📘 第 55/120 單元🎚️ 單級放大器的基本架構— 類比放大器不是「放大」而已

— 而是：把小訊號搬到你能用的尺度，且要可控、可穩、可量產

🎯 單元目標（你學完會做到什麼）

完成本單元後，你將能夠：

• 看懂單級放大器最核心的三件事：偏壓、增益機制、輸出擺幅
• 分辨三種單級架構的工程角色：共源/共射、源/射極隨耦、共閘/共基
• 建立「增益從哪來」的直覺：gm 產生 Δi，ro/負載把 Δi 變 Δvout
• 把單級放大器連到實務：感測前端、buffer、LNA 前級、比較器前置級、運放級間核心

🧭 0. 初學者先讀：你到底在做什麼？

很多人以為放大器就是「把電壓放大」。

✅ 放大器的任務，是把很小、很難用的訊號，搬到可處理、可輸出、可量產的尺度

同時要：不亂飄（穩）、不失真（線性）、不超界（擺幅）、不太吵（雜訊）

一句話：你不是在畫電路，你是在管理 KPI。

🧭 一、超核心一句話（先釘在腦裡）

👉 單級放大器 = 一個「受控電流源（gm）」 + 一個「把電流變成電壓的負載（R 或 ro）」 + 一個「能站穩的偏壓點」

你只要抓住這三件事，就不會被電路畫法嚇到。

🧱 二、所有單級放大器的共同骨架

2.1 先學骨架，再學變形（最重要）

不管是 MOS 還是 BJT，單級放大器本質都在做這 3 步：

1. 偏壓（Bias）：讓元件站在「可以放大」的位置（工作點 Q）
2. 小訊號（Small-signal）：Δvin → 造成電流變化 Δi
3. 負載（Load）：Δi → 經負載轉成電壓 Δvout

2.2 概念電路（工程抽象）

        VDD
         |
     [ Load ]    ← 把電流變成電壓（R 或 ro）
         |
        vout
         |
     [ gm·vin ]  ← 小訊號等效：輸入控制電流
         |
        GND

2.3 初學者白話版

• 你輸入的是「電壓變一點點」
• 元件把它變成「電流變一點點」（靠 gm）
• 負載再把電流變化換成「輸出電壓變很多」

👉 放大器其實是：電壓控制電流 → 電流換成電壓

📌 三、三大工程 KPI（設計時必看）

3.1 增益（Gain）

最核心直覺：

• MOS：Av ≈ gm · Rout
• BJT：Av ≈ gm · Rout（只是 gm 的來源不同）

其中 Rout 可能是：

• 電阻 RD/RC
• 主動負載的 ro
• 兩者並聯（更接近真實）

✅ 你要背的不是電路，而是：

👉 增益 =「敏感度」gm ×「撐住電壓的硬度」Rout

3.2 輸出擺幅（Swing）

工程上最容易翻車的不是算錯增益，而是：

👉 放大到一半，輸出撞到天花板/地板飽和了。

擺幅限制來源：

• VDD 大小
• 負載形式（電阻 vs 主動負載）
• 元件需要的電壓裕量（MOS 的 VDS(sat)、BJT 的 VCE(sat) 等）

✅ 直覺：

你要留「上下空間」讓元件保持在正確區域，才能線性放大。

3.3 頻寬（Bandwidth）

單級放大器頻寬常被下面三個一起限制：

• 輸出節點總電容（Cload + 寄生）
• Miller 效應（Cgd 或 Cμ 放大）
• 輸出阻抗 Rout（越大越慢）

✅ 最重要直覺：

增益越大 → Miller 越嚴重 → 頻寬越小

這就是下一單元要接的主線：Gain–BW trade-off

🧠 四、三種最重要單級架構（像工程師一樣認人格）

4.1 共源 / 共射（Common-Source / Common-Emitter）

角色：主增益級（最常用）

共源 MOS 概念：

 VDD
  |
 [RD] 或主動負載
  |
 vout
  |
 |\
 | \  NMOS
 |  \
 |  /
 | /
 |/
  |
 GND

vin -> gate

✅ 初學者直覺：

• vin ↑ → Id ↑ → 負載壓降 ↑ → vout ↓
• 所以 反相，而且通常 有大增益

特性：

• ✅ 反相增益（|Av| > 1）
• ✅ 增益可大（gm·Rout）
• ⚠ 擺幅與頻寬易受限制（尤其 Miller）
• ⚠ 線性需靠偏壓、退化、回授改善

實務用途：

• 運放核心增益級
• 感測前端放大
• RF LNA（常加退化/匹配）

4.2 源/射極隨耦（Source / Emitter Follower）

角色：Buffer、阻抗轉換（不求大增益，求好驅動）

Source follower 概念：

 VDD
  |
 |\
 | \  NMOS
 |  \
 |  /
 | /
 |/
  |
 vout
  |
 [RS] 或 [I]
  |
 GND

vin -> gate

✅ 初學者直覺：

• gate 拉高 → source 會跟著抬高以維持 Vgs
• 所以輸出「跟著走」，但會少一點點

特性：

• ✅ 同相，電壓增益接近 1（略小）
• ✅ 輸出阻抗低（能推負載）
• ✅ Miller 較小，頻寬常更好
• ⚠ 無法 rail-to-rail（上限受 Vgs/Vth 限制）

