JP7148102B2 - amplifier circuit - Google Patents

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Description

この発明は、トランジスタを用いて構成される増幅回路に関し、例えば有機トランジスタなどの薄膜トランジスタを用いる増幅回路に適用可能なものである。 The present invention relates to an amplifier circuit configured using transistors, and is applicable to, for example, an amplifier circuit using thin film transistors such as organic transistors.

例えば表示装置やタッチパネル装置、ウェアラブル電子装置等を製造することを目的として、ガラス板や樹脂板、樹脂シート等の基板の表面に薄膜トランジスタなどの薄膜半導体素子を形成するための技術が研究されている。特に近年では、その性能や生産技術の向上が著しく、また材料によっては印刷技術を利用したデバイス作成が可能であるとの観点から、薄膜半導体素子の材料として有機半導体が注目されている。 For example, for the purpose of manufacturing display devices, touch panel devices, wearable electronic devices, and the like, techniques for forming thin film semiconductor elements such as thin film transistors on the surface of substrates such as glass plates, resin plates, and resin sheets have been studied. . Particularly in recent years, organic semiconductors have been attracting attention as materials for thin-film semiconductor elements from the viewpoint that their performance and production technology have improved remarkably, and that depending on the material, device fabrication using printing technology is possible.

このような材料により形成される半導体デバイスでは、一般的にその伝導型は使用される半導体材料の種類に大きく依存する。このため、互いに特性の揃ったP型デバイスとN型デバイスとを混在させた、いわゆるコンプリメンタリ型の回路を構成することが困難である。このことに関して、P型またはN型の一方のみを用いてCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)回路と同等の機能を実現した回路も考案されている。 In semiconductor devices made of such materials, the conductivity type generally depends greatly on the type of semiconductor material used. Therefore, it is difficult to construct a so-called complementary circuit in which P-type devices and N-type devices having the same characteristics are mixed. In this regard, a circuit has been devised that uses only one of the P-type and N-type to achieve the same function as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) circuit.

例えば特許文献1には、P型の薄膜トランジスタのみを用いてCMOSインバータと同等の機能を果たす回路が記載されている。このような回路は「擬CMOSインバータ」と称呼されている。また例えば特許文献2には、擬CMOSインバータ回路の入出力間に帰還抵抗を接続することで、該回路を増幅回路として利用することが提案されている。 For example, Patent Literature 1 describes a circuit that uses only P-type thin film transistors and performs the same function as a CMOS inverter. Such a circuit is called a "pseudo-CMOS inverter". Further, for example, Patent Literature 2 proposes using a pseudo-CMOS inverter circuit as an amplifier circuit by connecting a feedback resistor between the input and output of the circuit.

特開2015-204702号公報JP 2015-204702 A 特開2017-217098号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-217098

特許文献2に記載された、擬CMOSインバータ回路を用いた増幅回路においては、以下の2つの点において改善の余地が残されている。第1に、帰還素子としての抵抗体を、他の半導体トランジスタの製造プロセスとは別に作り込む、または外付けする必要があり、製造工程が複雑になる。第2に、レベルシフトまたは直流遮断等の目的で増幅回路に入力キャパシタを接続するとき、回路の周波数特性と電源投入時の起動の速さとの両立が難しいという問題がある。より詳しくは後述するが、具体的には以下の通りである。 In the amplifier circuit using the pseudo-CMOS inverter circuit described in Patent Document 2, there is room for improvement in the following two points. First, the resistor as a feedback element needs to be built in or externally attached separately from the manufacturing process of other semiconductor transistors, which complicates the manufacturing process. Secondly, when an input capacitor is connected to an amplifier circuit for the purpose of level shifting or blocking direct current, it is difficult to achieve both the frequency characteristics of the circuit and the startup speed when the power is turned on. More details will be described later, but specifically, it is as follows.

周波数特性と起動の速さとの間には、帰還素子と入力キャパシタとで決まる時定数に対してトレードオフの関係がある。すなわち、回路の周波数特性を改善するためには時定数は大きい方がよい一方、電源投入時に回路が定常状態に至るまでの時間(本明細書では「起動時間」と称する)を短くするためには、時定数は小さい方が好ましい。 There is a trade-off relationship between the frequency characteristics and the start-up speed with respect to the time constant determined by the feedback element and the input capacitor. That is, in order to improve the frequency characteristics of the circuit, it is better to have a large time constant. is preferably as small as possible.

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、擬CMOSインバータ回路を用い、かつ入力キャパシタを有する増幅回路において、製造プロセスを複雑にすることなく、しかも、優れた周波数特性と短い起動時間とを両立させることのできる技術を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and provides an amplifier circuit that uses a pseudo-CMOS inverter circuit and has an input capacitor, without complicating the manufacturing process, and furthermore, has excellent frequency characteristics and a short start-up time. The purpose is to provide a technology that can be compatible.

この発明の一の態様は、入力端子に入力される信号を増幅して出力端子から出力する増幅回路であって、上記目的を達成するため、入力部に入力される入力信号を反転させた出力信号を出力部から前記出力端子へ出力するインバータ回路と、前記入力端子と前記インバータ回路の前記入力部との間に接続されたキャパシタと、前記インバータ回路の前記入力部と前記出力部との間に接続された帰還素子とを備える。ここで、前記インバータ回路では、半導体チャネルの伝導型が互いに同じである複数のトランジスタが擬CMOSインバータを構成し、前記帰還素子は、前記擬CMOSインバータを構成する前記トランジスタと伝導型が同じであるトランジスタのゲート電極とドレイン電極とを接続した二端子素子であり、該二端子素子は、チャネルにおける順方向の電流が前記出力部から前記入力部へ向けて流れるように前記インバータ回路に接続される。 One aspect of the present invention is an amplifier circuit that amplifies a signal input to an input terminal and outputs the signal from an output terminal. an inverter circuit for outputting a signal from an output section to the output terminal; a capacitor connected between the input terminal and the input section of the inverter circuit; and between the input section and the output section of the inverter circuit. and a feedback element connected to the Here, in the inverter circuit, a plurality of transistors whose semiconductor channels have the same conductivity type constitute a quasi-CMOS inverter, and the feedback element has the same conductivity type as the transistors composing the quasi-CMOS inverter. A two-terminal element in which a gate electrode and a drain electrode of a transistor are connected, and the two-terminal element is connected to the inverter circuit so that a forward current in the channel flows from the output section to the input section. .

