📚 课程目录第2章基本OTA架构

2、基本OTA架构：单级共源放大器、差分对放大器、电流镜负载

好，咱们进入第二章。上一章聊了OTA是什么，这一章咱们得把它的“骨架”搭起来。

我个人习惯，看一个电路，先看它的“心脏”——也就是核心放大级。OTA的心脏，说白了就是几种最基本的放大器结构。你把这几种结构吃透了，后面那些花里胡哨的增益提升技巧，理解起来就跟喝水一样自然。

咱们今天要聊的三个基本架构：单级共源放大器、差分对放大器，还有电流镜负载。它们就像乐高积木里的基础块，几乎所有高性能OTA都是拿它们拼出来的。

2.1 单级共源放大器：最朴素的放大单元

先看最简单的——单级共源放大器。说白了就是一个MOS管，栅极输入，漏极输出，源极接地。

它的核心参数，我估计你闭着眼都能写出来：

增益 A_v = -g_m · R_out —— 负号代表反相，这个别忘了。
输出电阻 R_out = r_o ∥ R_D —— 管子本身的输出电阻并联负载电阻。
-3dB带宽 f_-3dB = 1 / (2π · R_out · C_L)

嗯，这里要注意，增益和带宽是一对天生的冤家。你想提高增益，就得增大R_out，但R_out一大，带宽就往下掉。我在项目中遇到过好几次这种“跷跷板”问题，最后不得不在功耗和面积上做妥协。

关键洞察： 单级共源放大器的增益受限于电源电压和输出摆幅。你想想看，R_D越大，直流压降就越大，输出共模点就往下掉。这就是为什么在低电压设计中，纯电阻负载的共源级越来越少见。

那怎么办？换个思路——用电流源做负载。这就引出了咱们的下一个话题。

2.2 差分对放大器：共模抑制的利器

单端结构有个硬伤：它对共模干扰毫无抵抗力。电源噪声、衬底噪声，全都会耦合到输出端。这时候，差分对就派上用场了。

差分对的核心思想很简单：只放大两个输入端的差值，抑制它们的共同部分。它的增益公式：

A_v,dm = -g_m · R_out （差分输出时）

A_v,cm ≈ - (R_out / 2R_SS) （共模增益，R_SS是尾电流源输出电阻）

共模抑制比CMRR就是这两个增益的比值：

CMRR = |A_v,dm / A_v,cm| ≈ g_m · 2R_SS

你看，尾电流源的输出电阻R_SS直接决定了CMRR。我曾经在一个传感器接口项目中，因为尾电流源设计得不够好，导致50Hz工频干扰比信号还大……那叫一个惨。后来换成cascode尾电流源，CMRR一下子提了20dB，问题才解决。

设计小技巧： 差分对的输入对管一定要匹配好。我建议版图里用“共质心”布局，而且管子长度L不要取最小值，稍微大一点（比如2~3倍最小L），匹配性会好很多。

2.3 电流镜负载：把差分转成单端

差分对输出是双端的，但大多数时候我们需要单端输出。怎么转？用电流镜负载。

看下面这个经典的五管OTA结构：

M3 ── M4  （电流镜负载，PMOS）
 │      │
 M1    M2  （输入差分对，NMOS）
 │      │
 └── M5 ──  （尾电流源，NMOS）

工作原理是这样的：M1的漏极电流变化，通过M3-M4电流镜“复制”到M2这一侧，然后在输出节点叠加。这样就把双端差分信号转成了单端输出，而且增益还翻倍了。

它的增益表达式：

A_v = -g_m1 · (r_o2 ∥ r_o4)

这里g_m1是输入管的跨导，r_o2和r_o4分别是M2和M4的输出电阻。

避坑指南： 我曾经在设计电流镜负载时，忽略了M3和M4的V_DS不相等的问题。M3的V_DS = V_GS，而M4的V_DS = V_out。如果输出摆幅大，M4的V_DS会偏离M3很多，导致电流复制出现误差。这就是所谓的“沟道长度调制效应”。解决办法？要么用cascode电流镜，要么用增益提升技术——嗯，这正好是咱们这门课后面要讲的重点。

2.4 三种架构的对比与选择

我把这三种架构的核心参数整理了一下，方便你对比：

架构	增益	输出摆幅	共模抑制	噪声	典型应用
单级共源	低~中	大	无	低	简单缓冲、预放大
差分对（电阻负载）	中	中	好	中	高速比较器、ADC前端
五管OTA（电流镜负载）	中~高	中	好	中	开关电容电路、滤波器

你想想看，实际项目中怎么选？

如果输出摆幅是第一优先级，比如你要驱动一个ADC的采样开关，那单级共源放大器可能更合适。
如果共模抑制是关键，比如传感器信号调理，那差分对是必须的。
如果增益和面积都要兼顾，五管OTA是最经典的选择——它用最少的管子实现了差分输入到单端输出的转换，而且增益还不错。

2.5 知识体系总览

下面这张图，把咱们这一章的核心逻辑串起来了。你可以把它当作一个“思维导图”来看：

_m·R_out 带宽受限 CMRR = g_m·2R_SS 共模抑制差分→单端增益翻倍核心矛盾：增益 vs 带宽 vs 摆幅三种架构都是这个“不可能三角”的不同取舍

这张图把咱们这一章的核心逻辑串起来了。你看，从中心出发，三个分支分别对应三种基本架构，每个分支下面又列出了它的关键特征。最下面那个黄色框，是我特别想强调的——增益、带宽、摆幅，这三个参数就像“不可能三角”，你永远没法同时做到极致。设计的过程，就是在这三者之间找平衡。

好了，这一章的内容就到这儿。这三种架构是OTA设计的基石，你花时间把它们吃透，后面学增益提升技术的时候，就会觉得“哦，原来是这样！”