惊人的共闸与共源组合:如何创造出色的增益效果?

在电子学中,共闸放大器是三种基本的单阶场效应晶体管(FET)放大器拓扑之一,通常被用作电流缓冲器或电压放大器。在这个电路中,晶体管的源极用作输入,漏极则为输出,闸极则连接到某个直流偏置电压,或称为“公共”,因此得名于此。这种电路类似于双极接合晶体管电路中的共基放大器。

共闸放大器的运用虽然不如共源或源跟随者普遍,但它能与共源放大器结合形成级联配置,并在某些应用中展现出非凡的效果。

在CMOS RF接收器的应用中,共闸放大器特别有用,尤其是在接近FET频率限制的情况下。其优点在于易于阻抗匹配,同时潜在的噪声也较低。尽管这个配置使用得不如其他拓扑那样频繁,但在适当的情况下,它能够提供卓越的性能。

低频特征

在低频和小信号条件下,在图1中的电路可以由图2所示。 MOSFET的混合pi模型被用于这种情况。这种放大器的特性被总结如下:

由于负载效应的影响,整体的电压/电流增益通常会显著低于开路/短路增益。

闭合电路电压增益

考虑到输入和输出负载,闭合电路的电压增益可以表示为:

Av ≈ gmRL / (1 + gmRS )

这个公式具有简单的限制形式,取决于gmRS的值。当gmRS远大于1时,电路类似于电流跟随者。

当RS >> 1/gm时,电压来源可以用其诺顿等效替代,因为放大器的输入阻抗很小,驱动器通过电流分配将当前输送至放大器。

在此情况下,电圧跟随者会输出一个与接收端相同的电流,这样就会生成一个期望的输出电压。而在RS << 1/gm的情况下,源的Thévenin表示法是非常有效的,进而得出第二种增益形式,这是典型的电压放大器形态。

配置与应用

由于共闸放大器的输入阻抗非常低,因此通常会使用级联放大器。级联放大器在电压驱动器和共闸电路之间放置一个共源放大器,以便允许使用RS >> 1/gm的驱动器进行电压放大。

这种结合方式不仅增强了放大器的性能,还提高了整体系统的效率和稳定性。

总之,共闸放大器在各类应用中展现出简洁、高效的特性,尤其是在要求较低噪音和良好阻抗匹配的环境中。随着技术的日新月异,更加创新的组合和应用将不断浮现。

我们不禁要思考,未来的放大器设计中,哪些创新将会继续推动效能的边界?

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