前述した特許文献2に記載の増幅回路では、帰還素子として抵抗が用いられていた。一方、上記のように構成された発明では、擬CMOSインバータの入出力間に接続される帰還素子が、擬CMOSインバータを構成するトランジスタと同じ伝導型のトランジスタにより構成されている。このため、帰還素子となるトランジスタを形成するためのプロセスは、擬CMOSインバータを構成するトランジスタを製造するプロセス中に組み込むことが可能である。より具体的には、擬CMOSインバータを構成するトランジスタを形成する際に、帰還素子となるトランジスタを併せて形成することができる。したがって、単なるインバータ回路を形成する場合と比較して、製造工程としては形成されるトランジスタの数が異なるだけで基本的に同じであり、新たな工程を設ける必要がない。 In the amplifier circuit described in Patent Document 2 mentioned above, a resistor is used as a feedback element. On the other hand, in the invention configured as described above, the feedback element connected between the input and output of the quasi-CMOS inverter is composed of a transistor of the same conductivity type as that of the quasi-CMOS inverter. Therefore, the process for forming the transistor that serves as the feedback element can be incorporated into the process for manufacturing the transistor that constitutes the pseudo-CMOS inverter. More specifically, when forming a transistor that constitutes a pseudo-CMOS inverter, a transistor that serves as a feedback element can be formed together. Therefore, compared with the case of forming a simple inverter circuit, the manufacturing process is basically the same except that the number of transistors formed is different, and there is no need to provide a new process.

また、帰還素子となるトランジスタは、ドレイン電極とゲート電極とが接続された二端子素子を構成している。該二端子素子では、インバータ回路の出力側から入力側に順方向の電流が流れる。つまり帰還素子はダイオードとして機能する。無入力状態のとき擬CMOSインバータ回路の出力部の電位は高電位(理想的には電源電位)となる。このため電源投入直後においては、帰還素子であるダイオードに比較的大きな順方向電圧が印加されることになり、低抵抗状態の該ダイオードを介してインバータ回路の出力部から入力部に電流が流れ込む。これにより入力部の電位が上昇する一方、反転電圧が出力される出力部では電位が低下する。両電位が均衡した時点で回路は定常状態となる。このとき帰還素子の端子間電圧は小さく、帰還素子は高抵抗状態となる。 Also, the transistor serving as the feedback element constitutes a two-terminal element in which the drain electrode and the gate electrode are connected. In the two-terminal element, forward current flows from the output side to the input side of the inverter circuit. That is, the feedback element functions as a diode. In the no-input state, the potential of the output portion of the pseudo-CMOS inverter circuit becomes a high potential (ideally, the power supply potential). Therefore, immediately after the power is turned on, a relatively large forward voltage is applied to the diode, which is a feedback element, and current flows from the output section to the input section of the inverter circuit via the diode in the low resistance state. As a result, the potential of the input section increases, while the potential of the output section to which the inverted voltage is output decreases. The circuit enters a steady state when both potentials are balanced. At this time, the voltage across the terminals of the feedback element is small, and the feedback element is in a high resistance state.

このように、電源投入直後には帰還素子は低抵抗であるため、入力キャパシタとの組み合わせで決まる時定数は比較的小さい。したがって、インバータ回路の入出力間の電位差は短時間で収束し定常状態に至る。つまり、起動時間が短い。一方、定常状態においては、帰還素子が高抵抗であるため時定数が大きく、周波数特性(より具体的には低周波域での増幅度)が向上する。したがって、この増幅回路では、優れた周波数特性と短い起動時間とを両立させることが可能である。 Thus, since the feedback element has a low resistance immediately after the power is turned on, the time constant determined by the combination with the input capacitor is relatively small. Therefore, the potential difference between the input and output of the inverter circuit converges in a short time and reaches a steady state. In other words, the startup time is short. On the other hand, in a steady state, since the feedback element has a high resistance, the time constant is large, and the frequency characteristic (more specifically, the amplification factor in the low frequency range) is improved. Therefore, with this amplifier circuit, it is possible to achieve both excellent frequency characteristics and a short start-up time.

上記のように、本発明によれば、インバータ回路を構成するトランジスタと同じ伝導型のトランジスタを帰還素子として用いるので、帰還素子を形成することにより製造工程が複雑となることはない。また、帰還素子は、電源投入直後には低抵抗となるため起動時間が短い一方、定常状態では高抵抗となるため、低周波数域での増幅度の低下が抑えられる。すなわち、本発明では、製造プロセスを複雑にすることなく、しかも、優れた周波数特性と短い起動時間とを両立させることが可能である。 As described above, according to the present invention, since a transistor of the same conduction type as that of the transistor forming the inverter circuit is used as the feedback element, the formation of the feedback element does not complicate the manufacturing process. In addition, since the feedback element has a low resistance immediately after the power is turned on, the start-up time is short, but since it has a high resistance in a steady state, a decrease in amplification in a low frequency range can be suppressed. That is, in the present invention, it is possible to achieve both excellent frequency characteristics and a short start-up time without complicating the manufacturing process.

この発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、添付図面を参照しながら次の詳細な説明を読めば、より完全に明らかとなるであろう。ただし、図面は専ら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。 The above as well as other objects and novel features of the present invention will become more fully apparent from the following detailed description read in conjunction with the accompanying drawings. However, the drawings are for illustrative purposes only and do not limit the scope of the invention.