實務用途：

• ADC 前端 buffer
• 參考電壓緩衝
• 推取樣電容
• 類比多工隔離

4.3 共閘 / 共基（Common-Gate / Common-Base）

角色：高速、寬頻、低輸入阻抗、電流轉電壓

Common-gate 概念：

 VDD
  |
 [Load]
  |
 vout
  |
 |\
 | \  NMOS
 |  \
 |  /
 | /
 |/
  |
 vin -> source
 gate 固定偏壓
  |
 GND

✅ 初學者直覺：

• gate 固定 → source 端「被拉得很緊」
• 所以輸入阻抗低、反應快、寬頻

特性：

• ✅ 低 Rin、寬頻
• ✅ Miller 影響小
• ⚠ 偏壓與輸出裕量更敏感

實務用途：

• 寬頻 LNA 某些架構
• 光電二極體 TIA 前端（常見變形）
• 高速電流模式電路

🎯 五、偏壓：不是「讓它導通」，是「讓它可放大」

初學者常犯的錯：只想讓 MOS 有電流、BJT 有電流。

但工程上偏壓真正目的：

✅ 讓工作點站在「擺幅中間」，上下都有空間

✅ 讓元件保持在正確區域（MOS 飽和 / BJT 主動） ✅ 讓溫度與製程漂移來了也不會立刻爆掉（可量產）

工程判斷句：

👉 把 DC 工作點設在輸出擺幅的中間附近，讓上下都有空間。

常見做法：共源極讓 Vout ≈ VDD/2 取得最大對稱擺幅。

🧩 六、真實晶片裡：單級放大器都藏在哪？

單級放大器很少「單獨存在」，通常嵌在系統裡：

• 運放：差動對 → 共源增益級 → follower/push-pull 輸出級
• ADC：follower 推取樣電容、隔離前後級
• RF LNA：共源 + 退化（線性/匹配）或共閘（寬頻低 Rin）
• 感測器前端：共源放大微小訊號 + chopper/CDS 壓 1/f

🧾 七、一句話記住本單元（收束）

🎚️ 單級放大器的工程本質：

👉 偏壓把元件放到可放大位置，gm 產生電流變化，負載把電流變成電壓。

三大人格：

• 共源/共射：主增益級
• follower：buffer/阻抗轉換
• 共閘/共基：高速寬頻/低輸入阻抗

🔬 電子學實驗題（55/120）

實驗：做出最小單級放大器

比較共源極 vs 源極隨耦的增益、擺幅與失真（實務版）

🎯 實驗目的（初學者版）

用同一顆 MOS 做兩種接法，你會看到：

• 共源：有增益、反相（但更容易失真/撞擺幅）
• 隨耦：近 1 倍、同相（但更能推負載、更穩）

👉 你會學到：同一顆 MOS，接法一變，性格就變。

🧰 實驗器材

• NMOS：2N7000 / BS170（或類似）
• VDD 可調：5V～12V
• RD、RS、分壓偏壓電阻（或可調電位器）
• 訊號源：正弦 10mV～200mV
• 示波器 2ch
• 萬用電表（量 DC 工作點）

🔧 接線 1：共源極（Common-Source）

 VDD o---[RD]---o Vout
               |
              |\
Vin(ac)--||---| \  NMOS
      Cc      |  \
Bias--[R]-----|  /
              | /
              |/
               |
              GND

🔧 接線 2：源極隨耦（Source Follower）

 VDD o-----------o
                 |
                |\
Vin(ac)--||-----| \  NMOS
      Cc        |  \
Bias--[R]-------|  /
                | /
                |/
                 |
                Vout
                 |
               [RS] 或 [I]
                 |
                GND

🔧 實驗步驟（文字條列版）

A) 先調 DC 偏壓（兩個電路都要做）

• 先不加 AC，只調 Gate Bias
• 共源：調到 Vout ≈ VDD/2
• 隨耦：讓 Vout 落在中間區（上下擺幅都夠）

📌 預期：偏壓在中間 → 擺幅最大、失真最小

B) 加小訊號，量增益與相位

• Vin 用 20mVpp 正弦
• 量 Vout 幅度、相位
• 比較：
• • 共源：反相，|Av| 通常 > 1
  • 隨耦：同相，Av ≈ 1（略小）

C) 增加 Vin 觀察削波與失真

• 逐步加大 Vin
• 記錄 Vout 開始削波的門檻
• 比較擺幅限制差異

📌 預期：

• 共源增益高，但更早撞到擺幅限制 → 先失真
• 隨耦增益小，但波形更乾淨、推負載更穩

✅ 專業解析（初學者也能看懂）

解析 1：共源為什麼反相有增益？

• Vin ↑ → Id ↑ → RD 壓降 ↑ → Vout ↓（反相）
• 增益來源：Δi = gm·Δvin，再由 RD/ro 轉成 Δvout

解析 2：隨耦為什麼接近 1 倍？

• Gate 拉高，Source 跟著抬高以維持 Vgs
• 所以輸出跟隨輸入，但少一點（要留 Vgs）

解析 3：偏壓不對為何會失真？

• 偏壓太靠近上/下邊界
• 一加訊號就撞到限制 → 削波失真

解析 4：工程用途對應

• 共源：你要增益、要放大小訊號
• 隨耦：你要驅動、隔離、低輸出阻抗

🧠 工程結論（最後收束）

👉 單級放大器核心不是背電路，而是：

• 偏壓決定你能不能放大、能不能量產
• 架構決定你追求的是「增益」還是「驅動能力」
• 負載決定你能換出多少輸出電壓與擺幅