CN112104354B - 基于单极型晶体管的电压频率转换器电路、方法及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路、方法及芯片，其中电压频率转换器电路包括：积分器，积分器包括放大器、电阻和电容，电容的一端连接在放大器的反相输入端，电容的另一端连接在放大器的输出端，电阻的一端与放大器的反相输入端连接；施密特触发器，放大器的输出端与施密特触发器的输入端连接；电子开关，施密特触发器的输出端与电子开关的控制端连接，电子开关的第一端与电容的一端连接，电子开关的第二端与电容的另一端连接。本发明通过施密特触发器的数字输出按周期启动和复位积分器，从而产生振荡，震荡频率与输入电压高度线性相关，极大地提高分辨率，可广泛应用于半导体集成电路领域。

Description

基于单极型晶体管的电压频率转换器电路、方法及芯片

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路、方法及芯片。

背景技术

与传统的硅互补氧化物半导体(CMOS)技术相比，薄膜晶体管技术具有吸引人的特性，包括柔韧性，透明性，重量轻，超薄尺寸，可拉伸性以及大面积低成本制造的能力。由于这些优点，它们在可穿戴传感器应用中很有前途。尽管薄膜技术有很多优势，但缺少高性能的互补器件在大多数情况下对电路设计提出了挑战。例如，a-Si TFT技术，氧化物TFT技术主要器件类型为n型晶体管；而有机TFT技术，碳纳米管技术主要器件类型则为p型晶体管。因此，通常情况下，薄膜晶体管电路仅能基于单极型晶体管实现，这意味着传统CMOS电路设计技术不再适用，相比成熟的CMOS集成电路设计技术，薄膜晶体管集成电路的设计面临很多挑战。

本发明仅以纯n型电路为例进行讨论，对于纯p型电路，只需将电路上下翻转即可，因此不再做详述。

为了改善信号完整性，应使用接口电路将传感器的模拟输出转换为数字代码。电压-频率转换器作为一种接口电路，可以将模拟输入转换为一系列具有不同频率的脉冲。而且，与其他类型的转换器相比，其具有简单紧凑的结构。通过组合片外计数器，可以轻松实现模数转换器。目前，基于单极型薄膜晶体管的电压-频率转换器的几种常用的结构及其缺点简述如下：1、利用器件的背栅调节振荡频率，此方法会增加电路制造工艺复杂性，并且与商用的单栅技术不兼容；2、采用压控环形振荡器结构，这种结构的缺点是功耗高，因为电源电压直接由输入信号控制；3、采用张弛振荡器结构，但是其拓扑较复杂(需要外部时钟控制信号)，且线性度较差；4、采用基于有源电感的LC的结构，但是，其输出频率范围很低，这限制了其应用范围。

发明内容

为了解决上述技术问题之一，本发明的目的是提供一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路、方法及芯片，其中电压频率转换器电路基于积分器和施密特触发器，能同时实现高分辨率，高调谐灵敏度和低功耗。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，包括：

积分器，所述积分器包括放大器、电阻和电容，所述电容的一端连接在所述放大器的反相输入端，所述电容的另一端连接在所述放大器的输出端，所述电阻的一端与所述放大器的反相输入端连接，所述电阻的另一端作为电压频率转换器电路的输入端；

施密特触发器，所述放大器的输出端与所述施密特触发器的输入端连接，所述施密特触发器的输出端作为所述电压频率转换器电路的输出端；

电子开关，所述施密特触发器的输出端与所述电子开关的控制端连接，所述电子开关的第一端与所述电容的一端连接，所述电子开关的第二端与所述电容的另一端连接。

进一步，所述放大器采用正反馈及两级放大结构，包括一级放大单元和二级缓冲单元。

进一步，所述放大器由N沟道场效应晶体管组成，所述一级放大单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管第一电流源和第二电流源；

所述第一晶体管的栅极作为所述一级放大单元的第一输入端，所述第一晶体管的漏极与所述第三晶体管的源极连接，所述第一晶体管的源极连接至第一电流源，所述第三晶体管的漏极与电源连接，所述第一晶体管的漏极作为所述一级放大单元的第一输出端；

