MOS管三种组态详解：共源、共漏、共栅放大电路的区别与应用

在模拟电路设计中，MOS管（金属-氧化物半导体场效应晶体管）是核心的主动放大器件。仅仅一个MOS管，通过将它的三个电极（栅极G、源极S、漏极D）之一作为信号的公共端（交流接地），就能形成三种性能迥异的基本放大电路，称为 “三种组态”。

这三种组态分别是：共源组态、共漏组态和共栅组态。理解它们的差异是设计放大器、缓冲器、匹配电路等模块的基石。本文将深入剖析每一种组态的特性，并给出清晰的应用指南。

一、 共源组态：最通用的电压放大器

1. 结构特点：

• 信号路径：输入信号从栅极（G） 进入，输出信号从漏极（D） 取出。

• 公共端：源极（S） 作为输入和输出的公共参考点（通常通过一个电阻或直接连接到地）。

2. 核心特性：

• 电压增益：中到高。这是三种组态中电压放大能力最强的一种。增益取决于跨导gm和漏极负载电阻，通常可以达到几十倍甚至上百倍。

• 输入阻抗：极高。由于栅极是绝缘的，输入阻抗基本由栅极偏置电阻决定，通常可达兆欧姆级别，对前级电路几乎不索取电流。

• 输出阻抗：中到高。输出阻抗主要由漏极负载电阻或MOS管自身的输出电阻决定。

• 相位关系：输入与输出反相。当输入电压升高，漏极电流增大，导致漏极电压下降，反之亦然。

3. 主要应用：

• 通用电压放大级（如音频前置放大、传感器信号放大）。

• 反相放大器。

• 组成多级放大器的核心增益级。

二、 共漏组态（源极跟随器）：理想的电压缓冲器

1. 结构特点：

• 信号路径：输入信号从栅极（G） 进入，输出信号从源极（S） 取出。

• 公共端：漏极（D） 直接或通过电阻连接到电源，作为公共端。

2. 核心特性：

• 电压增益：小于且接近1（约0.8-0.99）。输出电压紧紧跟随输入电压变化，因此得名“源极跟随器”。没有电压放大能力。

• 输入阻抗：极高。与共源组态相同，输入阻抗极高。

• 输出阻抗：极低。这是其最重要的优点，输出阻抗约为 1/gm，可以驱动重负载（如低阻抗的扬声器、传输线）。

• 相位关系：输入与输出同相。

3. 主要应用：

• 阻抗变换/缓冲器：连接高输出阻抗的前级和低输入阻抗的后级，防止信号衰减。

• 功率输出驱动级。

• 电平移位电路（因为输出直流电平比输入低一个Vgs）。

三、 共栅组态：高频与电流缓冲的利器

1. 结构特点：

• 信号路径：输入信号从源极（S） 进入，输出信号从漏极（D） 取出。

• 公共端：栅极（G） 交流接地（通过一个大电容旁路到地）。

2. 核心特性：

• 电压增益：中到高。电压增益公式与共源组态类似，增益也较高。

• 输入阻抗：极低。输入阻抗约为 1/gm，通常只有几十到几百欧姆。

• 输出阻抗：高。与共源组态类似。

• 相位关系：输入与输出同相。

• 高频特性：优异。由于栅极交流接地，大大减小了栅漏电容Cgd的密勒效应，因此高频响应非常好。

3. 主要应用：

• 高频放大器、射频（RF）电路。

• 电流缓冲器：因其低输入阻抗，可作为电流信号的输入级。

• 低噪声放大器（在某些配置下）。

• 与共源组态组合构成共源-共栅（Cascode）结构，以兼顾高增益、高带宽和高输出阻抗。

四、 三种组态对比总结表

结论

MOS管的三种组态并非孤立存在，它们就像电路设计师工具箱里的三把不同型号的螺丝刀，各有各的专长。共源提供高增益，是放大的主力；共漏提供阻抗变换，是驱动的能手；共栅提供高速性能，是高频应用的先锋。

在实际电路设计中，常常将两种或三种组态巧妙组合（如经典的共源-共栅Cascode结构、共漏驱动共源的组合等），以扬长避短，实现更优的综合性能。掌握这三种基本组态，是迈向高效、精准模拟电路设计的关键一步。