CN107592078A - 运算放大器电路及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供的运算放大器电路包括第一级运算放大器模组以及第二级运算放大器模组，第一级运算放大器模组包括四个碳纳米管，第二级运算放大器模组包括两个碳纳米管，第一级运算放大器模组的第一信号输入端口与外部信号源耦合，其第一信号输出端口与第二级运算放大器模组的第二信号输入端口耦合，第二级运算放大器模组的第二信号输出端口和负载耦合，使用碳纳米管与现有的CMOS管相比，可以获得高的直流增益，高的联合增益带宽，较低限度的恢复时间和功耗。

Description

运算放大器电路及设计方法
技术领域
本发明涉及电子器件领域，具体地，涉及一种运算放大器电路及设计方法。
背景技术
受到众多诸如极短沟道效应、光刻技术的制约，工艺差异，漏电流和源漏隧穿的挑战，CMOS工艺逐渐到达极限。
运算放大器(通常称为运放)是模拟和混合信号电路的关键元素。由于供电电压不断降低的趋势，设计高性能的模拟集成电路成为本领域越来越迫切的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种运算放大器电路及设计方法，以改善现有技术中两级运算放大器在功耗较大、性能较差的问题。
为实现上述目的，采用以下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种运算放大器电路，所述运算放大器电路包括：第一级运算放大器模组以及第二级运算放大器模组，所述第一级运算放大器模组包括四个碳纳米管，所述第二级运算放大器模组包括两个碳纳米管。所述第一级运算放大器模组的第一信号输入端口和外部信号源耦合，所述第一级运算放大器模组的第一信号输出端口和所述第二级运算放大器模组的第二信号输入端口耦合，所述第二级运算放大器模组的第二信号输出端口和负载耦合。所述第一级运算放大器模组用于通过所述第一信号输入端口接收所述外部信号源输入的信号，并将所述信号调节为第一放大信号后，通过所述第一信号输出端口输出到所述第二级运算放大器模组；所述第二级运算放大器模组用于通过所述第二信号输入端口接收所述第一放大信号，并将所述第一放大信号调节为第二放大信号后通过所述第二信号输出端口输出到所述负载。
另一方面，本发明实施例还提供了一种运算放大器电路设计方法，所述方法包括：获得碳纳米管的栅极的长度Wg；获取碳纳米管的阈值电压Vth；选择碳纳米管的栅极的长度为Wg、碳纳米管的阈值电压为Vth的碳纳米管构件运算放大器电路。
本发明实施例提供的运算放大器电路及设计方法的有益效果为：
本发明实施例提供的运算放大器电路包括第一级运算放大器模组以及第二级运算放大器模组，第一级运算放大器模组包括四个碳纳米管，第二级运算放大器模组包括两个碳纳米管，第一级运算放大器模组的第一信号输入端口与外部信号源耦合，其第一信号输出端口与第二级运算放大器模组的第二信号输入端口耦合，第二级运算放大器模组的第二信号输出端口和负载耦合，使用碳纳米管与现有的CMOS管相比，可以获得高的直流增益，高的联合增益带宽，较低限度的恢复时间和功耗。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明较佳实施例提供的运算放大器电路的方框示意图；
图2是本发明较佳实施例提供的运算放大器电路的电路图；
图3是本发明较佳实施例提供的运算放大器电路的碳纳米管的碳纳米管的参数示意图；
图4是本发明较佳实施例提供的运算放大器电路设计方法的流程示意图。
