CN110113016A - 一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器及芯片，包括：输入电路、输出缓冲器以及若干个自举结构单元，自举结构单元包含薄膜晶体管和电容，薄膜晶体管的漏极和栅极均与同一电压节点连接，薄膜晶体管的源极与电容的一端连接，电容的另一端与输出信号节点连接，输出缓冲器由若干个薄膜晶体管的源极与漏极串联组成，输出缓冲器的两端分别连接输入电压节点和输出信号节点，每个自举结构单元中的薄膜晶体管的源极连接一个输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极，输入电路包括输入信号节点、输出信号节点和接地节点。本发明可以提高电路增益，结构简单，制造成本低。本发明可以广泛应用于集成电路领域。

Description

一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器及芯片
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器及芯片。
背景技术
TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)，制造成本低、透明性好以及可制作于柔性衬底上等优点，基于TFT工艺的高增益放大器在可穿戴电子设备、射频标签、以及生物传感器等领域具有广阔的应用前景。
TFT由于缺乏如CMOS商业化的器件模型以及完善的工艺库，使得TFT电路的设计和仿真迎来不小的挑战。此外，金属氧化物薄膜晶体管工艺通常只能制造n型器件，互补器件p型TFT的缺失，使得TFT电路在稳态时通常会存在较大的漏电流，进一步导致高增益宽带放大器电路的设计面临挑战。现有的基于TFT工艺放大器增益普遍不高，难以满足各领域不同场合下的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器及芯片。该发明电路结构简单，可以实现高增益。
第一方面，本发明提供一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器，包括：输入电路、输出缓冲器以及若干个自举结构单元；所述自举结构单元包含薄膜晶体管和电容，所述薄膜晶体管的漏极和栅极均与同一电压节点连接，所述薄膜晶体管的源极与所述电容的一端连接，所述电容的另一端与输出信号节点连接；所述输出缓冲器由若干个薄膜晶体管串联组成，所述输出缓冲器的两端分别连接输入电压节点和输出信号节点；每个所述自举结构单元中的薄膜晶体管的源极连接一个所述输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极；所述输入电路包括输入信号节点、输出信号节点和接地节点。
优选地，所述薄膜晶体管均为n型薄膜晶体管。
优选地，所述自举结构单元中的薄膜晶体管工作时处于截止状态。
优选地，所述输入电路由共源共栅电路构成。
优选地，所述输入电路包含两个n型薄膜晶体管。
优选地，所述输入电路的两个n型薄膜晶体管工作时均处于饱和区。
优选地，所述放大器包含第一至第四自举结构单元；所述输出缓冲器包括4个薄膜晶体管。
优选地，基于薄膜晶体管的自举结构放大器的具体电路如下：
所述输入电路由第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管构成，所述第一薄膜晶体管的源极与接地节点连接，所述第一薄膜晶体管的漏极连接第二薄膜晶体管的源极，所述第二薄膜晶体管的漏连接所述输出信号节点，所述第一薄膜晶体管的栅极连接所述输入信号节点，所述第二薄膜晶体管的栅极连接偏置电压节点；
所述输出缓冲器由第三薄膜晶体管、第四薄膜晶体管、第五薄膜晶体管、第六薄膜晶体管构成，所述第六薄膜晶体管的漏接连接所述输入电压节点，所述第六薄膜晶体管的源极连接第五薄膜晶体管的漏极，所述第五薄膜晶体管的源极连接第四薄膜晶体管的漏极，所述的第四薄膜晶体管的源极连接第三薄膜晶体管的漏极，所述第三薄膜晶体管的源极连接所述输出信号节点；
第一自举结构单元由第七薄膜晶体管和第一电容构成；所述第七薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第一偏置电压节点，所述第七薄膜晶体管的源极连接所述第三薄膜晶体管的栅极及第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接所述输出信号节点；
第二自举结构单元由第八薄膜晶体管和第二电容构成，所述第八薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第二偏置电压节点，所述第八薄膜晶体管的源极连接所述第四薄膜晶体管的栅极及第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接所述输出信号节点；