擬CMOSインバータの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a pseudo-CMOS inverter. 擬CMOSインバータの動作特性例を示す図である。It is a figure which shows the operation characteristic example of a pseudo-CMOS inverter. インバータ回路を増幅回路として使用した例を示す図である。It is a figure which shows the example which used the inverter circuit as an amplifier circuit. 増幅回路の電圧利得の周波数特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of voltage gain of an amplifier circuit; 増幅回路の起動時間を説明する図である。It is a figure explaining the starting time of an amplifier circuit. 本実施形態における増幅回路の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the amplifier circuit in this embodiment. 帰還素子として用いられるトランジスタの動作特性例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of operating characteristics of a transistor used as a feedback element; 増幅回路における入力電圧および出力電圧の変化例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of changes in input voltage and output voltage in an amplifier circuit; 増幅回路を薄膜トランジスタにより構成する場合の回路レイアウトの例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a circuit layout when an amplifier circuit is configured by thin film transistors; 回路の構成部品であるトランジスタの断面構造を例示する図である。1 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a transistor that is a component of a circuit; FIG. 各タイプのトランジスタによる増幅回路の構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of an amplifier circuit using transistors of each type;

以下、本発明に係る増幅回路のいくつかの実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の一実施形態は、いわゆる擬CMOSインバータを使用した増幅回路である。擬CMOSインバータは、伝導型が互いに同一であるトランジスタの組み合わせにより、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)インバータの回路構成および機能を模したインバータ回路である。CMOSインバータ、およびCMOSインバータを用いた増幅回路の回路構成およびその動作原理は公知である。そのため、ここでは説明を省略し、まず擬CMOSインバータ回路について説明する。 Several embodiments of an amplifier circuit according to the present invention will be described below with reference to the drawings. One embodiment of the present invention is an amplifier circuit using a so-called pseudo-CMOS inverter. A pseudo-CMOS inverter is an inverter circuit that imitates the circuit configuration and functions of a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) inverter by combining transistors of the same conductivity type. The circuit configuration and operating principle of CMOS inverters and amplifier circuits using CMOS inverters are known. Therefore, description is omitted here, and the pseudo-CMOS inverter circuit will be described first.

図1Aおよび図1Bは擬CMOSインバータの構成例を示す図である。より具体的には、図1Aは擬CMOSインバータの回路構成の一例を示す図であり、図1Bはその動作特性例を示す図である。擬CMOSインバータ100は、4つのトランジスタ101~104を備えている。これらのトランジスタ101~104はいずれも、P型の伝導型を有するデプレション型トランジスタである。例えば全てのトランジスタ101~104が、同一構造を有するものであってよい。したがって、これらのトランジスタ101~104を同一の製造プロセスで同時に形成することが可能である。なお、以下の説明においては、「擬CMOSインバータ」を単に「インバータ」と称することがある。 1A and 1B are diagrams showing configuration examples of a pseudo-CMOS inverter. More specifically, FIG. 1A is a diagram showing an example of the circuit configuration of a pseudo-CMOS inverter, and FIG. 1B is a diagram showing an example of its operating characteristics. The pseudo-CMOS inverter 100 comprises four transistors 101-104. All of these transistors 101 to 104 are depletion type transistors having P-type conductivity. For example, all transistors 101-104 may have the same structure. Therefore, these transistors 101-104 can be formed simultaneously in the same manufacturing process. In the following description, "pseudo-CMOS inverter" may be simply called "inverter".

第1のトランジスタ101のゲート(G)端子は入力端子Vi’に接続されている。また、そのソース(S)端子は図示しない電源に接続されて、適宜の正電位の電源電圧Vddが印加されている。ドレインD端子は第2のトランジスタ102のソース端子と接続されている。第2のトランジスタ102のゲート端子はソース端子に接続され、ドレイン端子には電源電圧Vs1が印加される。電源電圧Vs1は電源電圧Vddの電位より低く、例えば接地電位または適宜の負電位とすることができる。 The gate (G) terminal of the first transistor 101 is connected to the input terminal Vi'. Further, the source (S) terminal is connected to a power supply (not shown), and an appropriate positive power supply voltage Vdd is applied. The drain D terminal is connected to the source terminal of the second transistor 102 . The gate terminal of the second transistor 102 is connected to the source terminal, and the power supply voltage Vs1 is applied to the drain terminal. The power supply voltage Vs1 is lower than the potential of the power supply voltage Vdd, and can be, for example, the ground potential or an appropriate negative potential.

第3のトランジスタ103のゲート端子は、第1のトランジスタ101のゲート端子と接続されている。つまり、第1のトランジスタ101のゲート端子と第3のトランジスタ103のゲート端子とは互いに並列に、入力端子Vi’に接続されている。第3のトランジスタ103のソース端子には電源電圧Vddが印加されている。また、第3のトランジスタ103のドレイン端子は第4のトランジスタ104のソース端子に接続され、さらに出力端子Vo’に接続されている。 A gate terminal of the third transistor 103 is connected to a gate terminal of the first transistor 101 . That is, the gate terminal of the first transistor 101 and the gate terminal of the third transistor 103 are connected in parallel to the input terminal Vi'. A power supply voltage Vdd is applied to the source terminal of the third transistor 103 . Also, the drain terminal of the third transistor 103 is connected to the source terminal of the fourth transistor 104 and further to the output terminal Vo'.

