4、单级放大器（共栅级）：共栅级结构、输入阻抗、增益特性、频率特性
共栅级放大器，在咱们模拟IC设计里，其实是个挺特别的存在。很多人一开始学放大器，总觉得共源级是老大，共漏级（源随）是老二，共栅级嘛……好像有点边缘。但我做了这么多年设计，负责任地告诉你，共栅级在高频、宽带、以及需要低输入阻抗的场合，简直是神器。
说白了，共栅级和共源级最大的区别在哪？输入信号的位置不同。共源级信号从栅极进，共栅级信号从源极进。就这一个变化，整个放大器的性格全变了。你想想看，源极的阻抗天生就低，所以共栅级的输入阻抗天然就小，这在某些场景下是巨大的优势。
4.1 共栅级的基本结构
先看结构。一个最基本的共栅级放大器，NMOS管的源极接输入，栅极接一个固定的偏置电压（直流电位），漏极通过电阻或者电流源负载接到电源。
嗯，这里要注意：栅极是交流地。因为栅极接的是固定偏置，对交流信号而言，栅极就是地电位。所以信号从源极进来，从漏极出去，栅极是公共端——这就是“共栅”名字的由来。
核心要点： 共栅级的输入节点是源极，输出节点是漏极，栅极是交流地。这个结构决定了它的所有特性。
我个人习惯，在分析共栅级之前，一定会先画一个小信号等效电路。因为只有把模型画出来，你才能直观地看到各个参数之间的关系。别偷懒，画图是模拟IC设计的基本功。
4.2 输入阻抗——共栅级的“王牌”
共栅级最吸引人的地方，就是它的输入阻抗。咱们直接看结果：
低频时，共栅级的输入阻抗约为 1/gm。
这个值有多小？在18工艺下，如果管子工作在饱和区，gm 做到几个 mS 是很轻松的。1/gm 大概就是几百欧姆的量级。对比一下共源级，输入阻抗是无穷大（理想情况），共栅级的输入阻抗简直低得“离谱”。
为什么会这样？因为从源极看进去，沟道电流受栅压控制，源极电压的变化会直接引起电流变化，等效成一个电阻。这个电阻就是 1/gm。
设计技巧： 如果你需要匹配一个低阻抗的信号源（比如50Ω的天线、传输线），共栅级天然就是好选择。我曾经在一个射频接收前端的设计里，就是用共栅级做输入级，省掉了额外的匹配网络，面积和功耗都降下来了。
当然，实际电路中，输入阻抗还会受到输出端负载的影响。如果考虑沟道长度调制效应和负载电阻，精确的输入阻抗表达式会复杂一些。但作为入门，你记住 Rin ≈ 1/gm 就够了。
4.3 增益特性——电压增益与跨导
共栅级的电压增益，和共源级有相似之处，但也有区别。
咱们先看小信号增益公式：
Av = gm · RD
等等，这个公式是不是看着很眼熟？没错，和共源级一模一样！但这里有个坑——共栅级的 gm 定义和共源级是一样的，但信号通路不同。
在共源级里，输入电压直接加在栅源之间，产生 gm·vgs 的电流。在共栅级里，输入电压加在源极，但栅极是交流地，所以 vgs = -vin。也就是说，共栅级的输入信号和 vgs 是反相的。
所以，共栅级的输出信号和输入信号是同相的。这一点和共源级正好相反。共源级是反相放大器，共栅级是同相放大器。
| 参数 | 共源级 | 共栅级 |
|---|---|---|
| 输入节点 | 栅极 | 源极 |
| 输入阻抗 | 高（≈∞） | 低（≈1/gm） |
| 电压增益 | gm·RD | gm·RD |
| 输出/输入相位 | 反相（180°） | 同相（0°） |
| 输出阻抗 | RD | RD |
这里还要提一个概念：共栅级的跨导并不是简单的 gm。因为源极输入阻抗低，信号源的内阻会分压，实际进入管子的有效信号会打折扣。所以，共栅级的实际增益往往比理论值要低一些，尤其是当信号源内阻比较大的时候。
避坑指南： 我曾经在一个项目中，直接用共栅级接了一个高阻抗的传感器输出，结果增益比仿真小了快一半。后来一查，是信号源内阻和输入阻抗分压了。所以，共栅级的前级驱动能力一定要强，否则增益会严重下降。
4.4 频率特性——共栅级的“高光时刻”
说到频率特性，共栅级终于迎来了它的高光时刻。
共源级最头疼的问题是什么？米勒效应。栅漏寄生电容 Cgd 会被放大 (1 + Av) 倍，严重限制带宽。
共栅级呢？没有米勒效应。
为什么？因为共栅级的输入节点是源极，输出节点是漏极，栅极是交流地。Cgd 跨接在漏极和栅极之间，而栅极是地，所以 Cgd 直接接地，不会产生米勒倍增。输入端的寄生电容主要是 Cgs 和 Csb（源衬电容），这些电容都不大。
所以，共栅级的输入极点频率很高，主极点通常由输出节点决定。
输出节点的总电容是 Cdb（漏衬电容）加上负载电容 CL。输出极点频率为：
ωp,out = 1 / (RD · (Cdb + CL))
由于没有米勒效应，共栅级的带宽通常比相同增益的共源级要宽得多。这也是为什么共栅级在高速电路、射频电路中如此受欢迎的原因。
关键结论： 共栅级没有米勒效应，带宽主要受输出节点限制。在需要宽带放大的场合，共栅级是比共源级更好的选择。
下面这张图，是我总结的共栅级核心知识框架，帮你理清思路：
4.5 共栅级的实际应用场景
说了这么多理论，咱们聊聊实际应用。共栅级在哪些地方最常见？
- 射频低噪声放大器（LNA）：需要50Ω输入匹配，共栅级天然满足。我记得有一次做2.4GHz的LNA，用共栅级结构，输入匹配几乎不用额外加电感，省了不少面积。
- 电流模电路：共栅级输入阻抗低，适合接收电流信号。在电流镜、电流放大器里经常能看到它的身影。
- 高速缓冲器：需要驱动低阻抗负载时，共栅级可以作为中间级，提供电压增益的同时保持宽带。
- Cascode结构：共栅级作为共源级的负载，构成Cascode放大器，这是提高增益和带宽的经典组合。后面我们会专门讲Cascode，这里先留个印象。
个人经验： 我建议你在做电路设计时，养成一个习惯——先看输入阻抗。如果信号源阻抗低，优先考虑共栅级；如果信号源阻抗高，优先考虑共源级。这个简单的判断，能帮你少走很多弯路。
好了，共栅级的内容就到这里。记住它的三个关键词：低输入阻抗、同相放大、无米勒效应。下次做设计时，别忘了这个“低调但实力派”的放大器结构。