D4 · MOSFET

共源放大器：同样的增益，开路的输入

把 MOSFET 小信号模型嵌入电路造出电压增益。亲手增大漏极电阻，看输出反相变大、与共射同形，而输入毫不受累。

增大漏极电阻，造出增益

浅色曲线是栅极输入 vin，粗线是输出 vout。增大漏极电阻 Rd，输出渐大，画出输入升时它降的反相形状。栅极不耗电流，输入信号原样加载。

漏极电阻 RdRd = 2.0 kΩ

电压增益 Av

Av = -gm Rd = -4

Rin ≈ ∞

Rd 小。同样的漏极电流在小电阻上产生的电压小，输出大不了多少。

增益小

栅极信号摆动漏极电流

把输入信号加到栅极，工作点之上便叠加一个小 vgs。如 D3 所见，这个小电压产生漏极信号电流 id = gm vgs。重要的差别在此：栅极绝缘、不吸电流，故前面的信号源毫无负担地把电压原样加到栅极。这与要求电流的 BJT 基极正相反。

那电流在 Rd 上变成电压并翻转

这股漏极信号电流流过漏极电阻 Rd。由欧姆定律，Rd 两端电压摆动 id Rd。输出取自漏极，其电压是电源 Vdd 减 Id Rd。所以信号电流增大时漏极电压反而下降。输入升时输出降，即反相输出 vout = -id Rd。共射（C4）中集电极所做的事，这里由漏极照样完成。

Av = -gm Rd，与开路输入

把 id = gm vgs 代入 vout = -id Rd，得电压增益 Av = -gm Rd，与共射的 -gm Rc 完全同形。但有两点不同。其一，MOSFET 的 gm 只随电流平方根增长（D3），同样电流下增益通常低于 BJT。其二，栅极绝缘，输入阻抗近乎无穷大，这放大器几乎不从前级夺取信号。即便生增益让给 BJT，这不累及前级的高输入阻抗，正是 MOSFET 放大器的大优势。

观察vout = -id Rd

输出电压是信号电流在 Rd 上产生的电压，符号相反。

选择id = gm ?

漏极信号电流是跨导乘栅极电压。

填空Av = voutvin = -gm ?

增益是跨导与漏极电阻之积取负号。

自己来Rin ≈ ?

因是绝缘栅，输入阻抗近乎无穷大。

回到第一屏

漏极电阻越大，输出越大，每当输入上升便下降，画出反相形状。其运算与共射完全相同。栅极的小电压成为漏极信号电流 gm vgs，该电流流过漏极电阻 Rd 成为电压、把漏极电压拉低。二者之积 -gm Rd 就是电压增益。不同有二：MOSFET 的 gm 小、生增益低，但绝缘栅使输入不耗电流、几乎不累及前级。大增益归 BJT，大输入阻抗归 MOSFET——设计者在二者间选择。

共源放大器是把 MOSFET 小信号模型（D3）放入电路。栅极的小信号 vgs 产生漏极电流 id = gm vgs，该电流流过漏极电阻 Rd 产生 vout = -id Rd。电流增大使漏极电压下降，故输出反相。电压增益 Av = -gm Rd，与共射（C4）同形。MOSFET 的 gm 小，故增益通常较低，但绝缘栅给出近乎无穷大的输入阻抗，不累及前级。

接下来的脉络

至今我们把 MOSFET 用于模拟放大。但 MOSFET 改变世界的舞台是数字。下一单元把 NMOS 与 PMOS 上下成对，按输入是 0 还是 1，二者只导通其一，构成 CMOS 反相器。输出完全翻转，而静止态几乎不流电流、几乎不耗功率。