第4のトランジスタ104のゲート端子は第1のトランジスタ101のドレイン端子、第2のトランジスタ102のソース端子およびゲート端子に接続されている。第4のトランジスタ104のドレイン端子には電源電圧Vs2が印加されている。電源電圧Vs2は例えば電源電圧Vs1と共通とすることができる。なお、既に知られているように、擬CMOSインバータ回路の特徴として、これらの電源電圧Vs1、Vs2を異ならせることによりその動作特性を変調することが可能である。ただし、以下では最も簡単な例として電源電圧Vs1、Vs2を同電位、例えばいずれも接地電位とした場合で考える。 The gate terminal of the fourth transistor 104 is connected to the drain terminal of the first transistor 101 and the source and gate terminals of the second transistor 102 . A power supply voltage Vs2 is applied to the drain terminal of the fourth transistor 104 . The power supply voltage Vs2 can be shared with the power supply voltage Vs1, for example. As is already known, a feature of the pseudo-CMOS inverter circuit is that the operating characteristics can be modulated by varying these power supply voltages Vs1 and Vs2. In the following, however, as the simplest example, it is assumed that the power supply voltages Vs1 and Vs2 are at the same potential, for example, the ground potential.

このように構成された擬CMOSインバータ100は、入力端子Vi’にHレベルの信号が入力されたときには出力端子Vo’にLレベルを出力する一方、入力端子Vi’にLレベルの信号が入力されたときには出力端子Vo’にHレベルを出力する反転回路として機能する。なお、以下の説明において特に区別する必要がない限り、入力端子およびこれに印加される入力電圧をいずれも符号Vi’により表す。同様に、出力端子およびこれに現れる出力電圧をいずれも符号Vo’により表す。 The pseudo-CMOS inverter 100 configured in this manner outputs an L level signal to the output terminal Vo' when an H level signal is input to the input terminal Vi', and an L level signal is input to the input terminal Vi'. It functions as an inverting circuit that outputs an H level to the output terminal Vo'. In the following description, the input terminals and the input voltages applied thereto are both denoted by Vi', unless otherwise specified. Similarly, both the output terminal and the output voltage appearing thereon are denoted by the symbol Vo'.

具体的には、図1Bに示すように、入力電圧Vi’が接地電位(0V)に近いときには、出力電圧Vo’は、ほぼ電源電圧Vddに近い値となる。一方、入力電圧Vi’が電源電圧Vddに近いときには、出力電圧Vo’は、ほぼ電源電圧Vs2となる。Vs2=0とした本例では、出力電圧Vo’はほぼ接地電位となる。そして、接地電位と電源電圧Vddとの中間的な電圧Vnにおいて、出力電圧Vo’は大きく変動する。言い換えれば、この電圧Vnの近辺では入力電圧Vi’の僅かな変化に対して出力電圧Vo’が大きく変動する。この性質を利用して、インバータ回路を反転増幅回路として利用することが可能である。 Specifically, as shown in FIG. 1B, when the input voltage Vi' is close to the ground potential (0 V), the output voltage Vo' is close to the power supply voltage Vdd. On the other hand, when the input voltage Vi' is close to the power supply voltage Vdd, the output voltage Vo' is approximately the power supply voltage Vs2. In this example where Vs2=0, the output voltage Vo' is substantially at the ground potential. Then, the output voltage Vo' fluctuates greatly at the intermediate voltage Vn between the ground potential and the power supply voltage Vdd. In other words, in the vicinity of this voltage Vn, the output voltage Vo' fluctuates greatly with a slight change in the input voltage Vi'. Using this property, the inverter circuit can be used as an inverting amplifier circuit.

図2はインバータ回路を増幅回路として使用した例を示す図である。より具体的には、図2Aは増幅回路50の回路構成例を示し、図2Bはその電圧利得の周波数特性を示す図である。また、図2Cは増幅回路50の起動時間を説明する図である。図2Aに示すように、前述した擬CMOSインバータ100の入力端子Vi’と出力端子Vo’との間に帰還素子としての抵抗Rを接続することにより、擬CMOSインバータ100を反転増幅回路として動作させることができる。 FIG. 2 is a diagram showing an example of using an inverter circuit as an amplifier circuit. More specifically, FIG. 2A shows a circuit configuration example of the amplifier circuit 50, and FIG. 2B shows the frequency characteristics of its voltage gain. FIG. 2C is a diagram for explaining the activation time of the amplifier circuit 50. As shown in FIG. As shown in FIG. 2A, by connecting a resistor R as a feedback element between the input terminal Vi' and the output terminal Vo' of the pseudo-CMOS inverter 100 described above, the pseudo-CMOS inverter 100 is operated as an inverting amplifier circuit. be able to.

出力端子Vo’から入力端子Vi’への電圧帰還により、無信号状態では両端子が同電位となる。より具体的には、入力電圧Vi’と出力電圧Vo’とがいずれも電圧Vnであるとき平衡状態となる。したがって入力端子Vi’に直流電位が現れることとなるので、増幅回路50の入力端子Viとインバータ10の入力端子Vi’との間には直流カット用の入力キャパシタCが設けられる。なお、以下の説明において特に区別する必要がない限り、増幅回路50の入力端子およびこれに印加される入力電圧をいずれも符号Viにより表す。同様に、出力端子およびこれに現れる出力電圧をいずれも符号Voにより表す。増幅回路50の出力端子Voは、インバータ100の出力端子Vo’と電気的には同一である。 Due to the voltage feedback from the output terminal Vo' to the input terminal Vi', both terminals have the same potential in the no-signal state. More specifically, the equilibrium state is reached when both the input voltage Vi' and the output voltage Vo' are at the voltage Vn. Therefore, a DC potential appears at the input terminal Vi'. In the following description, the input terminal of the amplifier circuit 50 and the input voltage applied thereto are both denoted by Vi, unless otherwise specified. Similarly, both the output terminal and the output voltage appearing thereon are denoted by the symbol Vo. The output terminal Vo of the amplifier circuit 50 is electrically the same as the output terminal Vo' of the inverter 100 .

