源极跟随器(Source Follower)主要用来降低输出阻抗。体效应(Body Effect)、有限的输出电阻(Output Resistance)和负载电流,都会影响输出对输入的跟随。
体效应如何影响跟随
以 NMOS 跟随器为例:漏极接电源,体端(Body)电压固定。源极电压上升时,源体电压 VSB 增大,阈值电压随之升高,抵消了一部分输入信号带来的漏电流增长。
栅极通过跨导(Transconductance)gm 控制电流;体端则贡献体跨导(Body Transconductance)gmb。只要源极相对体端有小信号摆动,两项都要考虑。
静态 VSB 为零,并不代表小信号体效应消失。关键是体端是否随源极一起变化。体源有效短接可使小信号体源电压为零,但能否这样连接,取决于工艺和阱隔离(Well Isolation)。
增益为什么小于 1
漏端和体端处于交流地(AC Ground)、输入端由小信号驱动时,低频电压增益近似为:
GL 包含跟随器自身的输出电导(Output Conductance)、偏置电流源的输出电导和外接电阻负载的电导。
即使 GL 可忽略,只要 gmb 存在,增益就小于 1。增大偏置电流未必能消除这项误差,因为 gm 和 gmb 往往同时增大。提高偏置电流源的输出电阻能减小负载影响,但不能消除体效应。
输出电阻低,不等于跟得准
求输出节点等效电阻时,输入、漏端和体端均交流接地:
体效应同时降低电压增益和等效电阻。这里的 Rout 包含外接负载,不能直接视为空载缓冲器自身的输出电阻。
若负载电容 CL 占主导,且栅极驱动阻抗足够低,输出极点(Output Pole)近似为:
这只是单极点估算。栅极驱动阻抗和寄生电容可能引入其他极点、零点。大信号充放电还受可用电流限制,小信号带宽足够,不代表大摆幅阶跃的建立时间(Settling Time)也足够短。
先查工作范围,再优化速度
先扫描输入范围,检查跟随器和偏置电流源是否留有足够的漏源电压。接近摆幅上下限时,上述小信号估算可能不再适用。
实际设计要一起检查增益、输出摆幅、负载电流和建立时间。加大电流能改善驱动,但不能替代足够的电压裕量(Voltage Headroom)和合适的电路拓扑。