1. 电阻负载的共源级

借助 MOS 管的跨导，可以将栅源电压转化为小信号漏极电流，再通过电阻将电流转为电压。

图1.1 采用电阻负载的共源极

图1.1(a)是一个采用电阻负载的共源极放大器，首先分析其大信号特性：

如果输入电压从零开始增大，则 M1 工作状态会有这样的变化：截止区 -> 饱和区 -> 线性区。

当 $V_{i n} < V_{T H} 时，$ M1 工作在截止区： $V_{o u t} = V_{D D}$ 当 $V_{i n}$ 接近 $V_{T H}$ 时，M1 开始导通，电流流过 $R_{D}$ ，使 $V_{o u t}$ 减小，如果 $V_{D D}$ 不是特别小，则 M1 饱和导通： $V_{o u t} = V_{D D} - R_{D} \frac{1}{2} μ_{n} C_{o x} \frac{W}{L} (V_{i n} - V_{T H})^{2}$ 当 $V_{i n}$ 继续增大， $V_{o u t}$ 继续下降，直到 $V_{o u t} = V_{i n} - V_{T H}$ 时，M1 到达饱和区与线性区的临界状态： $V_{i n 1} - V_{T H} = V_{o u t} = V_{D D} - R_{D} \frac{1}{2} μ_{n} C_{o x} \frac{W}{L} (V_{i n 1} - V_{T H})^{2}$ 当 $V_{i n} > V_{i n 1}$ 时，M1 工作在线性区： $V_{o u t} = V_{D D} - R_{D} \frac{1}{2} μ_{n} C_{o x} \frac{W}{L} [2 (V_{i n 1} - V_{T H}) V_{o u t} - V_{o u t}^{2}]$ 当 $V_{i n}$ 继续增大， $V_{o u t} << 2 (V_{i n} - V_{T H})$ 时，M1 工作在深线性区，等效电路如图1.1(c)所示： $V_{o u t} = V_{D D} \frac{R_{o n}}{R_{o n} + R_{D}} = \frac{V_{D D}}{1 + μ_{n} C_{o x} \frac{W}{L} R_{D} (V_{i n} - V_{T H})}$ 因此其输入输出特性曲线如图1.2所示。

图1.2 采用电阻负载的共源极

分析其小信号特性，当 $V_{o u t} > V_{i n} - V_{T H}$ 时，即在图1.2 A 点左侧时，曲线的斜率可以看做小信号增益： $\begin{aligned} A_{v} = & \frac{\partial V_{o u t}}{\partial V_{i n}} \\ = & - R_{D} μ_{n} C_{o x} \frac{W}{L} (V_{i n} - V_{T H}) \\ = & - g_{m} R_{D} \end{aligned}$ 由于 $g_{m}$ 会随输入 $V_{i n}$ 变化，因此在大信号时，增益会发生较大的变化，该结构的增益线性度不好。

2. 二极管负载的共源极

电路分析

如图2.1(a)所示，将 MOS 管的删漏短接，该 MOS 管可以起一个小信号电阻的作用。

图2.1 Diode MOS

由于 $V_{G} = V_{D}$ ，因此该 MOS 管工作在饱和区，图2.1(b)为小信号等效电路， $V_{1} = V_{X}$ ， $I_{X} = V_{X} / r_{o} + g_{m} V_{X}$ ，所以二极管的阻抗等于： $r_{e q u} = (1 / g_{m}) | | r_{o} \approx 1 / g_{m}$ 如果存在体效应，则如图2.1(c)和图2.1(d)的小信号等效电路， $V_{1} = - V_{X}$ ， $V_{b s} = - V_{X}$ ，则： $(g_{m} + g_{m b}) V_{X} + \frac{V_{X}}{r_{o}} = I_{X}$ —> $r_{e q} = \frac{V_{X}}{I_{X}} = \frac{1}{g_{m} + g_{m b}} | | r_{o} \approx \frac{1}{g_{m} + g_{m b}}$

图2.2 采用二极管负载的共源极

分析二极管负载的共源极，如图2.2所示，忽略沟道长度调制效应，则： $\begin{aligned} A_{v} = & - g_{m 1} \frac{1}{g_{m 2} + g_{m b}} \\ = & - \frac{g_{m 1}}{g_{m 2}} \frac{1}{1 + η} \\ η = & \frac{g_{m b 2}}{g_{m 2}} \end{aligned}$

$A_{v} = - \frac{\sqrt{2 μ_{n} C_{o x} (W / L)_{1} I_{D 1}}}{\sqrt{2 μ_{n} C_{o x} (W / L)_{2} I_{D 2}}} \frac{1}{1 + η}$

因为 $I_{D 1} = I_{D 2}$ ，则： $A_{v} = - \frac{\sqrt{(W / L)_{1}}}{\sqrt{(W / L)_{2}}} \frac{1}{1 + η}$ 由等式可以看出，如果忽略 $1 / 1 + η$ 随输出电压的变化，则只要 MOS 管工作在饱和区，增益和偏置电压电流没有关系。这表明输入输出特性呈线性。