图标：100-运算放大器电路；110-第一级运算放大器模组；120-第二级运算放大器模组；M1-第一碳纳米管；M2-第二碳纳米管；M3-第三碳纳米管；M4-第四碳纳米管；M5-第五碳纳米管；M6-第六碳纳米管；M7-第七碳纳米管；M8-第八碳纳米管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的运算放大器电路100的方框示意图，图2是本发明实施例提供的运算放大器电路100的电路图，详情请参见图1和图2，运算放大器电路100包括：第一级运算放大器模组110以及第二级运算放大器模组120。第一级运算放大器模组110的第一信号输入端口与外部信号源耦合，第一级运算放大器模组110的第一信号输出端口和第二级运算放大器模组120的第二信号输入端口耦合，第二级运算放大器模组120的第二信号输出端口与负载耦合。
第一级运算放大器模组110包括四个碳纳米管，具体地，包括第一碳纳米管M1、第二碳纳米管M2、第三碳纳米管M3以及第四碳纳米管M4，请参见图2，
第一碳纳米管M1的栅极以及第二碳纳米管M2的栅极均与所述外部信号源耦合，所述第一碳纳米管M1的漏极与所述第三碳纳米管M3的漏极连接，所述第二碳纳米管M2的漏极与所述第四碳纳米管M4的漏极连接。所述第三碳纳米管M3的栅极与所述第四碳纳米管M4的栅极连接。所述第三碳纳米管M3的源极以及第四碳纳米管M4的源极均与所述第二信号输入端口耦合。
第二级运算放大器模组120包括两个碳纳米管，具体地，包括第五碳纳米管M5以及第六碳纳米管M6。所述第五碳纳米管M5的源极与第三碳纳米管M3的源极以及第四碳纳米管M4的源极连接。所述第五碳纳米管M5的漏极与所述负载耦合，所述第五碳纳米管M5的栅极分别与所述第二碳纳米管M2的漏极以及第四碳纳米管M4的漏极连接。
所述第六碳纳米管M6的源极分别与所述第二碳纳米管M2的漏极以及第四碳纳米管M4的漏极连接，所述第六碳纳米管M6的漏极经所述第一电容器与所述负载耦合。
其中，第三碳纳米管M3的源极、第四碳纳米管M4的源极以及第五碳纳米管M5的源极均与电源Vdd连接。
在本申请实施例提供的运算放大器电路100中，还包括第七碳纳米管M7以及第八碳纳米管M8，第七碳纳米管M7的漏极分别与第一碳纳米管M1的源极以及第二碳纳米管M2的源极连接，第七碳纳米管M7的栅极与外部电源Vbias连接，该外部电源Vbias用于输入偏置电压，第七碳纳米管M7的源极接地。
第八碳纳米管M8的栅极与外部电源Vbias连接，第八碳纳米管M8的源极接地，第八碳纳米管M8的漏极与第二级运算放大器模组120的第二信号输出端口连接。
碳纳米管是围绕在一个向量方向卷起的一层石墨，单侧的碳纳米管可以是导体也可以是半导体，具体取决于(n,m)标明的碳原子沿着碳纳米管方向排列的角度。碳纳米管的类型具体可以有两种，一种是直接在源-沟道结中的肖特基势垒进行隧穿的器件。基势宽度受到施加的山崖的调制，故器件的跨导依赖于栅压。该种碳纳米管的肖特基结的能量势垒限制了碳纳米管在开态的跨导，降低了电流传送的能力，而电流传送的能力又是器件速度的重要影响因素，故该种碳纳米管的应用并不广泛。因此，本发明实施例使用的碳纳米管为非肖特基势垒类的碳纳米管。
非肖特基势垒类的碳纳米管在真空或惰性环境以外的空气中依然稳定，并且具有较高的开/关(Ion/Ioff)比例，因此，非肖特基势垒类的碳纳米管适用于高性能数字应用。
碳纳米管包括条状栅极、条状源极以及条状漏极，条状栅极的底部连接有多根平行分布的纳米管，且多个纳米管的一端与条状源极连接，另一端与条状漏极连接。
具体地，可以根据公式Wg＝max(Wmin,N*Pitch)获得所述碳纳米管的栅极的长度Wg，其中，Wmin为最小栅极长度，N为栅极下部纳米管的数量，Pitch为栅极下部的相邻两个纳米管之间的距离。
碳纳米管的阈值电压可以通过改变碳纳米管的直径来调整，碳纳米管的直径具体可以通过如下公式进行计算：