所述第二晶体管的栅极作为所述一级放大单元的第二输入端，所述第二晶体管的漏极与所述第四晶体管的源极连接，所述第二晶体管的源极连接至第一电流源，所述第四晶体管的漏极与电源连接，所述第二晶体管的漏极作为所述一级放大单元的第二输出端；

所述第五晶体管的栅极与所述一级放大单元的第一输出端连接，所述第五晶体管的源极连接至所述第二电流源，所述第五晶体管的漏极与所述第七晶体管的源极连接，所述第七晶体管的栅极和漏极均与电源连接，所述第五晶体管的漏极作为第二偏置节点；

所述第六晶体管的栅极与所述一级放大单元的第二输出端连接，所述第六晶体管的源极连接至所述第二电流源，所述第六晶体管的漏极与所述第八晶体管的源极连接，所述第八晶体管的栅极和漏极均与电源连接，所述第六晶体管的漏极作为第一偏置节点；

所述第一偏置节点与所述第三晶体管的栅极连接，所述第二偏置节点与所述第四晶体管的栅极连接。

进一步，所述二级缓冲单元包括第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管和第十二晶体管；

所述一级放大单元的第一输出端与所述第九晶体管的栅极连接，所述第九晶体管的漏极与电源连接，所述第九晶体管的源极与所述第十一晶体管的漏极连接，所述第十一晶体管的源极接地，所述第十一晶体管的栅极与漏极相互连接；

所述一级放大单元的第二输出端与所述第十晶体管的栅极连接，所述第十晶体管的漏极与电源连接，所述第十晶体管的源极与所述第十二晶体管的漏极连接，所述第十二晶体管的源极接地，所述第十二晶体管的栅极与所述第十一晶体管的栅极连接，所述第十二晶体管的漏极作为所述放大器的输出端。

进一步，其特征在于，所述放大器的工作增益为：

其中，g_m代表晶体管的跨导，r_o代表晶体管工作在饱和区时的电阻。

进一步，所述第五晶体管的跨导是所述第七晶体管的跨导的0.9-1倍。

进一步，所述施密特触发器包括第一触发电路、第二触发电路和反相器，所述第一触发电路、所述第二触发电路和所述反相器均采用伪CMOS结构；

所述第一触发电路的输入端作为所述施密特触发器的输入端，所述第一触发电路的输出端与所述第二触发电路的输出端连接，所述第二触发电路的输出端与所述反相器的输入端连接，所述反相器的输出端与所述第二触发电路的输入端连接，所述反相器的输出端作为所述施密特触发器的输出端。

进一步，所述施密特触发器由N沟道场效应晶体管组成，所述伪CMOS结构包括第十三晶体管、第十四晶体管、第十五晶体管和第十六晶体管；

所述第十三晶体管的栅极作为输入端，所述第十三晶体管的漏极与所述第十四晶体管的源极连接，所述第十四晶体管的栅极和漏极均连接偏置电压，所述第十三晶体管的漏极与所述第十五晶体管的栅极连接，所述第十五晶体管的漏极连接电源，所述第十五晶体管的源极与所述第十六晶体管的漏极连接，所述第十六晶体管的栅极与所述第十三晶体管的栅极连接，所述第十三晶体管的源极和所述第十六晶体管的源极均接地。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种芯片，包括电压频率转换器电路，所述电压频率转换器电路采用如上所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路来实现。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种电压频率转换器电路的设计方法，所述电压频率转换器电路为上所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，包括以下步骤：

根据振荡频率与预设公式获取电压频率转换器电路的电路参数；

其中，电路参数包括电阻值、电容值、施密特触发器的高阈值电压和施密特触发器的低阈值电压；

所述预设公式为：

其中，f_out为振荡频率，R为电阻值，C为电容值，V_th+为施密特触发器的高阈值电压，V_th-为施密特触发器的低阈值电压，V_in为输入电压。

本发明的有益效果是：本发明的电压频率转换器电路由积分器、施密特触发器和电子开关组成，施密特触发器的数字输出按周期启动和复位积分器，从而产生振荡，震荡频率与输入电压高度线性相关，极大地提高分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路的结构示意图；

