🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 分清 MOS 在類比的三大身份：電流源、放大器(跨導器)、可控電阻/開關
- 建立為何類比設計常講 gm、ro（而不是只盯 I–V）
- 把 MOS 類比角色連到：運放、ADC 前端、感測器、LDO、PLL、RF baseband
- 理解用尺寸/偏壓/回授/cascode 在換：增益、線性、雜訊、功耗
🧑🏫 初學者先讀這段（方向感）
你可以把「類比 MOS」想成一台電流機器：
- Gate 像「油門」：你踩一點點（ΔV），它就會讓電流變多或變少（ΔI）
- Drain 像「輸出端」：電流變化會在負載上變成電壓變化（ΔVout）
- **偏壓（bias）**就是把機器放到一個“好工作的位置”，才有放大、線性、擺幅
👉 類比不是在問 MOS ON/OFF，而是在問：它能不能穩、能不能放大、噪不噪、吃不吃電。
🧭 一、先給一句話總結（超核心）
👉 類比設計看 MOS：不是看它能不能導通，而是看它能不能穩定產生電流，並把「小電壓」轉成「可用的電流/電壓變化」。
- 在數位：MOS = 開關
- 在類比：MOS = 受控電流源 + 放大核心
🧠 二、MOS 在類比的三大角色（背直覺就好）
2.1 角色 1：電流源（Current source）— 類比的骨架
直覺：
👉 把 MOS 放在飽和區，它就像「近似固定電流」的供應器，用來撐起整個電路。
ASCII 直覺圖（電流源供偏壓）：
VDD
|
| M1 (PMOS current source)
+---|<|-----o Ibias ----> 供給核心電路
|
(amplifier core)
|
GND
🧑🏫 初學者說明：
很多類比電路不是靠電阻撐住，而是靠「電流骨架」撐住。你先把電流定住，gm、噪聲、功耗就跟著被你掌控。
2.2 角色 2：跨導器（Transconductor）— 小電壓變大電流（gm）
最常見類比轉換：
👉 Δv → Δi
Δi ≈ gm · Δv直覺記法：
- gm 大：油門很靈，一點點 Δv 就能拉出很大的 Δi
- gm 小：反應遲鈍，增益不夠、噪聲更難壓
🧑🏫 初學者說明：
你把 MOS 當「電壓控制電流源（VCCS）」就對了。類比放大很多時候就是：先把電壓變電流，再把電流變電壓。
2.3 角色 3：可控電阻/開關（Analog switch）
用途超多：取樣保持、SC 濾波、混頻、斬波、多工
Vin o---[ MOS switch ]---o Vcap
工程重點不是「有沒有導通」，而是：
- Ron 夠不夠小（誤差/速度）
- charge injection 會不會亂丟電荷（造成跳一下）
- clock feedthrough 會不會把時脈耦進訊號
🧑🏫 初學者說明：
數位開關只要 0/1 正確就好；類比開關要你「導通得乾淨、關得乾淨、還不能亂丟電荷」。
🧠 三、類比設計的兩個核心參數：gm 與 ro
3.1 ro 是什麼？
ro 是輸出端看出去的「等效電阻」，代表電流源有多理想：
- ro 大：電流不太被 VDS 影響 → 比較像理想電流源
- ro 小：電流會被 VDS 拉著跑 → 增益被吃掉
🧑🏫 初學者說明：
把 ro 想成「電流源的硬度」：越硬越不容易被外界拉歪。
3.2 為什麼增益常常是 gm·ro？
共源極放大器的直覺就是兩段轉換：
- gm：把 Δv 變 Δi
- ro：把 Δi 變 Δvout
所以：
Av ≈ gm · ro直覺一句：
👉 gm 是力道，ro 是槓桿；力道 × 槓桿 = 放大倍數
🧠 四、最經典：共源極（Common-Source）放大器
ASCII：
VDD
|
[RD] (或用電流源當負載)
|
o---- Vout
|
|\
| \ NMOS
| \
| /
| /
|/
|
GND
Vin -> Gate
直覺：
Vin ↑ → Id ↑ → RD 壓降 ↑ → Vout ↓ ✅ 所以它是反相放大
🧑🏫 初學者說明：
你只要記住一句話： 👉 電流變大 → 上面掉更多電壓 → 輸出就掉下來（所以反相）。
🧠 五、類比的四大取捨（一定會遇到）
永遠在換：
- 增益（gm·ro）
- 線性（失真）
- 雜訊（底噪）
- 功耗（電流）
常見策略（保留原本概念）：
