Cascode 与多管放大级
将多个晶体管以巧妙方式组合构成的放大级可以在增益、带宽、输出电阻等维度上远超单管级的极限。Cascode(共发-共基 / 共源-共栅组合)消除了 Miller 效应,是宽频带放大器的基础结构;有源 Cascode(Regulated Cascode)通过辅助放大器的深度反馈进一步将输出电阻推向极致;Darlington 管和超源随器则分别针对 BJT 和 CMOS 优化了缓冲器性能。本文基于 Gray §3.4 提炼。
前后关系
前置知识:
- 单管放大级(§3.1-§3.3)— CE/CS/CB/CG 四种基本组态的特性
- 双极晶体管小信号模型(§1.4)— g_m/r_π/r_o、C_μ/Miller 电容
- MOS晶体管模型与特性(§1.5-§1.6)— MOS 小信号参数
本书内部链条:
- Cascode与多管放大级(本文)→ 差分放大器与失调分析(§3.5)— 差分 Cascode
- → 电流镜与有源负载(Ch.4)— Cascode 电流镜、有源负载
- → 运算放大器设计基础(Ch.6)— Telescopic / Folded-Cascode 运放
- → 宽频带放大器设计(Ch.11)— 宽频带通信系统中的放大器
外部关联:
- 运算放大器设计 — Cascode 在 OTA 中的应用
- 频率补偿技术 — Cascode 补偿
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — Folded-Cascode OTA
原理介绍
3.4.1 组合级:CC-CE 和 CC-CC
CC-CE(射随器 + 共射级)
将射随器(CC)作为共射级(CE)的输入缓冲级:
目的:提高整体输入电阻,同时保持高电压增益。
- 总增益:
- 输入电阻:(极高)
- 输出电阻:与 CE 级相同
注意:CC 级的输出电阻(≈ 1/g_m1)是 CE 级的源电阻,这会略微降低 CE 级的有效增益。
达林顿管(Darlington Pair, CC-CC)
两个射随器级联(Gray Fig. 3.12):
Q1: CC (输入级)
Q2: CC (输出级)
整体: 等效为一个 β 极高的单管
- 总电流增益:
- 输入电阻:极大()
- 输出电阻:与单管射随器差不多
- V_BE(on) 加倍:→ 电压裕度减少
设计考虑:
- 达林顿管的带宽通常比单管窄(多了一个极点)
- 现代某些应用中用复合 MOS 管替代
- 应用:高 β 达林顿管可用在需要极高输入阻抗的场合
3.4.2 基本 Cascode(共发共基 / 共源共栅)
Cascode 的名称是 Cascaded Cathode(真空管的级联栅极)和 Cathode 的组合。在晶体管术语中,指用 CB/CG 管屏蔽 CE/CS 管免受 Miller 效应影响的结构。
双极 Cascode(CE + CB)
结构(Gray Fig. 3.16):
VCC
|
R_C (负载电阻)
|
|-- 输出 (集电极-Q2)
Q2 (CB 级)
|
| Q1 集电极 = Q2 发射极
Q1 (CE 级)
|
输入
|
GND
工作原理:
- Q1(CE)提供高 g_m,将输入电压转为电流
- Q2(CB)提供低输入阻抗(≈ 1/g_m2)作为 Q1 的负载
- Q1 的负载为 r_o1 ∥ (CB 级的输入电阻 ≈ r_e2)
Cascode 的核心优势——消除 Miller 效应(Gray Fig. 3.20):
CE 级的 Miller 电容: Cascode 中,Q1 的增益仅为:
因此 Miller 电容大幅降低:
增益:
其中输出电阻(含 Q2 的增强效应):
当 Q2 的 r_o 起主导作用时:
特性总结:
| 参数 | 表达式 | CE 单管的改进 |
|---|---|---|
| 低频增益 | -g_m1 (g_m2 r_o2 r_o1) | 提升约 g_m r_o 倍 |
| Miller 电容 | 2C_μ1 | 从 (1+A_v)C_μ 大幅降低 |
| 输入电阻 | r_π1 | 基本不变 |
| 输出电阻 | g_m2 r_o2 r_o1 | 大幅提高 |
| 带宽 | 显著增宽 | Miller 效应消除 |
MOS Cascode(CS + CG)
结构:
VDD
|
R_D
|
|-- 输出 (漏极-M2)
M2 (CG 级)
|
M1 (CS 级)
|
输入
|
GND
MOS Cascode 的增益表达式:
与双极 Cascode 的差异:
- M2 的源极输入电阻:(包含体效应)
- MOS 的 r_o 通常比 BJT 小,因此 Cascode 对输出电阻的提升更关键
- 体效应 g_mb 会略微降低增益
Cascode 的电压摆幅限制
Cascode 结构将两个晶体管堆叠,导致最小输出电压(进入饱和/有源区所需)增加:
代价:在低电源电压(< 1.8 V)下 Cascode 可能无法正常工作。
3.4.3 有源 Cascode(Regulated Cascode)
基本结构(Gray Fig. 3.22):
在基本 Cascode 的基础上,增加一个辅助放大器 A,将共栅管 M2 的栅极由固定偏压改为由 M1 漏端驱动的反馈控制:
VDD
|
R_D
|
|--- 输出
M2 (CG)
|----| (栅极由辅助运放驱动)
A |
| |
|--- M1 (CS)
|
输入
|
GND
输出电阻:
其中 A 是辅助放大器的增益。
- 当 A = 0(无辅助运放):基本 Cascode
- 当 A >> 1:输出电阻按 (1+A) 倍增
- 典型实现:用一个共源级作为辅助放大器
设计考虑:
- 辅助放大器的带宽限制了 Cascode 在高频的反馈效果
- 辅助放大器可能引入额外的极点,需要小心频率补偿
- 功耗和面积增加
应用:需要极高输出阻抗的电流源/电流镜(Ch.4)。
3.4.4 超源随器(Super Source Follower)
