CN112436811B - 一种基于金属氧化物tft的运算放大器、芯片及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属氧化物TFT的运算放大器、芯片及方法，其中运算放大器包括辅助放大器和自举增益提高放大器，辅助放大器采用两级正反馈结构，包括第五晶体管、第七晶体管、第十一晶体管、第一放大单元和第二放大单元，所述第五晶体管的栅极作为运算放大器的输入端，自举增益提高放大器包括两个相互对称的第二电路，所述第二电路包括第一晶体管、第二晶体管和自举结构的电流源单元。本发明利用自举增益提高技术，实现了高增益与稳定相位裕度的薄膜晶体管运算放大器电路；另外，辅助放大器采用两种正反馈结构，进一步提高了电压增益，可广泛应用于集成电路设计技术领域。

Description

一种基于金属氧化物TFT的运算放大器、芯片及方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种基于金属氧化物TFT的运算放大器、芯片及方法。

背景技术

金属氧化物薄膜晶体管(Metal-oxide TFT)因其迁移率高、稳定性好和制造工艺简单等优点被认为是集成电路中的一项有前途的技术。近年来，金属氧化物薄膜晶体管广泛应用于集成电路(IC)，例如显示驱动器，转换器或RFID/NFC标签。此外，它们在生物电信号监测系统中也有应用。其中，运算放大器是用于放大模拟电路中信号的最重要模块。

然而，由于只有N型金属氧化物薄膜晶体管可以集成，不能使用传统的CMOS电路结构，运算放大器的设计存在很大挑战。首先，因为金属氧化物的迁移率远低于晶体硅的迁移率，金属氧化物薄膜晶体管的跨导不够高。其次，在运算放大器的设计中，由于缺少P型TFT，很难获得高输出阻抗。为了解决金属氧化物薄膜晶体管增益不高的问题，虽然出现了正反馈和伪CMOS等技术来提高运算放大器的增益，但未能很好地解决运算放大器的增益不高问题。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于金属氧化物TFT的运算放大器、芯片及方法，运算放大器利用自举增益提高技术，辅助放大器采用两级正反馈结构，解决现有薄膜晶体管运算放大器增益与相位裕度普遍不高的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，包括：

辅助放大器，包括两个相互对称的第一电路，所述第一电路采用两级正反馈结构，包括第五晶体管、第七晶体管、第十一晶体管、第一放大单元和第二放大单元，所述第五晶体管的栅极作为运算放大器的输入端，所述第五晶体管的漏极分别与所述第七晶体管的源极、所述第十一晶体管的漏极、所述第一放大单元的输入端以及所述第二放大单元的输入端连接，所述第一放大单元的输出端与所述第七晶体管的栅极连接，所述第二放大单元的输出端与所述第十一晶体管的栅极连接；

自举增益提高放大器，包括两个相互对称的第二电路，所述第二电路包括第一晶体管、第二晶体管和自举结构的电流源单元，所述第二晶体管的栅极与所述第五晶体管的漏极连接，所述第二晶体管的漏极与所述电流源单元连接，所述第二晶体管的源极分别与所述第一晶体管的漏极和所述第五晶体管的栅极连接，所述第一晶体管的源极接地，所述第二晶体管的漏极作为运算放大器的输出端。

进一步，所述电流源单元包括第三晶体管、第四晶体管和电容；

所述第四晶体管的栅极和漏极均连接至电源，所述第四晶体管的源极与所述第三晶体管的栅极连接，所述第三晶体管的漏极连接至电源，所述第三晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极连接，所述电容并联在所述第三晶体管的栅极与源极之间。

进一步，所述第一电路还包括第十晶体管、第十二晶体管和第十三晶体管；

所述第十晶体管的栅极与所述第五晶体管的漏极连接，所述第十晶体管的漏极分别与所述第十一晶体管的栅极和所述第十二晶体管的栅极连接，所述第十二晶体管的漏极与所述第十三晶体管的源极连接，所述第十三晶体管的栅极与漏极均连接至电源，所述第十晶体管、所述第十二晶体管和所述第十三晶体管构成第一放大单元，且所述第十二晶体管的漏极作为所述第一放大单元的输出端，所述第十晶体管构成第二放大单元。