増幅回路50の入力端子Viに信号が入力されると、インバータ100の入力端子Vi’の電位は電圧Vnを中心として信号に応じた変化を示す。これに応じてインバータ100の出力電圧Vo’が大きく変化することで、増幅された信号が増幅回路50の出力端子Voに現れる。図1Bに示されるように、入力電圧Vi’の上昇に対し出力電圧Vo’は低下する方向に変化するから、増幅回路50は反転増幅回路として機能する。 When a signal is input to the input terminal Vi of the amplifier circuit 50, the potential of the input terminal Vi' of the inverter 100 changes around the voltage Vn in accordance with the signal. In response to this, the output voltage Vo′ of the inverter 100 changes greatly, and an amplified signal appears at the output terminal Vo of the amplifier circuit 50 . As shown in FIG. 1B, the output voltage Vo' changes in a decreasing direction as the input voltage Vi' increases, so the amplifier circuit 50 functions as an inverting amplifier circuit.

増幅回路50の電圧利得(=Vo/Vi)としては、図2Bに点線で示すように、ある周波数より低い周波数領域で一定であり、より高い周波数で一様に低下する特性が理想的である。しかしながら、入力キャパシタCによって低周波信号の伝達が制限される。そのため実際の増幅回路50においては、図2Bに実線で示すように、入力キャパシタCと抵抗Rとの時定数で決まる周波数より低い周波数では電圧利得が低下する。これを抑制するためには、時定数を大きく、つまり抵抗Rの抵抗値および入力キャパシタCの容量を大きくすればよい。 As the voltage gain (=Vo/Vi) of the amplifier circuit 50, as indicated by the dotted line in FIG. 2B, the ideal characteristic is that it is constant in a frequency range lower than a certain frequency and uniformly decreases at higher frequencies. . However, the input capacitor C limits the transmission of low frequency signals. Therefore, in the actual amplifier circuit 50, the voltage gain decreases at frequencies lower than the frequency determined by the time constant of the input capacitor C and resistor R, as indicated by the solid line in FIG. 2B. In order to suppress this, the time constant should be increased, that is, the resistance value of the resistor R and the capacitance of the input capacitor C should be increased.

ただし、時定数を大きくすることで、特に電源投入直後において次のような問題が生じ得る。電源投入直後の増幅回路50では、図2Cに示すように、インバータ100の入力電圧Vi’がほぼ0、出力電圧Vo’がほぼ電源電圧Vddである。これらの電位差が帰還素子である抵抗Rの両端に加わるため、抵抗Rを介して出力端子Vo’から入力端子Vi’に向かって電流が流れ込む。これにより入力端子Vi’の電位が上昇する一方、出力端子Vo’の電位は低下し、
Vi’=Vo’≒Vn
となった時点で電位の変化が収束し回路は定常状態に達する。収束までに要する時間Tsは、入力キャパシタCと抵抗Rとがなす時定数が大きいほど長くなる。
However, increasing the time constant may cause the following problems, especially immediately after power-on. In the amplifier circuit 50 immediately after power-on, the input voltage Vi' of the inverter 100 is approximately 0, and the output voltage Vo' is approximately the power supply voltage Vdd, as shown in FIG. 2C. Since the potential difference is applied to both ends of the resistor R, which is a feedback element, a current flows through the resistor R from the output terminal Vo' to the input terminal Vi'. As a result, the potential of the input terminal Vi' increases, while the potential of the output terminal Vo' decreases.
Vi'=Vo'≈Vn
When , the potential change converges and the circuit reaches a steady state. The time Ts required for convergence increases as the time constant between the input capacitor C and the resistor R increases.

このように、低域における電圧利得の低下を抑えるためには、入力キャパシタCと抵抗Rとがなす時定数が大きい方が好ましい。一方、時定数が大きいと、電源投入後に増幅回路50が定常状態に到達するまでの起動時間が長くなってしまうという問題がある。つまり、入力キャパシタCと抵抗Rとの時定数に関して、低域の電圧利得と起動時間とはトレードオフの関係にある。以下に説明する本実施形態の増幅回路は、この問題を解消し、低域での利得低下を抑制し、しかも起動時間の増大を抑えることができるものである。 Thus, in order to suppress the drop in voltage gain in the low frequency range, it is preferable that the time constant formed by the input capacitor C and the resistor R be large. On the other hand, if the time constant is large, there is a problem that the activation time required for the amplification circuit 50 to reach a steady state after power-on becomes long. That is, regarding the time constant of the input capacitor C and the resistor R, there is a trade-off relationship between the low-frequency voltage gain and the start-up time. The amplifier circuit of this embodiment, which will be described below, solves this problem, suppresses the decrease in gain in the low frequency range, and suppresses the increase in start-up time.

また、特にトランジスタが有機半導体の製造プロセスによって形成されるものである場合には、このプロセスによって安定した抵抗体を形成する方法はまだ確立されていない。このため、抵抗を含む回路を製造するためには抵抗器を外付けする必要が生じ、製造工程が複雑になる。一方、本実施形態の増幅回路は抵抗を使用していないため、このような問題は生じない。 Also, especially when the transistor is formed by an organic semiconductor manufacturing process, a method for forming a stable resistor by this process has not yet been established. Therefore, in order to manufacture a circuit including a resistor, it is necessary to externally attach the resistor, which complicates the manufacturing process. On the other hand, since the amplifier circuit of this embodiment does not use resistors, such a problem does not occur.

図3Aないし図3Cは本実施形態の増幅回路の構成を示す図である。より具体的には、図3Aは本実施形態における増幅回路10の回路構成を示し、図3Bは帰還素子として用いられるトランジスタ111の動作特性例を示す図である。また、図3Cは増幅回路10における入力電圧および出力電圧の変化例を示す図である。 3A to 3C are diagrams showing the configuration of the amplifier circuit of this embodiment. More specifically, FIG. 3A shows the circuit configuration of the amplifier circuit 10 in this embodiment, and FIG. 3B shows an example of operating characteristics of the transistor 111 used as a feedback element. FIG. 3C is a diagram showing an example of changes in the input voltage and the output voltage in the amplifier circuit 10. As shown in FIG.