图2是本发明实施例中主要波形的定性示意图；

图3是本发明实施例中放大器的电子电路图；

图4是经典CMOS施密特触发器结构示意图；

图5是本发明实施例中施密特触发器的电子电路图；

图6是本发明实施例中伪CMOS反相器结构的电子电路图；

图7是本发明实施例中电压与频率的关系曲线示意图；

图8是本发明实施例中电压频率转换器电路的瞬态输出波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，该电压频率转换器电路包括积分器、施密特触发器和电子开关，其中，积分器由放大器，电阻和电容组成；电子开关可以由晶体管或三极管来实现，用于启用或重置积分器；在本实施例中，电压频率转换器电路中只包含n型晶体管，故该电子开关由n型晶体管来实现。参见图2，图2为主要波形的定性示意图。假设输入电压Vin为负，当Vin的绝对值增加时，积分器的输出电压(Vm)也会增加。如果Vm达到施密特触发器的高阈值电压(Vth+)，则施密特触发器的输出(Vout)变高。因此，晶体管开关将导通，从而使积分器复位。在这种情况下，Vm将迅速返回共模电压。如果Vm达到施密特触发器的低阈值电压(Vth–)，则Vout变为低电平，积分将再次开始。因此，产生振荡。对于Vin为正的情况，原理相似，但施密特触发器的转换特性相反。如果放大器是理想的，即具有无限的增益和带宽，并且施密特触发器没有延迟，则振荡频率可以表示为：

显然，fout与Vin，RC常数以及Vth+和Vth–之间的差线性相关。实际上，放大器和施密特触发器的非理想特性会导致线性误差。

关于积分器中的放大器，可采用多种放大器结构来实现，参见图3，本实施例提供一种正反馈结构的放大器，且采用两级放大。其中，第一级电路，包括晶体管T1-T8，用于负责放大；第二级电路，包括晶体管T9-T12，用于双至单端转换和输出缓冲器。在第一级电路中，晶体管T5–T8形成正反馈环路，以增加负载电阻。为了最大化增益并确保电路稳定性，晶体管T5与晶体管T7的尺寸比率被设计为略小于1，晶体管T6与晶体管T8也如此。该放大器的总电压增益可以表示为：

当反馈环路增益(gm5/gm7)接近1时，增益将达到本征增益(gm1(ro1//ro3))，这是在某一特定工艺下放大器所能达到的最大增益值。其中，gm1为晶体管T1的跨导，ro1为晶体管T1工作中饱和区时的电阻，ro3为晶体管T3工作中饱和区时的电阻。因为r_O10和r_O12远远大于

所以

近似等于

即等于1。

参见图4，图4为经典CMOS施密特触发器结构示意图，由于图4中电路结构中包括了NMOS晶体管和PMOS晶体管，而单极型晶体管电路中只能包含单独一种类型的晶体管，因此现有的施密特触发器电路结构无法直接应用于本实施例中，需对该结构进行改进。参见图5，图5为本实施例的施密特触发器示意图，该施密特触发器通过将经典CMOS结构中的PMOS更改为伪PMOS(pseudo-PMOS)结构改进而来。该触发器由两个n个晶体管，两个伪PMOS晶体管和一个反相器组成。其中，通过使用简单的二极管负载反相器反转n型晶体管的输入信号，即可获得p型特性。由于二极管负载反相器无法提供全摆幅输出，因此其电源电压(Vbias)必须高于Vdd。反相器使用高性能的伪CMOS结构，如图6所示。参见图4，根据经典CMOS施密特触发器的原理，其阈值电压Vth+和Vth-可以通过T3/T4的尺寸比率进行调整。当T3/T4增加时，Vth+将增加。相反，当T4/T3增加时，Vth–将减小。

参见图7，图7为一个实施例的电压与频率的关系曲线示意图。正如预期的那样，随着|Vin|从1.1V增加到2V，输出频率从1.08kHz线性增加到2kHz。还显示了电压与频率曲线的线性拟合曲线，可以表示为：

f_out＝1028|V_in|-40 (3)

因此，可获得～1kHz/V的调谐灵敏度。当|Vin|＝1.1V，最大线性误差为1.5％。如上所述，线性误差来自放大器和施密特触发器的非理想特性。可以使用以下公式计算其分辨率(N位)：

