导读:Razavi《模拟 CMOS 集成电路设计》第 3 章把共源/共栅/源跟随等五种单级结构排成一张对比表——模拟 IC 设计的「元素周期表」。
结构谱系
共源(CS):电压增益 $-g_m R_D$ 高、输入容性好,是增益主力。共栅(CG):低输入阻抗、频率特性好,做 cascode 的下半管与高频前端。源跟随(SF):增益略小于 1、输出阻抗 $1/g_m$,做电平移动与缓冲。
cascode(CS+CG 叠加):把输出阻抗提升 $g_m r_o$ 倍(增益与带宽双赢),代价是输出摆幅减少一个 $V_{DS}$——模拟设计的永恒交易「增益 vs 摆幅」。每个新工艺节点都在重新谈判这对矛盾。
设计对比表
五结构的增益、输出摆幅、输入/输出阻抗、带宽、功耗放一张表——设计流程变成查表 + 组合:需要高增益 → cascode 或多级;需要大摆幅 → 折叠结构或摒弃 cascode;需要低噪 → 输入管 $g_m$ 拉大(电流代价)。
Razavi 的教学纪律:每种结构都要手推增益(小信号模型)、摆幅(大信号 $V_{DS,sat}$ 预算)、阻抗三个量。手算与仿真(spice)互相校验是模拟工程师的日常仪式。
与工艺的联动
短沟道效应让 $r_o$ 下降、$g_m r_o$(本征增益)从百余倍跌到几十倍——深亚微米下单级增益不足,必须多级或增益增强(gain boosting)。工艺演进持续重写这张对比表的「数字」,但「结构」不变——这就是学结构的理由。
常见误区
- 忽略体效应(背栅调制)导致阈值与跨导计算偏差。
- cascode 管偏置不足进入线性区,增益崩溃。
吃透自检
- 能手推五种结构的增益与输出阻抗
- 能设计满足增益与摆幅预算的 cascode 结构
- 能解释工艺缩小对单级增益的影响