进一步，所述辅助放大器还包括第九晶体管和第十四晶体管，所述第九晶体管和所述第十四晶体管均作为电流源；

所述第九晶体管的漏极与所述第五晶体管的源极连接，所述第九晶体管的栅极连接至第一偏置电压，所述第九晶体管的源极接地；

所述第十四晶体管的漏极分别与所述第十一晶体管的源极和第十二晶体管的源极连接，所述第十四晶体管的栅极连接至第二偏置电压，所述第十四晶体管的源极接地。

进一步，所述第一晶体管的栅极连接至第一偏置电压。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种芯片，包括如上所述一种基于金属氧化物TFT的运算放大器。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种设计方法，应用于如上所述一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，包括以下步骤：

获取晶体管的工艺参数，根据所述工艺参数计算所有晶体管的宽长比；

通过调节偏置电压的电压值，以使所有的晶体管工作在饱和区；

对运算放大器进行仿真，并根据仿真结果优化调节晶体管的宽长比参数。

本发明的有益效果是：本发明利用自举增益提高技术，实现了高增益与稳定相位裕度的薄膜晶体管运算放大器电路；另外，辅助放大器采用两级正反馈结构，进一步提高了电压增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种基于金属氧化物TFT的运算放大器的电路图；

图2是本发明实施例中辅助放大器的电路图；

图3是本发明实施例中运算放大器的小信号等效电路；

图4是本发明实施例中辅助放大器的小信号等效电路；

图5是本发明实施例中运算放大器的频率响应图。

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。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

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1-3所示，本实施例提供了一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，包括：

参见图2，辅助放大器，包括两个相互对称的第一电路，第一电路采用两级正反馈结构，包括第五晶体管M₅、第七晶体管M₇、第十一晶体管M_11b、第一放大单元和第二放大单元，第五晶体管M₅的栅极作为运算放大器的输入端，第五晶体管M₅的漏极分别与第七晶体管M₇的源极、第十一晶体管M_11b的漏极、第一放大单元的输入端以及第二放大单元的输入端连接，第一放大单元的输出端与第七晶体管M₇的栅极连接，第二放大单元的输出端与第十一晶体管M_11b的栅极连接；

参见图3，自举增益提高放大器，包括两个相互对称的第二电路，第二电路包括第一晶体管M_1b、第二晶体管M_2b、和自举结构的电流源单元，第二晶体管M_2b的栅极与第五晶体管M₅的漏极连接，第二晶体管M_2b的漏极与电流源单元连接，第二晶体管M_2b的源极分别与第一晶体管M_1b的漏极和第五晶体管M₅的栅极连接，第一晶体管M_1b的源极接地，第二晶体管M_2b的漏极作为运算放大器的输出端。

参见图1，进一步作为优选的实施方式，电流源单元包括第三晶体管M_3b、第四晶体管M_4b和电容C₂；

第四晶体管M_4b的栅极和漏极均连接至电源，第四晶体管M_4b的源极与第三晶体管M_3b的栅极连接，第三晶体管M_3b的漏极连接至电源，第三晶体管M_3b的源极与第二晶体管M_2b的漏极连接，电容C₂并联在第三晶体管M_3b的栅极与源极之间。

其中，电容C₂为自举电容，为第三晶体管M_3b提供栅源电压，自举电容有效提高了输出电位，由此提高输出电压摆幅。

参见图1，进一步作为优选的实施方式，第一电路还包括第十晶体管M_10b、第十二晶体管M_11a和第十三晶体管M₁₃；

第十晶体管M_10b的栅极与第五晶体管M₅的漏极连接，第十晶体管M_10b的漏极分别与第十一晶体管M_11b的栅极和第十二晶体管M_11a的栅极连接，第十二晶体管M_11a的漏极与第十三晶体管M₁₃的源极连接，第十三晶体管M₁₃的栅极与漏极均连接至电源，第十晶体管M_10b、第十二晶体管M_11a和第十三晶体管M₁₃构成第一放大单元，且第十二晶体管M_11a的漏极作为第一放大单元的输出端，第十晶体管M_10b构成第二放大单元。