因此，本实施例的分辨率计算为6位。可以通过将本例与片外计数器组合来实现ADC。在足够长的转换时间内(1/最大线性误差，本例中约为71ms)，该ADC的分辨率可高达6位。这些结果表明，本发明适用于一些需要高分辨率和低速的应用，例如一些用于准静态信号的传感器接口。本实施例电压频率转换器电路的功耗为109uW。

参见图8，图8是本实施例电压频率转换器电路的瞬态输出波形。当|Vin|＝1.1V时，输出频率是1.08kHz；当|Vin|＝2V的情况，输出频率是2kHz。

综上所述，本实施例的电压频率转换器电路相比较于现有的电路，至少具有如下有益效果：

1、本实施例的电压频率转换器电路，由积分器，施密特触发器和开关组成。施密特触发器的数字输出按周期启动和复位积分器，从而产生振荡。震荡频率与输入电压高度线性相关。

2、本实施例的放大器采用一种正反馈结构，第一级(T1-T8)用于主放大，第二级(T9-T12)用于双至单端转换和输出缓冲器。T5–T8形成正反馈环路以增加负载电阻。当反馈环路增益(gm5/gm7)接近1时，能达到本征增益(理论上的最大增益)，从而提高电压频率转换器电路的性能。

3、本实施例的施密特触发器通过将经典CMOS结构中的PMOS更改为伪PMOS结构改进而来，由两个n个晶体管，两个伪PMOS晶体管和一个反相器组成。在伪PMOS结构中，通过使用简单的二极管负载反相器反转n型晶体管的输入信号获得p型特性。反相器使用高性能伪CMOS结构。

4、本实施例的电压频率转换器电路，仅由单极型晶体管组成，因此适用于柔性电子技术(如薄膜晶体管，碳纳米管等)。另外，与先前设计相比，具有相对优秀的综合性能，比如高分辨率，高调谐灵敏度，低功耗。

本实施例还提供了一种芯片，包括电压频率转换器电路，该电压频率转换器电路采用如上所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路来实现。

本实施例的一种芯片与上述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路具有一一对应的关系，因此具备相应的功能和有益效果。

本实施例还提供了一种电压频率转换器电路的设计方法，该电压频率转换器电路为上述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，包括以下步骤：

根据振荡频率与预设公式获取电压频率转换器电路的电路参数；

其中，电路参数包括电阻值、电容值、施密特触发器的高阈值电压和施密特触发器的低阈值电压；

预设公式为：

其中，f_out为振荡频率，R为电阻值，C为电容值，V_th+为施密特触发器的高阈值电压，V_th-为施密特触发器的低阈值电压，V_in为输入电压。

本实施例的一种电压频率转换器电路的设计方法，与上述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路具有一一对应的关系，因此具备相应的功能和有益效果。

可以理解的是，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，其特征在于，包括：

积分器，所述积分器包括放大器、电阻和电容，所述电容的一端连接在所述放大器的反相输入端，所述电容的另一端连接在所述放大器的输出端，所述电阻的一端与所述放大器的反相输入端连接，所述电阻的另一端作为电压频率转换器电路的输入端；

施密特触发器，所述放大器的输出端与所述施密特触发器的输入端连接，所述施密特触发器的输出端作为所述电压频率转换器电路的输出端；

电子开关，所述施密特触发器的输出端与所述电子开关的控制端连接，所述电子开关的第一端与所述电容的一端连接，所述电子开关的第二端与所述电容的另一端连接；

所述放大器采用正反馈及两级放大结构，包括一级放大单元和二级缓冲单元；所述放大器由N沟道场效应晶体管组成，所述一级放大单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管第一电流源和第二电流源；

所述第一晶体管的栅极作为所述一级放大单元的第一输入端，所述第一晶体管的漏极与所述第三晶体管的源极连接，所述第一晶体管的源极连接至第一电流源，所述第三晶体管的漏极与电源连接，所述第一晶体管的漏极作为所述一级放大单元的第一输出端；

所述第二晶体管的栅极作为所述一级放大单元的第二输入端，所述第二晶体管的漏极与所述第四晶体管的源极连接，所述第二晶体管的源极连接至第一电流源，所述第四晶体管的漏极与电源连接，所述第二晶体管的漏极作为所述一级放大单元的第二输出端；