- 低噪：電流↑或尺寸↑（gm↑、1/f↓）但功耗↑
- 高增益：ro↑（cascode、長通道、較小電流）但速度/裕量可能↓
- 高線性：source degeneration / 回授，但增益↓
- 高速：電流↑、負載電容↓、路徑短，但功耗/供電壓力↑
🧠 六、它在哪些系統最關鍵（保留原本）
- 運放：差動對 gm、電流鏡偏壓、增益級 gm·ro、補償
- ADC：取樣開關、比較器 offset/雜訊、參考/供電隔離
- PLL/VCO/LDO：供電噪→相位噪/spur；LDO pass 元件與誤差放大
- 感測器前端：低頻 1/f、漂移 → chopper/CDS/auto-zero
- RF baseband/mixer：開關混頻、線性、雜訊、LO feedthrough
🧾 七、一句話記住本單元
🎛️ MOS 在類比世界的核心身份：
👉 受控電流源（偏壓/電流骨架）
👉 跨導放大器（gm：小電壓→大電流）
👉 類比開關（取樣/混頻/濾波） 類比語言：gm、ro、線性、雜訊、功耗五者平衡。
🔬 電子學實驗題（52/120）
實驗名稱
用 NMOS 做最小共源極放大器：觀察 gm·ro 增益、偏壓與線性（實務版）
🎯 實驗目的
- 建立 MOS 作為類比放大器的直覺（共源極反相放大）
- 觀察偏壓點對增益與失真的影響
- 用簡單方法感受 gm 與 ro 的影子
🧑🏫 初學者先讀這段（實驗要看什麼）
你做這個實驗不是為了「算得很準」，而是為了看見三件事：
- 偏壓對不對（Vout 能不能在中間）
- 增益是不是反相、會不會變（改 RD/RS 就會變）
- 什麼叫失真與削波（輸入太大或偏壓不對就會發生）
🧰 實驗器材（保留）
- NMOS：2N7000 / BS170
- 可調電源 VDD（5–12V，依元件）
- RD、RS（多組）
- 訊號源（10mV～100mV 正弦）
- 示波器、萬用電表
🔧 接線 ASCII 圖（完整、含偏壓與AC耦合）
(A) 最基本版本：Gate 用分壓做 DC 偏壓
VDD
|
[RD]
|
Vout o----+---------------------> scope CH2
|
|\
| \ NMOS
Vin(ac) ---||----| \
Cc | | /
| | /
[RG] |/
| |
Vbias [RS]
| |
GND GND
Vbias 由分壓產生：
VDD ---[R1]---o---[R2]--- GND
|
(to Gate via RG)
🧑🏫 初學者提醒：
- Cc 是「只讓 AC 進 Gate」，不影響 DC 偏壓
- 先把 DC 調好（Vout ≈ VDD/2），再談增益，不然一定削波
🔧 實驗步驟（含你會看到什麼）
A) 先調 DC 工作點（最重要）
- 先不要加 AC（或把 Vin 幅度設很小）
- 調 Gate 偏壓，讓 Vout ≈ VDD/2
- 記錄 VGS、Vout、ID（由 RD 壓降推）
你會看到：
- Vout 太高或太低都不行，因為擺幅會被卡死（很快削波）
B) 加入小訊號，量測增益（反相）
- Vin 用小正弦（例如 20mVpp）
- 量 |Vout/Vin| 與相位（會反相）
- 改 RD、RS 看變化
你會看到：
- RD 大：增益變大，但更容易削波
- RS 大：增益變小，但波形更順（線性變好）
C) 觀察失真/削波
- 慢慢把 Vin 變大
- 看輸出何時開始削頂/變形
- 把偏壓刻意調離 VDD/2，再重做一次
你會看到：
- 偏壓不在中間 → 很快單邊削波
- 偏壓在中間 → 可用擺幅最大
✅ 專業解析
- 為何反相：Vin ↑ → Id ↑ → RD 壓降 ↑ → Vout ↓
- 偏壓為何重要：要留上下擺幅空間
- RS 的意義：局部負回授 → 線性↑、增益↓、偏壓更穩
- gm·ro 的影子：gm 決定「Δv 拉得動多少 Δi」，ro 決定「Δi 換得出多少 Δvout」
🧑🏫 初學者一句話：
👉 你在做的其實是「先把機器站穩（偏壓），再看它能拉多大（增益），最後看它會不會扭曲（失真）」
🧠 工程結論（保留）
👉 你做出來的不只是「一個放大器」，而是類比世界的最小積木：
偏壓決定你站在哪裡，gm·ro 決定你能放多大，RS/回授決定你有多線性、多久穩。
