CN111293995B - 一种晶体管等效跨导提高放大器电路及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶体管等效跨导提高放大器电路，涉及放大电路，主要解决的是现有放大器增益低的技术问题，所述电路包括驱动晶体管、负载晶体管、反馈网络和辅助晶体管，电源连接所述负载晶体管的漏极和栅极，所述驱动晶体管的栅极连接输入端，所述驱动晶体管的源极、辅助晶体管的源极共地连接，所述负载晶体管的源极连接所述驱动晶体管的漏极和辅助晶体管的漏极，所述辅助晶体管的栅极通过所述反馈网络连接所述负载晶体管的源极和输出端。本发明还公开了一种晶体管等效跨导提高放大器芯片。本发明可以有效提高增益。

Description

一种晶体管等效跨导提高放大器电路及芯片
技术领域
本发明涉及放大电路，更具体地说，它涉及一种晶体管等效跨导提高放大器电路及芯片。
背景技术
金属氧化物半导体薄膜晶体管(MO-TFT)由于其高载流子迁移率，良好的均匀性，低工艺温度，与柔性透明电子应用的兼容性等受到了广泛的关注。近年来MO-TFT集成电路设计引起了越来越多研究人员的兴趣，是一个热门的研究方向。但是，由于缺乏高性能的互补(p型)器件，绝大部分MO-TFT电路只能使用纯n型器件实现。
放大器是诸如生物电势测量前端、数据转换器、DC-DC转换器和传感器系统之类的电路中重要的基本模块。由于缺少p型器件作为电流镜负载，MO-TFT放大器增益较低，通常低于30dB，这限制了它们的应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种可以提高增益的晶体管等效跨导提高放大器电路。
本发明的目的二是提供一种可以提高增益的晶体管等效跨导提高放大器芯片。
为了实现上述目的一，本发明提供了一种晶体管等效跨导提高放大器电路，包括驱动晶体管、负载晶体管、反馈网络和辅助晶体管，电源连接所述负载晶体管的漏极和栅极，所述驱动晶体管的栅极连接输入端，所述驱动晶体管的源极、辅助晶体管的源极共地连接，所述负载晶体管的源极连接所述驱动晶体管的漏极和辅助晶体管的漏极，所述辅助晶体管的栅极通过所述反馈网络连接所述负载晶体管的源极和输出端。
作为进一步地改进，所述负载晶体管的跨导gm2、反馈网络的系数Af、辅助晶体管的跨导gma满足以下关系：
Figure GDA0002788634750000021
进一步地，所述反馈网络包括第二驱动晶体管、第二负载晶体管、第二辅助晶体管，所述电源连接所述第二负载晶体管的漏极和栅极，所述第二驱动晶体管的栅极连接第二输入端，所述第二驱动晶体管的源极、第二辅助晶体管的源极共地连接，所述第二负载晶体管的源极连接所述第二驱动晶体管的漏极和第二辅助晶体管的漏极，所述辅助晶体管的栅极连接所述第二负载晶体管的源极和第二输出端，所述第二辅助晶体管的栅极连接所述负载晶体管的源极。
进一步地，所述反馈网络的系数为1。
进一步地，所述负载晶体管的宽度W2、负载晶体管的漏源电流Ids2、辅助晶体管的宽度Wa、辅助晶体管的漏源电流Idsa满足以下关系：
Figure GDA0002788634750000022
进一步地，
Figure GDA0002788634750000023
为了实现上述目的二，本发明提供了一种晶体管等效跨导提高放大器芯片，所述芯片包括上述的任意一种电路。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
1.本发明的等效跨导提高放大器电路通过驱动晶体管将输入小信号电压转换为驱动电流，通过负载晶体管将驱动电流转换为输出电压信号，再通过反馈网络和辅助晶体管提高放大器的等效跨导，从而可以有效提高增益。
2.本发明的等效跨导提高放大器电路通过采用两个放大器电路形成差分结构，可以有效提高增益和电路稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1的等效跨导提高放大器电路图；
图2为本发明实施例2的等效跨导提高放大器电路图；