第三自举结构单元由第九薄膜晶体管和第三电容构成，所述第九薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第三偏置电压节点，所述第九薄膜晶体管的源极连接所述第五薄膜晶体管的栅极及第三电容的一端，所述第三电容的另一端连接所述输出信号节点；
第四自举结构单元由第十薄膜晶体管和第四电容构成，所述第十薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第四偏置电压节点，所述第十薄膜晶体管的源极连接所述第六薄膜晶体管的栅极及第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接所述输出信号节点。
第二方面，本发明提供一种芯片，包括：封装和上述所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，所述基于薄膜晶体管的自举结构放大器被包裹在封装之内。
实施本发明实施例具有如下有益效果：本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，自举结构单元的薄膜晶体管的漏极和栅极均与同一电压节点连接，自举结构单元的薄膜晶体管的源极与电容及输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极连接，电容的另一端连接到输出信号节点。可见，放大器通过自举结构单元提高电压，并与输出缓冲器形成反馈回路，以提高输出缓冲器的电压，进而提高电路增益。此电路结构简单，制造成本低，应用范围广。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器的一种电路模块框图；
图2是本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器的一种电路原理图；
图3是本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器的一种自举结构单元的电路原理图；
图4是本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器的一种输出缓冲器的电路原理图；
图5是本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器的一种输入电路的电路原理图；
图6是本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器的一种仿真结果示意图；
图7是本发明实施例提供的基于薄膜晶体管的自举结构放大器的另一种仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
参阅图1及图2，本发明实施例提供的一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器，包括：输入电路、输出缓冲器以及若干个自举结构单元；所述自举结构单元包含薄膜晶体管和电容，所述薄膜晶体管的漏极和栅极均与同一电压节点连接，所述薄膜晶体管的源极与所述电容的一端连接，所述电容的另一端与输出信号节点连接；所述输出缓冲器由若干个薄膜晶体管串联组成，所述输出缓冲器的两端分别连接输入电压节点和输出信号节点；每个所述自举结构单元中的薄膜晶体管的源极连接一个所述输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极；所述输入电路包括输入信号节点、输出信号节点和接地节点。
具体地，输入电路包括输入信号节点、输出信号节点和接地节点，自举结构单元的个数与输出缓冲器中薄膜晶体管的个数相同，一个自举结构单元中晶体管源极连接输出缓冲器中一个薄膜晶体管的栅极。自举结构单元是放大器的核心电路，自举结构单元中的薄膜晶体管的参数根据具体情况设置，若干个薄膜晶体管的参数设置不尽相同。
参阅图3，自举结构单元中薄膜晶体管的栅极与漏极相连，并连接同一偏置电压节点，通过合理设置薄膜晶体管的宽长比，使薄膜晶体管相当于负载管工作，使自举结构单元相当于自举升压二极管；自举结构单元中薄膜晶体管的源极连接电容，电容可以储存电荷，当电容进行放电时，自举结构单元薄膜晶体管的源极电压相当于电容的放电电压加上偏置电压，从而使源极电压提高，提高电路增益，扩大电路的动态范围。
参阅图4，输出缓冲器由若干个薄膜晶体管的源极与漏极串联组成，输出缓冲器的两端分别连接输入电压节点和输出信号节点，每个所述自举结构单元中的薄膜晶体管的源极连接一个所述输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极，自举结构单元具有升压的作用，再将提升后的电压通过自举结构单元中的薄膜晶体管的源极连接所述输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极，形成反馈回路，从而使输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极电压被抬高，以提高电路的增益。此外，输出缓冲器还可以提高电路的抗干扰性能。