其中，DCNT为所述碳纳米管的直径，a为晶格常数，取2.49A；n1,n2为螺旋系数，具体地(n1,n2)＝(19,0)。
确定碳纳米管的直径，再根据公式获取阈值电压Vth，其中，DCNT为所述碳纳米管的直径。其中，Vπ为紧凑键合模型碳pi-pi键，e为单位电荷量。根据上式可以得出碳纳米管的阈值电压和直径为反函数。设m在螺旋向量中始终保持零，则两个不同螺旋系数的碳纳米管的阈值电压比为：
根据上述可以得出，碳纳米管的阈值电压反比于螺旋系数，阈值电压由直径决定。
请参见图2，图2示出的电路图的工作原理为：
外部信号源分别与第一碳纳米管M1的栅极和第二碳纳米管M2的栅极连接，外部信号源输入的信号经第一碳纳米管M1、第二碳纳米管M2、第三碳纳米管M3以及第四碳纳米管M4的放大后被调节为第一放大信号，第一放大信号经由第三碳纳米管M3的源极以及第四碳纳米管M4的源极传递到第五碳纳米管M5的源极，第六碳纳米管M6导通从而使得第五碳纳米管M5导通，以使第五碳纳米管M5对第一放大信号进行放大调节成第二放大信号，并且将第二放大信号输出至负载。
第七碳纳米管M7以及第八碳纳米管M8与电源Vbias连接，电源Vbias为第七碳纳米管M7以及第八碳纳米管M8提供偏置电压，以使第七碳纳米管M7以及第八碳纳米管M8处于偏置状态。
请参见图3，图3示出了本发明实施例提供的运算放大器电路100所用到的碳纳米管的各参数以及各参数的具体数值。具体包括沟道长度Lch，数值为32nm；碳纳米通道本征平均自由行程Lgeff，数值为100nm；沟道宽度Lss，数值为32nm；掺杂碳纳米管漏极扩展域Ldd，数值为32nm；高介电常数材料的介电常数Kgate，数值为16；高介电常数材料的厚度Tox，数值为4nm以及沟道区和底层间的耦合电容Csub，数值为20pF/m。
请参见图4，图4示出了本发明较佳实施例提供的运算放大器电路100设计方法的流程示意图，具体包括如下步骤：
步骤S110，获得碳纳米管的栅极的长度Wg。
具体地，可以根据公式Wg＝max(Wmin,N*Pitch)获得所述碳纳米管的栅极的长度Wg，其中，Wmin为最小栅极长度，N为栅极下部纳米管的数量，Pitch为栅极下部的相邻两个纳米管之间的距离。
步骤S120，获取碳纳米管的阈值电压Vth。
碳纳米管的阈值电压可以通过改变碳纳米管的直径来调整，碳纳米管的直径具体可以通过如下公式进行计算：
其中，DCNT为所述碳纳米管的直径，a为晶格常数，取2.49A；n1,n2为螺旋系数，具体地(n1,n2)＝(19,0)。
确定碳纳米管的直径，再根据公式获取阈值电压Vth，其中，DCNT为所述碳纳米管的直径。其中，Vπ为紧凑键合模型碳pi-pi键，e为单位电荷量。根据上式可以得出碳纳米管的阈值电压和直径为反函数。设m在螺旋向量中始终保持零，则两个不同螺旋系数的碳纳米管的阈值电压比为：
根据上述可以得出，碳纳米管的阈值电压反比于螺旋系数，阈值电压由直径决定。
步骤S130，选择碳纳米管的栅极的长度为Wg、碳纳米管的阈值电压为Vth的碳纳米管构建运算放大器电路100。
获得碳纳米管的栅极的长度以及阈值电压后，选择相应长度和阈值电压的碳纳米管构建运算放大器电路100。
本发明实施例提供的运算放大器电路100包括第一级运算放大器模组110以及第二级运算放大器模组120，第一级运算放大器模组110包括四个碳纳米管，第二级运算放大器模组120包括两个碳纳米管，第一级运算放大器模组110的第一信号输入端口与外部信号源耦合，其第一信号输出端口与第二级运算放大器模组120的第二信号输入端口耦合，第二级运算放大器模组120的第二信号输出端口和负载耦合，使用碳纳米管与现有的CMOS管相比，可以获得高的直流增益，高的联合增益带宽，较低限度的恢复时间和功耗。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法的可能实现的体系架构、功能和操作。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种运算放大器电路，其特征在于，所述运算放大器电路包括：第一级运算放大器模组以及第二级运算放大器模组，所述第一级运算放大器模组包括四个碳纳米管，所述第二级运算放大器模组包括两个碳纳米管；