図3Aに示すように、この実施形態の増幅回路10では、インバータ100の入出力端子間に接続する帰還素子として、トランジスタ111が用いられる。トランジスタ111は、インバータ100を構成するトランジスタ101~104と同じ伝導型を有している。この例では、伝導型がP型のデプレション型トランジスタが用いられる。 As shown in FIG. 3A, in the amplifier circuit 10 of this embodiment, a transistor 111 is used as a feedback element connected between the input and output terminals of the inverter 100 . Transistor 111 has the same conductivity type as transistors 101 to 104 forming inverter 100 . In this example, a depletion-mode transistor of P-type conductivity is used.

トランジスタ111では、ソース(S)端子がインバータ100の出力端子Vo’に、ドレインD端子がインバータ100の入力端子Vi’に接続されている。したがって、P型チャネルを有するトランジスタ111においては、チャネルの順方向電流は、インバータ100の出力端子Vo’から入力端子Vi’に向かって流れる。また、ゲート(G)端子はドレイン端子と接続されており、トランジスタ111は二端子素子、具体的にはダイオードとして機能する。 In the transistor 111 , the source (S) terminal is connected to the output terminal Vo′ of the inverter 100 and the drain D terminal is connected to the input terminal Vi′ of the inverter 100 . Therefore, in the transistor 111 having a P-type channel, the forward current of the channel flows from the output terminal Vo' of the inverter 100 to the input terminal Vi'. A gate (G) terminal is connected to a drain terminal, and the transistor 111 functions as a two-terminal element, specifically a diode.

以下の説明のために、トランジスタ111のドレイン電位を基準としたときのソース電位であるソース・ドレイン間電圧Vsd、ソース端子からドレイン端子に向けて流れるドレイン電流Id、二端子素子としてみたときのトランジスタ111の抵抗Rsdを導入する。これらの物理量の間には下式:
Vo’-Vi’=Vsd=Rsd・Id … (式1)
の関係がある。ただし、抵抗Rsdは一定ではなくソース・ドレイン間電圧Vsdによって変化する。
For the following description, a source-drain voltage Vsd that is a source potential with reference to the drain potential of the transistor 111, a drain current Id that flows from the source terminal to the drain terminal, and the transistor when viewed as a two-terminal element 111 resistance Rsd is introduced. Between these physical quantities is the following formula:
Vo′−Vi′=Vsd=Rsd·Id … (Equation 1)
There is a relationship However, the resistance Rsd is not constant and varies depending on the source-drain voltage Vsd.

図3Bの上段に示すように、ゲート・ドレイン間が短絡されダイオードとして動作するトランジスタ111のドレイン電流Idは、ソース・ドレイン間電圧Vsdが当該トランジスタ固有のしきい値電圧Vthより小さいときにはほとんど流れない(カットオフ状態)。ソース・ドレイン間電圧Vsdがしきい値電圧Vthより大きくなると、ソース・ドレイン間電圧Vsdの大きさに応じた大きさのドレイン電流Idが流れる(オン状態)。なお、一般的な定義におけるしきい値電圧Vthは、ソース電位を基準としたときのゲート電位として表される。一方、上記したソース・ドレイン間電圧Vsdは、正の値とするためにドレイン電位を基準としたソース電位として定義されている。したがって、ソース電位を基準とする場合とは正負が逆になる。このことから、ここでいうソース・ドレイン間電圧Vsdとの比較におけるしきい値電圧Vthは、その大きさを絶対値で表したものとする。 As shown in the upper part of FIG. 3B, the drain current Id of the transistor 111, which is short-circuited between the gate and the drain and operates as a diode, hardly flows when the voltage Vsd between the source and the drain is smaller than the threshold voltage Vth specific to the transistor. (cutoff state). When the source-drain voltage Vsd becomes higher than the threshold voltage Vth, a drain current Id corresponding to the magnitude of the source-drain voltage Vsd flows (on state). Note that the threshold voltage Vth in a general definition is expressed as a gate potential with reference to the source potential. On the other hand, the above source-drain voltage Vsd is defined as a source potential with the drain potential as a reference so as to be a positive value. Therefore, the positive/negative is opposite to the case where the source potential is used as the reference. For this reason, the magnitude of the threshold voltage Vth in comparison with the source-drain voltage Vsd is represented by an absolute value.

このため、図3Bの下段に示すように、トランジスタ111の抵抗Rsdは、ソース・ドレイン間電圧Vsdがしきい値電圧Vthより小さいときには大きな値を示す。一方、これよりソース・ドレイン間電圧Vsdが大きくなるほど小さな値を示す。このことは、次のような作用をもたらす。 Therefore, as shown in the lower part of FIG. 3B, the resistance Rsd of the transistor 111 exhibits a large value when the source-drain voltage Vsd is smaller than the threshold voltage Vth. On the other hand, it shows a smaller value as the source-drain voltage Vsd increases. This brings about the following effects.

図2Cを用いて先に説明したように、電源投入直後においてはインバータ100の出力電圧Vo’はほぼ電源電圧Vddであり、入力電圧Vi’はほぼ0である。この状態から、出力電圧Vo’は次第に低下する一方、入力電圧Vi’は次第に上昇して最終的に両電圧が電圧Vnに収束して回路が定常状態に達する。これに要する時間は、帰還素子の抵抗値と入力キャパシタの容量とで決まる時定数に依存する。 As described above with reference to FIG. 2C, the output voltage Vo' of the inverter 100 is approximately the power supply voltage Vdd and the input voltage Vi' is approximately 0 immediately after the power is turned on. From this state, the output voltage Vo' gradually decreases, while the input voltage Vi' gradually increases, and finally both voltages converge to the voltage Vn, and the circuit reaches a steady state. The time required for this depends on the time constant determined by the resistance value of the feedback element and the capacitance of the input capacitor.