图3为实施例2中不同共模输入电平(Vcm，in)的差分输入信号IN和IN2下的直流输出响应OUT和OUT2；
图4为实施例2中不同共模输入电平(Vcm，in)的差分输入信号IN和IN2下的直流增益。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
从电路的角度来看，放大器的增益可以表示为
A＝-Gm·RL
其中Gm是放大器的等效跨导，RL是负载阻抗。因此，对于MO-TFT放大器，可以分别通过提高Gm和RL来提高增益。本发明通过提高Gm来提高增益，本发明的电路由纯n型晶体管构成，因此适合MO-TFT电路。
实施例1
参阅图1，一种晶体管等效跨导提高放大器电路，包括驱动晶体管M1、负载晶体管M2、反馈网络-Af和辅助晶体管Ma，电源连接负载晶体管M2的漏极和栅极，驱动晶体管M1的栅极连接输入端IN，驱动晶体管M1的源极、辅助晶体管Ma的源极共地连接，负载晶体管M2的源极连接驱动晶体管M1的漏极和辅助晶体管Ma的漏极，辅助晶体管Ma的栅极通过反馈网络-Af连接负载晶体管M2的源极和输出端OUT。
当输入信号增加时，流过负载晶体管M2的电流增加，然后输出信号下降，这导致辅助晶体管Ma的栅极电压增加，导致流过负载晶体管M2的电流进一步增加。因此，Gm增强了，可以表示为
Figure GDA0002788634750000041
这是gm1的1/(1-Afgma/gm2)倍，Af为反馈网络-Af的系数，gm1为驱动晶体管M1的跨导，gm2为负载晶体管M2的跨导，gma为辅助晶体管Ma的跨导，那么增益是
Figure GDA0002788634750000042
如果
Figure GDA0002788634750000043
接近1，则Gm和增益都趋于无穷大。但是，为了避免由反馈引起的不稳定性，负载晶体管M2的跨导gm2、反馈网络-Af的系数Af、辅助晶体管Ma的跨导gma满足以下关系：
Figure GDA0002788634750000044
优选的，
Figure GDA0002788634750000045
应该略小于1，如
Figure GDA0002788634750000046
可以得到较高增益和稳定性。
通过驱动晶体管将输入小信号电压转换为驱动电流，通过负载晶体管将驱动电流转换为输出电压信号，再通过反馈网络和辅助晶体管提高放大器的等效跨导，从而可以有效提高增益。
实施例2
参阅图2-4，在实施例1的基础上，反馈网络-Af包括第二驱动晶体管M3、第二负载晶体管M4、第二辅助晶体管M6，电源连接第二负载晶体管M4的漏极和栅极，第二驱动晶体管M3的栅极连接第二输入端IN2，第二驱动晶体管M3的源极、第二辅助晶体管M6的源极共地连接，第二负载晶体管M4的源极连接第二驱动晶体管M3的漏极和第二辅助晶体管M6的漏极，辅助晶体管Ma的栅极连接第二负载晶体管M4的源极和第二输出端OUT2，第二辅助晶体管M6的栅极连接负载晶体管M2的源极。反馈网络-Af的第二输入端IN2与输入端IN之间的电压形成输入共模电平(Vcm，in)，直流输出响应OUT和OUT2。
增益是
Figure GDA0002788634750000051
其中，gm1为驱动晶体管M1的跨导，gm2为负载晶体管M2的跨导，gma为辅助晶体管Ma跨导，反馈网络-Af的系数为1。可以进一步得到
Figure GDA0002788634750000052
其中，Ids2＝Ids1+Idsa，Ids1为驱动晶体管M1的漏源电流，Ids2为负载晶体管M2的漏源电流，Idsa为辅助晶体管Ma的漏源电流，W1为驱动晶体管M1的宽度，W2为负载晶体管M2的宽度，Wa为辅助晶体管Ma的宽度。
为了增加增益，
Figure GDA0002788634750000053
应该很大。为了增加
Figure GDA0002788634750000054
应该很大。但是为了确保电路稳定性，负载晶体管M2的宽度W2、负载晶体管M2的漏源电流Ids2、辅助晶体管Ma的宽度Wa、辅助晶体管Ma的漏源电流Idsa满足以下关系：
Figure GDA0002788634750000055