所述第五晶体管的栅极与所述一级放大单元的第一输出端连接，所述第五晶体管的源极连接至所述第二电流源，所述第五晶体管的漏极与所述第七晶体管的源极连接，所述第七晶体管的栅极和漏极均与电源连接，所述第五晶体管的漏极作为第二偏置节点；

所述第六晶体管的栅极与所述一级放大单元的第二输出端连接，所述第六晶体管的源极连接至所述第二电流源，所述第六晶体管的漏极与所述第八晶体管的源极连接，所述第八晶体管的栅极和漏极均与电源连接，所述第六晶体管的漏极作为第一偏置节点；

所述第一偏置节点与所述第三晶体管的栅极连接，所述第二偏置节点与所述第四晶体管的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，其特征在于，所述二级缓冲单元包括第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管和第十二晶体管；

所述一级放大单元的第一输出端与所述第九晶体管的栅极连接，所述第九晶体管的漏极与电源连接，所述第九晶体管的源极与所述第十一晶体管的漏极连接，所述第十一晶体管的源极接地，所述第十一晶体管的栅极与漏极相互连接；

所述一级放大单元的第二输出端与所述第十晶体管的栅极连接，所述第十晶体管的漏极与电源连接，所述第十晶体管的源极与所述第十二晶体管的漏极连接，所述第十二晶体管的源极接地，所述第十二晶体管的栅极与所述第十一晶体管的栅极连接，所述第十二晶体管的漏极作为所述放大器的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，其特征在于，所述放大器的工作增益为：

其中，g_m1为第一晶体管的跨导，g_m3为第三晶体管的跨导，g_m5为第五晶体管的跨导，g_m7为第七晶体管的跨导，g_m10为第十晶体管的跨导，r_O1为第一晶体管工作在饱和区时的电阻，r_O3为第三晶体管工作在饱和区时的电阻，r_O10为第十晶体管工作在饱和区时的电阻，r_O12为第十二晶体管工作在饱和区时的电阻。

4.根据权利要求3所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，其特征在于，所述第五晶体管的跨导是所述第七晶体管的跨导的0.9-1倍。

5.根据权利要求1所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，其特征在于，所述施密特触发器包括第一触发电路、第二触发电路和反相器，所述第一触发电路、所述第二触发电路和所述反相器均采用伪CMOS结构；

所述第一触发电路的输入端作为所述施密特触发器的输入端，所述第一触发电路的输出端与所述第二触发电路的输出端连接，所述第二触发电路的输出端与所述反相器的输入端连接，所述反相器的输出端与所述第二触发电路的输入端连接，所述反相器的输出端作为所述施密特触发器的输出端；

所述施密特触发器由N沟道场效应晶体管组成，所述伪CMOS结构包括第十三晶体管、第十四晶体管、第十五晶体管和第十六晶体管；

所述第十三晶体管的栅极作为输入端，所述第十三晶体管的漏极与所述第十四晶体管的源极连接，所述第十四晶体管的栅极和漏极均连接偏置电压，所述第十三晶体管的漏极与所述第十五晶体管的栅极连接，所述第十五晶体管的漏极连接电源，所述第十五晶体管的源极与所述第十六晶体管的漏极连接，所述第十六晶体管的栅极与所述第十三晶体管的栅极连接，所述第十三晶体管的源极和所述第十六晶体管的源极均接地。

6.一种芯片，包括电压频率转换器电路，其特征在于，所述电压频率转换器电路采用如权利要求1-5所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路来实现。

7.一种电压频率转换器电路的设计方法，所述电压频率转换器电路为权利要求1-5所述的一种基于单极型晶体管的电压频率转换器电路，其特征在于，包括以下步骤：

根据振荡频率与预设公式获取电压频率转换器电路的电路参数；

其中，电路参数包括电阻值、电容值、施密特触发器的高阈值电压和施密特触发器的低阈值电压；

所述预设公式为：

其中，f_out为振荡频率，R为电阻值，C为电容值，V_th+为施密特触发器的高阈值电压，V_th-为施密特触发器的低阈值电压，V_in为输入电压。

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