本実施形態の回路においても同様であるが、電源投入直後ではインバータ100の出力電圧Vo’と入力電圧Vi’との差、つまりトランジスタ111のソース・ドレイン間電圧Vsdが大きいため、トランジスタ111は低抵抗状態である。例えば、図3Cに示す時刻T1におけるソース・ドレイン間電圧Vsdがトランジスタ111のしきい値電圧Vthより十分大きければ、図3B下段に示すように抵抗Rsdは小さい。 Similarly in the circuit of this embodiment, the difference between the output voltage Vo' and the input voltage Vi' of the inverter 100, that is, the source-drain voltage Vsd of the transistor 111 is large immediately after the power is turned on. It is in a state of resistance. For example, if the source-drain voltage Vsd at time T1 shown in FIG. 3C is sufficiently higher than the threshold voltage Vth of the transistor 111, the resistance Rsd is small as shown in the lower part of FIG. 3B.

このため、抵抗Rsdと入力キャパシタCの容量とで決まる時定数は小さく、図3Cに実線で示すように、入出力間の電圧差は急速に小さくなる。つまり、回路が定常状態に収束するまでの起動時間が、図3Cに点線で示す、抵抗値の大きな帰還素子を使用した場合に比べて短くなる。 Therefore, the time constant determined by the resistance Rsd and the capacitance of the input capacitor C is small, and the voltage difference between the input and output rapidly decreases as indicated by the solid line in FIG. 3C. That is, the start-up time required for the circuit to converge to a steady state is shorter than when a feedback element with a large resistance is used, as indicated by the dotted line in FIG. 3C.

一方、例えば図3Cに示す時刻T2のように、回路が定常状態に達した後では、トランジスタ111のソース・ドレイン間電圧Vsdが十分に小さくなっており、このとき、図3C下段に示すように抵抗Rsdは大きな値となっている。回路が増幅動作を行う定常状態においては、抵抗Rsdと入力キャパシタCとがなす時定数が大きくなるため、低周波数領域での利得の低下を抑制することができる。 On the other hand, after the circuit reaches a steady state, for example, at time T2 shown in FIG. The resistance Rsd has a large value. Since the time constant between the resistor Rsd and the input capacitor C becomes large in a steady state in which the circuit performs an amplifying operation, it is possible to suppress the decrease in the gain in the low frequency region.

帰還素子が低抵抗状態となることで起動時間を短縮する、との効果を得るためには、電源投入直後にトランジスタ111がオン状態となる必要がある。したがって、少なくともトランジスタ111のしきい値電圧Vthが、接地電位と電源電圧Vddとの間の大きさであることが必要である。そして、起動時間をさらに短縮するとの観点からは、抵抗Rsdが小さい状態ができるだけ長く続くことが望ましい。したがって、トランジスタ111のしきい値電圧Vthはできるだけ小さいことが望ましい。 In order to obtain the effect of shortening the start-up time by putting the feedback element into a low-resistance state, the transistor 111 needs to be turned on immediately after the power is turned on. Therefore, at least threshold voltage Vth of transistor 111 must be between the ground potential and power supply voltage Vdd. From the viewpoint of further shortening the start-up time, it is desirable that the state in which the resistance Rsd is small continues as long as possible. Therefore, it is desirable that the threshold voltage Vth of transistor 111 is as small as possible.

しかしながら、帰還素子が高抵抗となるソース・ドレイン間電圧Vsdの電圧範囲が狭くなると、増幅回路としての許容入力電圧は小さくなってしまう。というのは、増幅回路10への入力電圧Viの振幅が大きくなり、これに応じて出力電圧Voが大きくなると、帰還素子であるトランジスタ111の両端に加わる電圧(つまりソース・ドレイン間電圧Vsd)も大きくなり、これがしきい値電圧Vthを超えるとトランジスタ111が低抵抗状態となり利得が低下してしまうからである。この観点からは、トランジスタ111のしきい値電圧Vth(正確にはその絶対値)は、電源電圧Vddにできるだけ近い大きな値であることが望ましいことになる。 However, when the voltage range of the source-drain voltage Vsd where the feedback element has a high resistance becomes narrower, the allowable input voltage of the amplifier circuit becomes smaller. This is because when the amplitude of the input voltage Vi to the amplifier circuit 10 increases and the output voltage Vo increases accordingly, the voltage applied across the transistor 111 (that is, the source-drain voltage Vsd) also increases. This is because when the voltage increases and exceeds the threshold voltage Vth, the transistor 111 enters a low-resistance state and the gain decreases. From this point of view, it is desirable that the threshold voltage Vth (more precisely, its absolute value) of the transistor 111 is a large value as close as possible to the power supply voltage Vdd.

このように、図3Aの回路が、起動時間を短縮しつつ増幅回路として適切に動作するためには、帰還素子となるトランジスタ111が有するしきい値電圧Vthを適切なものとすることが望まれる。例えば、しきい値電圧Vthを電源電圧Vddの半分程度とすることができる。 Thus, in order for the circuit of FIG. 3A to operate appropriately as an amplifier circuit while shortening the startup time, it is desired that the threshold voltage Vth of the transistor 111, which is a feedback element, be appropriate. . For example, the threshold voltage Vth can be set to approximately half the power supply voltage Vdd.

以上のように、この実施形態の増幅回路10は、電源投入後に定常状態に達するまでの起動時間を短くし、しかも起動後には低周波数領域における利得の低下を抑えて、優れた周波数特性を得ることができるものである。さらに、擬CMOSインバータ100を構成するトランジスタ101~104と、帰還素子として機能するトランジスタ111とを、同じ伝導型のトランジスタとして形成することができる。このため、製造プロセスの面でも優れている。具体的には、帰還素子となるトランジスタ111を形成するプロセスを、擬CMOSインバータ100を構成するトランジスタ101~104を形成するプロセスに組み入れることができ、帰還素子を追加することによる工程の増加が生じない。 As described above, the amplifier circuit 10 of this embodiment shortens the start-up time until the steady state is reached after the power is turned on, suppresses the decrease in gain in the low frequency region after start-up, and obtains excellent frequency characteristics. It is possible. Furthermore, the transistors 101 to 104 forming the pseudo-CMOS inverter 100 and the transistor 111 functioning as a feedback element can be formed as transistors of the same conduction type. Therefore, it is also excellent in terms of manufacturing process. Specifically, the process of forming the transistor 111 that serves as the feedback element can be incorporated into the process of forming the transistors 101 to 104 that make up the pseudo-CMOS inverter 100, and the addition of the feedback element results in an increase in the number of steps. do not have.