其中，
Figure GDA0002788634750000056
漏源电流Ids由TFT的偏置确定，当输入共模电平(Vcm，in)增加时，Ids1增加，
Figure GDA0002788634750000057
减少，这导致
Figure GDA0002788634750000058
减小，从而降低了增益。如果输入共模电平(Vcm，in)继续增加，则驱动晶体管M1可能会进入线性区，此时增益将大大降低。相反，当输入共模电平(Vcm，in)减小时，Ids1减小而
Figure GDA0002788634750000059
增大，这导致
Figure GDA00027886347500000510
的增加，从而提高了增益，但是，电路不稳定性也会随着
Figure GDA0002788634750000061
的增加而增加。因此，对于给定的电路尺寸，应仔细设置电路的直流偏置点，以实现放大并避免电路不稳定。
通过采用两个放大器电路形成差分结构，可以有效提高增益和电路稳定性。
实施例3
一种晶体管等效跨导提高放大器芯片，所述芯片包括实施例1的电路或实施例2的电路。
应用实例
根据图2本发明的电路结构给出一个具体应用实例，其中电路参数取值如表1所示。图3显示了应用实例在具有不同共模输入电平(Vcm，in)的差分输入信号IN和IN2下的直流输出响应OUT和OUT2。图4显示了从输出响应中提取的相应直流增益。当共模输入电平(Vcm，in)从2.8V增加到3.6V，直流增益从37dB降低到22dB。
Figure GDA0002788634750000062
表1
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.一种晶体管等效跨导提高放大器电路，其特征在于，包括驱动晶体管(M1)、负载晶体管(M2)、反馈网络(-Af)和辅助晶体管(Ma)，电源连接所述负载晶体管(M2)的漏极和栅极，所述驱动晶体管(M1)的栅极连接输入端(IN)，所述驱动晶体管(M1)的源极、辅助晶体管(Ma)的源极共地连接，所述负载晶体管(M2)的源极连接所述驱动晶体管(M1)的漏极和辅助晶体管(Ma)的漏极，所述辅助晶体管(Ma)的栅极通过所述反馈网络(-Af)连接所述负载晶体管(M2)的源极和输出端(OUT)；
所述负载晶体管(M2)的跨导gm2、反馈网络(-Af)的系数Af、辅助晶体管(Ma)的跨导gma满足以下关系：
Figure FDA0002788634740000011
2.根据权利要求1所述的一种晶体管等效跨导提高放大器电路，其特征在于，所述反馈网络(-Af)包括第二驱动晶体管(M3)、第二负载晶体管(M4)、第二辅助晶体管(M6)，所述电源连接所述第二负载晶体管(M4)的漏极和栅极，所述第二驱动晶体管(M3)的栅极连接第二输入端(IN2)，所述第二驱动晶体管(M3)的源极、第二辅助晶体管(M6)的源极共地连接，所述第二负载晶体管(M4)的源极连接所述第二驱动晶体管(M3)的漏极和第二辅助晶体管(M6)的漏极，所述辅助晶体管(Ma)的栅极连接所述第二负载晶体管(M4)的源极和第二输出端(OUT2)，所述第二辅助晶体管(M6)的栅极连接所述负载晶体管(M2)的源极。
3.根据权利要求2所述的一种晶体管等效跨导提高放大器电路，其特征在于，所述反馈网络(-Af)的系数为1。
4.根据权利要求2所述的一种晶体管等效跨导提高放大器电路，其特征在于，所述负载晶体管(M2)的宽度W2、负载晶体管(M2)的漏源电流Ids2、辅助晶体管(Ma)的宽度Wa、辅助晶体管(Ma)的漏源电流Idsa满足以下关系：
Figure FDA0002788634740000021
5.根据权利要求4所述的一种晶体管等效跨导提高放大器电路，其特征在于，
Figure FDA0002788634740000022
6.一种晶体管等效跨导提高放大器芯片，其特征在于，所述芯片包括权利要求1-5任一所述的电路。
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