自举结构单元的薄膜晶体管的漏极和栅极均与同一电压节点连接，自举结构单元的薄膜晶体管的源极与电容及输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极连接，电容的另一端连接到输出信号节点。可见，放大器通过自举结构单元提高电压，并与输出缓冲器形成反馈回路，以提高输出缓冲器的电压，进而提高电路增益。此电路结构简单，制造成本低，应用范围广。
优选地，所述薄膜晶体管均为n型薄膜晶体管。n型薄膜晶体管是目前制造工艺可以实现的，使用方便，成本低。
优选地，所述自举结构单元中的薄膜晶体管工作时处于截止状态。薄膜晶体管工作在截止区，可以提高电路的有源负载。
优选地，所述输入电路由共源共栅电路构成。共源共栅电路具有放大作用，同时可以增加电路的带宽。
优选地，所述输入电路包含两个n型薄膜晶体管。参阅图5，输入电路中，其中一个薄膜晶体管的源极连接另一个薄膜晶体管的漏极，连接接地节点的薄膜晶体管的栅极连接输入信号节点，另一个薄膜晶体管的栅极连接偏置电压节点。当然，作为替代实施例，所述输入电路也可以由单个薄膜晶体管组成，或者由三个以上的薄膜晶体管串联而成。
优选地，所述输入电路两个的n型薄膜晶体管工作时均处于饱和区。工作指电路被指定的工作状态。通过合理的设置薄膜晶体管宽长比参数以及偏置电压，使得输入电路的薄膜晶体管均工作于饱和区，可以提高电路的输出阻抗。
优先地，所述放大器包含第一至第四自举结构单元及所述输出缓冲器包括4个薄膜晶体管。经过实验验证，由4个自举结构单元及输出缓冲器包括4个薄膜晶体管组成的放大器的输出信号增益较高，带宽大。
优先地，参阅图2，基于薄膜晶体管的自举结构放大器的具体电路如下：
所述输入电路由第一薄膜晶体管T1和第二薄膜晶体管T2构成，所述第一薄膜晶体管T1的源极与接地节点GND连接，所述第一薄膜晶体管的漏极连接第二薄膜晶体管T2的源极，所述第二薄膜晶体管T2的漏连接所述输出信号节点VO，所述第一薄膜晶体管T1的栅极连接输入信号Vin，所述第二薄膜晶体管T2的栅极连接偏置电压Vb；
所述输出缓冲器由第三薄膜晶体管T3、第四薄膜晶体管T4、第五薄膜晶体管T5、第六薄膜晶体管T6构成，所述第六薄膜晶体管T6的漏极连接所述输入电压节点VDD，所述第六薄膜晶体管T6的源极连接第五薄膜晶体管T5的漏极，所述第五薄膜晶体管T5的源极连接第四薄膜晶体管T4的漏极，所述的第四薄膜晶体管T4的源极连接第三薄膜晶体管T3的漏极，所述第三薄膜晶体管T3的源极连接所述输出信号节点VO；
第一自举结构单元由第七薄膜晶体管T7和第一电容C1构成，所述第七薄膜晶体管T7的漏极及栅极均连接第一偏置电压节点VC1，所述第七薄膜晶体管T7的源极连接所述第三薄膜晶体管T3的栅极及第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接所述输出信号节点VO；
第二自举结构单元由第八薄膜晶体管T8和第二电容C2构成，所述第八薄膜晶体管T8的漏极及栅极均连接第二偏置电压节点VC2，所述第八薄膜晶体管T8的源极连接所述第四薄膜晶体管T4的栅极及第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端连接所述输出信号节点VO；
第三自举结构单元由第九薄膜晶体管T9和第三电容C3构成，所述第九薄膜晶体管T9的漏极及栅极均连接第三偏置电压节点VC3，所述第九薄膜晶体管T9的源极连接所述第五薄膜晶体管T5的栅极及第三电容C3的一端，所述第三电容C3的另一端连接所述输出信号节点VO；
第四自举结构单元由第十薄膜晶体管T10和第四电容C4构成，所述第十薄膜晶体管T10的漏极及栅极均连接第四偏置电压节点VC4，所述第十薄膜晶体管T10的源极连接所述第六薄膜晶体管T6的栅极及第四电容C4的一端，所述第四电容C4的另一端连接所述输出信号节点VO。
实施本发明具有如下有益效果：自举结构单元的薄膜晶体管的漏极和栅极均与同一电压节点连接，自举结构单元的薄膜晶体管的源极与电容及输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极连接，电容的另一端连接到输出信号节点，输入电路为共源共栅电路。可见，放大器通过自举结构单元提高电压，并与输出缓冲器形成反馈回路，以提高输出缓冲器的电压，进而提高电路增益；输入电路提高电路的输出阻抗，增大带宽。此电路结构简单，制造成本低，应用范围广。
另一方面，本发明实施例提供一种芯片，包括：封装和如上述所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，所述基于薄膜晶体管的自举结构放大器被包裹在封装之内。所述封装包括BGA、SOP，在芯片保证性能满足要求的情况下，封装越小越好，利于扩大芯片的应用范围。
芯片与上述基于薄膜晶体管的自举结构放大器实现相同的功能。