参见图1，进一步作为优选的实施方式，辅助放大器还包括第九晶体管M₉和第十四晶体管M₁₄，第九晶体管M₉和第十四晶体管M₁₄均作为电流源；

第九晶体管M₉的漏极与第五晶体管M₅的源极连接，第九晶体管M₉的栅极连接至第一偏置电压V_b1，第九晶体管M₉的源极接地；

第十四晶体管M₁₄的漏极分别与第十一晶体管M_11b的源极和第十二晶体管M_11a的源极连接，第十四晶体管M₁₄的栅极连接至第二偏置电压V_b2，第十四晶体管M₁₄的源极接地。

参见图1，进一步作为优选的实施方式，第一晶体管M_1b的栅极连接至第一偏置电压。

以下结合图1、图3-4对上述运算放大器的工作原理进行详细说明。

运算放大器如图1所示，电路可分为两级，第一级为辅助放大器，第二级为自举增益提高放大器。辅助放大器由M₅—M₁₃组成。自举增益提高放大器由M_1a—M_4a、M_1b—M_4b构成。

通过调整偏置电压V_b1(即第一偏置电压)、V_b2(即第二偏置电压)，该运放的所有TFT(即晶体管)工作在饱和区。如图3所示，为运算放大器小信号等效电路，为了计算简洁，选择单端输入单端输出模型。根据kvl，电流i_x为：

电流i_x1为(其中gM₂为M₂的跨导，-A为辅助放大器的增益)：

i_x1＝-g_m2(A+1)V_in (3-2)

输出电压V_out为：

V_out＝(i_x-I_x1)r_o2+V_in (3-3)

故运算放大器的增益A_V为：

由公式(3-4)可得，运算放大器要取得高增益，可以提高辅助放大器的增益。为了提高辅助放大器的电压增益，采用了两级正反馈结构。第一级由M_10a、M_11a、M₁₂与M₁₃组成。第二级由M_10b、M_11b组成。与只采用第一级正反馈的传统结构不同，为了增强正反馈，本文的辅助放大器增加了M_10b、M_11b两个下拉器件。因此，当输入信号增大时，M_10b、M_11b会增加M₅、M₆的放电电流，进而提高辅助放大器增益。

参见图4，辅助放大器的等效输出阻抗为：

增益为：

直接参见该增益公式，加入负阻，增益增大，即M_10b、M_11b增加M₅、M₆的放电电流。

上述运算放大器的仿真结果如下：

本实施例采用金属氧化物薄膜晶体管，采用13V电源电压。采用Hspice工具，对具体的工艺仿真，根据结构调整参数，优化指标。

其中，M_1a-M_2b的尺寸为：

M₅和M₆的尺寸为：

M₇和M₈的尺寸为：

M₉的尺寸为：

M₁₀-M₁₁的尺寸为(设两级正反馈结构器件尺寸一致)：

M₁₂-M₁₃的尺寸为(其中IM₁₂＝IM_10a)：

M₁₄的尺寸为(其中IM₇＝IM₅+IM_10a)：

根据以上公式，反复调整尺寸优化指标。得到的放大器尺寸如表1所示。

表1

如图5，为运算放大器的频率响应图。增益为45.6dB，-3dB带宽为5.08kHz。单位增益带宽为375kHz，相位裕度为67°。

表2总结了运算放大器的性能，并与其它TFT运算放大器进行了比较。与以前的运算放大器相比，本实施例的电路带宽不够大。但是，它可以提供较高的电压增益、稳定的相位裕度与较低的功耗。其中，表2中电路[1]-[5]为现有的运算放大器。