所述第一级运算放大器模组的第一信号输入端口和外部信号源连接，所述第一级运算放大器模组的第一信号输出端口和所述第二级运算放大器模组的第二信号输入端口连接，所述第二级运算放大器模组的第二信号输出端口和负载连接；
所述第一级运算放大器模组用于通过所述第一信号输入端口接收所述外部信号源输入的信号，并对所述信号进行一级放大，获得第一放大信号；
所述第二级运算放大器模组用于通过所述第二信号输入端口接收所述第一放大信号，并对所述第一放大信号进行二级放大，获得第二放大信号后。
2.根据权利要求1所述的运算放大器电路，其特征在于，所述第一级运算放大器模组包括第一碳纳米管、第二碳纳米管、第三碳纳米管以及第四碳纳米管；
所述第一碳纳米管的栅极以及第二碳纳米管的栅极均与所述外部信号源连接，所述第一碳纳米管的漏极与所述第三碳纳米管的漏极连接，所述第二碳纳米管的漏极与所述第四碳纳米管的漏极连接；
所述第三碳纳米管的栅极与所述第四碳纳米管的栅极连接，所述第三碳纳米管的源极以及第四碳纳米管的源极均与所述第二信号输入端口连接。
3.根据权利要求2所述的运算放大器电路，其特征在于，所述第二级运算放大器模组包括第五碳纳米管、第六碳纳米管以及第一电容器；
所述第五碳纳米管的源极与所述第一信号输出端口连接，所述第五碳纳米管的漏极与所述负载连接，所述第五碳纳米管的栅极分别与所述第二碳纳米管的漏极以及第四碳纳米管的漏极连接；
所述第六碳纳米管的源极分别与所述第二碳纳米管的漏极以及第四碳纳米管的漏极连接，所述第六碳纳米管的漏极经所述第一电容器与所述负载连接。
4.根据权利要求3所述的运算放大器电路，其特征在于，所述运算放大器电路还包括第七碳纳米管，所述第七碳纳米管的漏极分别与所述第一碳纳米管的源极以及第二碳纳米管的源极连接，
所述第七碳纳米管的栅极与外部电源连接，所述外部电源用于向所述第七碳纳米管输入偏置电压；
所述第七碳纳米管的源极接地。
5.根据权利要求4所述的运算放大器电路，其特征在于，所述运算放大器电路还包括第八碳纳米管，所述第八碳纳米管的栅极与所述外部电源连接，
所述第八碳纳米管的源极接地，所述第八碳纳米管的漏极与所述第二信号输出端口连接。
6.根据权利要求1-5中任一权项所述的运算放大器电路，其特征在于，所述碳纳米管为非肖特基势垒类的碳纳米管。
7.根据权利要求6所述的运算放大器电路，其特征在于，根据公式Wg＝max(Wmin,N*Pitch)获得所述碳纳米管的栅极的长度Wg，其中，Wmin为最小栅极长度，N为栅极下部纳米管的数量，Pitch为栅极下部的相邻两个纳米管之间的距离。
8.根据权利要求7所述的运算放大器电路，其特征在于，根据公式获取阈值电压Vth，其中，DCNT为所述碳纳米管的直径。
9.根据权利要求8所述的运算放大器电路，其特征在于，所述碳纳米管包括条状栅极、条状源极以及条状漏极，所述条状栅极的底部连接有多根平行分布的纳米管，多根所述纳米管的一端与所述条状源极连接，多根所述纳米管的另一端与所述条状漏极连接。
10.一种运算放大器电路设计方法，其特征在于，所述方法包括：
获得碳纳米管的栅极的长度Wg；
获取碳纳米管的阈值电压Vth；
选择碳纳米管的栅极的长度为Wg、碳纳米管的阈值电压为Vth的碳纳米管构建运算放大器电路。
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