问题:普通源随器(CD)的增益由于体效应而小于 1()。
超源随器(Gray Fig. 3.24)在源随器基础上加入负反馈环路来抵消体效应:
VDD
|
M3 (偏置电流源)
|
输入 --M1 (主源随管)
|--- 输出
M2 (共源级, 反馈)
|
GND
工作原理:
- M1 是主源随管,输出 = V_in - V_GS1
- M2 感知输出节点电压变化,将其放大后反馈到 M1 的衬底(如果工艺允许衬底独立)或调整 M1 的漏端电压
- M1 的 g_mb 效应被环路抵消
特性:
- 增益极接近 1
- 输出电阻比普通源随器更低
- 带宽受反馈环路影响
另一种实现形式:用互补晶体管(NMOS + PMOS)构成的超源随器。
设计指导
何时使用哪种结构
| 设计目标 | 推荐结构 | 原因 |
|---|---|---|
| 最大化低频增益 | 有源 Cascode | 输出电阻大幅提升 |
| 宽带宽 | 基本 Cascode | 消除 Miller 效应 |
| 低电压操作 | 单管 CE/CS | 无堆叠损耗 |
| 缓冲器(高 R_in,低 R_out) | 达林顿或超源随 | 极高输入阻抗 |
| 精密电流镜 | 有源 Cascode 电流镜 | 极高输出阻抗 |
参考文献
- P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed., Wiley, 2009, §3.4.
- B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001, Ch.3.
- K. Bult, G. Geelen, “A Fast-Settling CMOS Op Amp for SC Circuits with 90-dB DC Gain,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 25, pp. 1379-1384, Dec. 1990. (有源 Cascode 的经典论文)
- E. Säckinger, W. Guggenbühl, “A High-Swing, High-Impedance MOS Cascode Circuit,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 25, pp. 289-298, Feb. 1990.
双向链接
本文链接到
- 单管放大级 — 依赖基本组态知识
- 差分放大器与失调分析 — 差分对中的 Cascode
链接到本文
- 电流镜与有源负载 — Cascode 电流镜
- 运算放大器设计基础 — Telescopic / Folded-Cascode 运放
- 运算放大器设计 — Cascode 在 OTA 中的应用
- 频率补偿技术 — Cascode 补偿
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — Folded-Cascode OTA
- Gray 模拟集成电路分析与设计 深度解析 — 来源导航页
- Allen CMOS Analog Circuit Design 深度解析 — §5.3 Cascode 放大器
📘 Allen 3e 补充(§5.3 Cascode 放大器分析)
Allen 3e 在 Cascode 放大器部分提供了与 Gray 互补的分析视角,重点强调偏置约束和不折叠结构。
Allen 的 Cascode 分析特色(§5.3):
- 直流偏置条件:(M2 饱和),(M1 饱和)
- 输出摆幅受限:,
- 增益:
Allen 的电流放大器(§5.4)独特覆盖:
- 电流放大器的增益:
- 低输入阻抗、高输出阻抗 → 可级联而不产生 Miller 效应
- 适用于电流模式信号处理
Cascode 频率响应(Allen 独特视角):
- Allen 指出 Cascode 的频率优势来自输入电容 的减小(Miller 效应被消除)
- 输入节点:米勒电容从 降为
- 输出节点:极点 为低频主极点
📗 Sansen 补充(Ch.2 Cascode 深度分析——Gain Boosting 与有源电感模型)
Sansen Ch.2 对 Cascode 的分析与 Gray §3.4 侧重阻抗提升互补,聚焦于增益提升(Gain Boosting)和高频有源电感效应。
1. Gain Boosting/Regulated Cascode 增益公式
Sansen 推导了辅助放大器对 Cascode 增益的提升:
即三级增益的乘积——输入管 × Cascode 管 × 辅助放大器。无辅助放大器的普通 Cascode 增益为 。
2. 有源电感模型(Sansen 独有贡献)
Cascode 节点(共栅管源极)呈现有源电感特性:
其中 是该节点的等效电阻, 为晶体管截止频率。这一电感与节点寄生电容谐振产生高频零点,可能影响频率响应的平坦度和相位裕度。
3. Gain Boosting 的极-零点双峰问题
辅助放大器的有限带宽引入极-零点双峰:
双峰的频率差 若落在 GBW 内,将导致建立时间的显著恶化——这一分析是 Sansen 的特色内容,其他教材未覆盖。
4. Sansen vs Allen 对 Cascode 的分析
| 维度 | Sansen Ch.2 | Allen §5.3 |
|---|---|---|
| 分析重点 | 增益提升、极-零点 | 偏置约束、摆幅 |
| Gain Boosting | 完整公式 + 双峰效应 | 仅提及概念 |
| 有源电感 | 未覆盖 | |
| 频率响应 | 零点 + 建立时间 | 极点点位置 + 带宽 |
Sansen 的独特价值:Gain Boosting 中的极-零点双峰分析和有源电感模型是其他教材(Gray/Razavi/Allen/Baker)均未系统覆盖的内容,对高速运放设计至关重要。
关联页:Sansen 模拟集成电路设计精粹 深度解析 §2