表2

综上所述，本实施例的运算放大器具有如下的有益效果：

(1)、利用自举增益提高技术，实现了高增益与稳定相位裕度的薄膜晶体管运算放大器电路。

(2)、辅助放大器采用两级正反馈结构，提高了电压增益。

本实施例还提供了一种设计方法，包括以下步骤：

S1、获取晶体管的工艺参数，根据所述工艺参数计算所有晶体管的宽长比；

S2、通过调节偏置电压的电压值，以使所有的晶体管工作在饱和区；

S3、对运算放大器进行仿真，并根据仿真结果优化调节晶体管的宽长比参数。

本实施例方法与上述运算放大器具有一一对应的关系，因此具备上述运算放大器实施例相应的有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，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 (7)

1.一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，其特征在于，包括：

辅助放大器，包括两个相互对称的第一电路，所述第一电路采用两级正反馈结构，包括第五晶体管、第七晶体管、第十一晶体管、第一放大单元和第二放大单元，所述第五晶体管的栅极作为运算放大器的输入端，所述第五晶体管的漏极分别与所述第七晶体管的源极、所述第十一晶体管的漏极、所述第一放大单元的输入端以及所述第二放大单元的输入端连接，所述第一放大单元的输出端与所述第七晶体管的栅极连接，所述第二放大单元的输出端与所述第十一晶体管的栅极连接；

自举增益提高放大器，包括两个相互对称的第二电路，所述第二电路包括第一晶体管、第二晶体管和自举结构的电流源单元，所述第二晶体管的栅极与所述第五晶体管的漏极连接，所述第二晶体管的漏极与所述电流源单元连接，所述第二晶体管的源极分别与所述第一晶体管的漏极和所述第五晶体管的栅极连接，所述第一晶体管的源极接地，所述第二晶体管的漏极作为运算放大器的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，其特征在于，所述电流源单元包括第三晶体管、第四晶体管和电容；

所述第四晶体管的栅极和漏极均连接至电源，所述第四晶体管的源极与所述第三晶体管的栅极连接，所述第三晶体管的漏极连接至电源，所述第三晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极连接，所述电容并联在所述第三晶体管的栅极与源极之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，其特征在于，所述第一电路还包括第十晶体管、第十二晶体管和第十三晶体管；

所述第十晶体管的栅极与所述第五晶体管的漏极连接，所述第十晶体管的漏极分别与所述第十一晶体管的栅极和所述第十二晶体管的栅极连接，所述第十二晶体管的漏极与所述第十三晶体管的源极连接，所述第十三晶体管的栅极与漏极均连接至电源，所述第十晶体管、所述第十二晶体管和所述第十三晶体管构成第一放大单元，且所述第十二晶体管的漏极作为所述第一放大单元的输出端，所述第十晶体管构成第二放大单元。

4.根据权利要求1所述的一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，其特征在于，所述辅助放大器还包括第九晶体管和第十四晶体管，所述第九晶体管和所述第十四晶体管均作为电流源；

所述第九晶体管的漏极与所述第五晶体管的源极连接，所述第九晶体管的栅极连接至第一偏置电压，所述第九晶体管的源极接地；

所述第十四晶体管的漏极分别与所述第十一晶体管的源极和第十二晶体管的源极连接，所述第十四晶体管的栅极连接至第二偏置电压，所述第十四晶体管的源极接地。

5.根据权利要求4所述的一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，其特征在于，所述第一晶体管的栅极连接至第一偏置电压。

6.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述一种基于金属氧化物TFT的运算放大器。

7.一种基于金属氧化物TFT的运算放大器的设计方法，应用于如权利要求1-5任一项所述一种基于金属氧化物TFT的运算放大器，其特征在于，包括以下步骤：

获取晶体管的工艺参数，根据所述工艺参数计算所有晶体管的宽长比；

通过调节偏置电压的电压值，以使所有的晶体管工作在饱和区；

对运算放大器进行仿真，并根据仿真结果优化调节晶体管的宽长比参数。

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