驚人的共閘與共源組合:如何創造出色的增益效果?

在電子學中,共閘放大器是三種基本的單階場效應晶體管(FET)放大器拓撲之一,通常被用作電流緩衝器或電壓放大器。在這個電路中,晶體管的源極用作輸入,漏極則為輸出,閘極則連接到某個直流偏置電壓,或稱為“公共”,因此得名於此。這種電路類似於雙极接合晶體管電路中的共基放大器。

共閘放大器的運用雖然不如共源或源跟隨者普遍,但它能與共源放大器結合形成級聯配置,並在某些應用中展現出非凡的效果。

在CMOS RF接收器的應用中,共閘放大器特別有用,尤其是在接近FET頻率限制的情況下。其優點在於易於阻抗匹配,同時潛在的噪聲也較低。儘管這個配置使用得不如其他拓撲那樣頻繁,但在適當的情況下,它能夠提供卓越的性能。

低頻特徵

在低頻和小信號條件下,在圖1中的電路可以由圖2所示。MOSFET的混合pi模型被用於這種情況。這種放大器的特性被總結如下:

由於負載效應的影響,整體的電壓/電流增益通常會顯著低於開路/短路增益。

閉合電路電壓增益

考慮到輸入和輸出負載,閉合電路的電壓增益可以表示為:

Av ≈ gmRL / (1 + gmRS)

這個公式具有簡單的限制形式,取決於gmRS的值。當gmRS遠大於1時,電路類似於電流跟隨者。

當RS >> 1/gm時,電壓來源可以用其諾頓等效替代,因為放大器的輸入阻抗很小,驅動器通過電流分配將當前輸送至放大器。

在此情況下,電圧跟隨者會輸出一個與接收端相同的電流,這樣就會生成一個期望的輸出電壓。而在RS << 1/gm的情況下,源的Thévenin表示法是非常有效的,進而得出第二種增益形式,這是典型的電壓放大器形態。

配置與應用

由於共閘放大器的輸入阻抗非常低,因此通常會使用級聯放大器。級聯放大器在電壓驅動器和共閘電路之間放置一個共源放大器,以便允許使用RS >> 1/gm的驅動器進行電壓放大。

這種結合方式不僅增強了放大器的性能,還提高了整體系統的效率和穩定性。

共閘放大器在各類應用中展現出簡潔、高效的特性,尤其是在要求較低噪音和良好阻抗匹配的環境中。隨著技術的日新月異,更加創新的組合和應用將不斷浮現。

我們不禁要思考,未來的放大器設計中,哪些創新將會繼續推動效能的邊界?

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