本发明提供另一实施例，对上述基于薄膜晶体管的自举结构放大器进行电路仿真，仿真结果如图6所示，当负载为空载时，得到其最高增益为117dB，-3dB带宽为11.7kHz；如果考虑测试负载(10MΩ//16pF)对其的影响，仿真结果如图7所示，得到其最高增益为110dB，-3dB带宽为8.1kHz。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于，包括：
输入电路、输出缓冲器以及若干个自举结构单元；
所述自举结构单元包含薄膜晶体管和电容，所述薄膜晶体管的漏极和栅极均与同一电压节点连接，所述薄膜晶体管的源极与所述电容的一端连接，所述电容的另一端与输出信号节点连接；
所述输出缓冲器由若干个薄膜晶体管串联组成，所述输出缓冲器的两端分别连接输入电压节点和输出信号节点；
每个所述自举结构单元中的薄膜晶体管的源极连接一个所述输出缓冲器中的薄膜晶体管的栅极；
所述输入电路包括输入信号节点、输出信号节点和接地节点。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于，所述薄膜晶体管均为n型薄膜晶体管。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于，所述自举结构单元中的薄膜晶体管工作时处于截止状态。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于，所述输入电路由共源共栅电路构成。
5.根据权利要求4所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于，所述输入电路包含两个n型薄膜晶体管。
6.根据权利要求5所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于，所述输入电路的两个n型薄膜晶体管工作时均处于饱和区。
7.根据权利要求1所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于，所述放大器包括第一至第四自举结构单元；所述输出缓冲器包括4个薄膜晶体管。
8.根据权利要求7所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，其特征在于：
所述输入电路由第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管构成，所述第一薄膜晶体管的源极与接地节点连接，所述第一薄膜晶体管的漏极连接第二薄膜晶体管的源极，所述第二薄膜晶体管的漏连接所述输出信号节点，所述第一薄膜晶体管的栅极连接所述输入信号节点，所述第二薄膜晶体管的栅极连接偏置电压节点；
所述输出缓冲器由第三薄膜晶体管、第四薄膜晶体管、第五薄膜晶体管、第六薄膜晶体管构成，所述第六薄膜晶体管的漏接连接所述输入电压节点，所述第六薄膜晶体管的源极连接第五薄膜晶体管的漏极，所述第五薄膜晶体管的源极连接第四薄膜晶体管的漏极，所述的第四薄膜晶体管的源极连接第三薄膜晶体管的漏极，所述第三薄膜晶体管的源极连接所述输出信号节点；
第一自举结构单元由第七薄膜晶体管和第一电容构成，所述第七薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第一偏置电压节点，所述第七薄膜晶体管的源极连接所述第三薄膜晶体管的栅极及所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接所述输出信号节点；
第二自举结构单元由第八薄膜晶体管和第二电容构成，所述第八薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第二偏置电压节点，所述第八薄膜晶体管的源极连接所述第四薄膜晶体管的栅极及所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接所述输出信号节点；
第三自举结构单元由第九薄膜晶体管和第三电容构成，所述第九薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第三偏置电压节点，所述第九薄膜晶体管的源极连接所述第五薄膜晶体管的栅极及所述第三电容的一端，所述第三电容的另一端连接所述输出信号节点；
第四自举结构单元由第十薄膜晶体管和第四电容构成，所述第十薄膜晶体管的漏极及栅极均连接第四偏置电压节点，所述第十薄膜晶体管的源极连接所述第六薄膜晶体管的栅极及所述第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接所述输出信号节点。
9.一种芯片，其特征在于，包括：封装和如权利要求1-8所述的基于薄膜晶体管的自举结构放大器，所述基于薄膜晶体管的自举结构放大器被包裹在封装之内。
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