初学者建议从共源开始实践再扩展到共漏和共栅。三种组态共源、共漏、共栅本身的结构、判断方法和用途在耗尽型和增强型MOS管之间是一样的。唯一的区别在于偏置条件因为耗尽型零栅压时已经导通增强型需要正向栅压才能导通但组态的归类不受影响。下面详细说明。1. 耗尽型与增强型的主要区别项目增强型 NMOS耗尽型 NMOS零栅压 (VGS0VGS0)截止无沟道导通已有沟道阈值电压 VthVth正值例如 2V负值例如 -2V导通条件VGSVth正压VGSVthVth 为负所以 VGS 可以为零甚至小负压关断条件VGSVth零或负VGSVth需要更负的电压核心耗尽型是“常开”器件增强型是“常闭”器件。2. 三种组态的判断方法相同无论是增强型还是耗尽型组态的判定规则是一样的共源CS源极交流接地输入栅极输出漏极。共漏CD漏极交流接地输入栅极输出源极。共栅CG栅极交流接地输入源极输出漏极。这个规则只取决于电极的交流连接方式与器件是增强型还是耗尽型无关。3. 偏置电路设计的差异虽然组态相同但因为耗尽型零栅压时已导通所以静态工作点的设置不同。举例共源放大电路增强型 NMOS需要提供正 VGSVth 才能建立静态电流。通常用电阻分压器RG1,RG2RG1,RG2提供栅极偏压源极接地或接小电阻。耗尽型 NMOS可以在 VGS0 时就有一定的静态电流。因此栅极可以直接接地或通过大电阻接地源极接一个小电阻 RSRS 形成自给偏压源极电位为正使得 VGS 为负从而将电流调节到所需值。电路更简单。但这不影响组态的归属源极仍然作为公共端交流接地所以它仍是共源组态。4. 耗尽型 PMOS对于耗尽型 PMOS零栅压时也导通阈值电压 Vth 为正值因为PMOS的阈值通常为负但耗尽型PMOS的阈值可能为正需要澄清通常耗尽型NMOS的 Vth 为负耗尽型PMOS的 Vth 为正。这会导致偏置极性与增强型PMOS相反。但组态判断方法依然不变。5. 总结问题答案耗尽型和增强型的三种组态不一样吗不组态的分类和判断方法完全一样。那有什么区别偏置电路设计不同增强型需要外加栅压才能导通耗尽型零栅压已导通偏置更简单有时可自给偏压。能用耗尽型做共源、共漏、共栅吗能应用上与增强型类似但更适合需要“常开”或零偏置的场合如恒流源、启动电路。一句话耗尽型和增强型的MOS管都能构成共源、共漏、共栅电路组态划分规则不变只是偏置方式不同。在之前的讨论中我说到“PMOS只需反转电源极性”意思是对于任何NMOS的电路结构如共源、共漏、共栅将其中的所有电源电压的正负极性对调即 VDD 换成 −VDD 或 VSS并且把地GND换成最高电位同时将NMOS换成PMOS就能得到对应的PMOS电路其工作原理完全对称。更通俗地说PMOS是NMOS的“互补镜像”器件。分析时只要把电压的正负号反过来电流的方向反过来而所有的公式如增益、输入输出阻抗等在形式上保持不变。1. 具体“反转”什么电源极性NMOS电路的电源正极是 VDD负极接地0V。PMOS电路的电源正极是地0V负极是 −VDD或者习惯上将PMOS的源极接正电源 VDD但此时参考地是负端。最常见的做法是将NMOS中的“地”对应PMOS中的“正电源”将NMOS中的“正电源”对应PMOS中的“地”。电压符号NMOS中的正电压如 VGS0在PMOS中变成负电压VGS0但绝对值相同。电流方向NMOS中电流从漏极流向源极D→SPMOS中电流从源极流向漏极S→D。2. 举例共源放大电路NMOS 共源源极接地0V漏极接电阻 RDRD 到正电源 VDD输入加在栅极正电压PMOS 共源反转极性源极接正电源 VDD相当于NMOS中的地漏极接电阻 RD 到地0V相当于NMOS中的 VDD 到地输入加在栅极但此时栅极电压需要低于源极即 VGVDDVGVDD才能导通即 VGSVGS 为负。两者的交流小信号等效模型完全相同增益公式 Av−gm(RD∥ro) 也相同。3. 为什么可以这样简化因为PMOS和NMOS是互补对称的器件它们的物理方程在电压极性取反后完全一样。所以只要把整个电路的参考点和电源极性一起反转就可以直接套用NMOS的分析结论。4. 实际操作中的注意事项在画PMOS电路图时通常仍然采用正电源 VDD 和地但PMOS的源极接 VDD漏极接负载到地。此时与NMOS电路相比只是把源极从地换成了电源。分析时电压极性自然倒转。例如PMOS共源放大器的偏置需要使栅极电压低于 VDD 一个大于 ∣Vth∣ 的量即VGSVG−VDD−∣Vth∣等价于VSG∣Vth∣。这与NMOS的 VGSVth 在形式上是对偶的。5. 总结“PMOS只需反转电源极性”是一个工程上的简化方法意思是在分析PMOS电路时可以把原来的NMOS电路中的“地”和“正电源”互换并将所有电压参考方向反过来那么PMOS的行为就变得和NMOS完全一样。这样就不用重新学习一套新规则只要记住NMOS的分析然后反过来用即可。