図4Aおよび図4Bは本実施形態の増幅回路のレイアウト例を示す図である。より具体的には、図4Aは図3Aに示す増幅回路10を薄膜トランジスタにより構成する場合の回路レイアウトの例を示す。また、図4Bは回路の構成部品であるトランジスタの断面構造を例示する図である。図4Aにおいて、斜線を付した構造物は、チャネルCHとして機能する有機半導体薄膜SCを表している。薄膜トランジスタの主要部となる半導体薄膜の材料としては、半導体材料として知られている種々のものを用いることができる。 4A and 4B are diagrams showing layout examples of the amplifier circuit of this embodiment. More specifically, FIG. 4A shows an example of a circuit layout when the amplifier circuit 10 shown in FIG. 3A is composed of thin film transistors. Also, FIG. 4B is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a transistor that is a component of the circuit. In FIG. 4A, the hatched structure represents the organic semiconductor thin film SC functioning as the channel CH. Various materials known as semiconductor materials can be used as the material for the semiconductor thin film that is the main part of the thin film transistor.

図4Aに示すように、インバータ100を構成するトランジスタ101~104と帰還素子となるトランジスタ111とは、基本的にいずれも同一構造とすることが可能である。したがって、各トランジスタを同一の製造プロセスで製造することが可能である。図4B右側では、各トランジスタ101~104、111を統一的に扱うため、代表的に符号Trを付している。同図に示すように、トランジスタTrは基本的に、基板SBに形成されたドレイン電極Edおよびソース電極Es、これらを接続する有機半導体薄膜SC、有機半導体薄膜SCの表面を覆う絶縁膜IG、絶縁膜IGを介して有機半導体薄膜SCと対向するゲート電極Egが順次積層された構造を有している。これらの各機能層は、塗布、真空蒸着、化学的気相成長、フォトリソグラフィ、印刷、めっき等、それぞれの材料に応じた適宜の成膜方法により形成することが可能である。このようなトランジスタにおいて、ドレイン電極とソース電極とは構造的には同一であり相互に交換可能である。 As shown in FIG. 4A, the transistors 101 to 104 forming the inverter 100 and the transistor 111 acting as the feedback element can all basically have the same structure. Therefore, each transistor can be manufactured by the same manufacturing process. On the right side of FIG. 4B, the transistors 101 to 104 and 111 are represented by Tr in order to treat them uniformly. As shown in the figure, the transistor Tr basically includes a drain electrode Ed and a source electrode Es formed on a substrate SB, an organic semiconductor thin film SC connecting them, an insulating film IG covering the surface of the organic semiconductor thin film SC, an insulating It has a structure in which a gate electrode Eg facing the organic semiconductor thin film SC via the film IG is sequentially stacked. Each of these functional layers can be formed by an appropriate film formation method, such as coating, vacuum deposition, chemical vapor deposition, photolithography, printing, plating, etc., according to each material. In such transistors, the drain and source electrodes are structurally identical and interchangeable.

このように構成されたトランジスタ同士が、図4Aに示すように適宜の配線パターンPTで相互に接続される。これにより、図3Aに示す増幅回路10を形成することが可能である。なお、入力キャパシタCについては、図4B左側に示すように、絶縁膜IGを介して近接対向する2つの電極E1,E2により構成することが可能である。このような構造を形成するための製造プロセスも、トランジスタを製造するプロセスと共通化することが可能である。 The transistors configured in this manner are connected to each other by appropriate wiring patterns PT as shown in FIG. 4A. Thereby, it is possible to form the amplifier circuit 10 shown in FIG. 3A. Note that the input capacitor C can be composed of two electrodes E1 and E2 that are closely opposed to each other via an insulating film IG, as shown on the left side of FIG. 4B. A manufacturing process for forming such a structure can also be shared with a process for manufacturing a transistor.

また、配線パターンPTについては、絶縁膜IGにより相互に隔離された電極同士を接続する必要もある。例えば図4B左側に示すキャパシタCの電極板E1と図4B右側に示すトランジスタTrのゲート電極Egとを接続する場合(トランジスタTrがトランジスタ101として機能する場合に相当)、配線パターンPTは絶縁膜IGの上面に沿って両電極を接続するように形成されればよい。 Further, as for the wiring pattern PT, it is also necessary to connect the electrodes separated from each other by the insulating film IG. For example, when connecting the electrode plate E1 of the capacitor C shown on the left side of FIG. 4B and the gate electrode Eg of the transistor Tr shown on the right side of FIG. It may be formed so as to connect both electrodes along the upper surface of the .

一方、例えば図4B右側に示すトランジスタTrのゲート電極Egとドレイン電極Edとを接続する場合(トランジスタTrが帰還用トランジスタ111として機能する場合に相当)、両電極が絶縁膜IGによって隔てられている。この場合には、絶縁膜IGに部分的に貫通孔を設けて上下の配線を電気的に接続する、いわゆるヴィアホール接続によって配線パターンPTを形成することが可能である。 On the other hand, for example, when connecting the gate electrode Eg and the drain electrode Ed of the transistor Tr shown on the right side of FIG. 4B (corresponding to the case where the transistor Tr functions as the feedback transistor 111), both electrodes are separated by the insulating film IG. . In this case, it is possible to form the wiring pattern PT by a so-called via-hole connection in which a through hole is partially provided in the insulating film IG to electrically connect upper and lower wirings.

なお、上記実施形態の増幅回路10は、P型かつデプレション型のトランジスタ101~104,111を組み合わせて構成されている。しかしながら、伝導型がN型であるトランジスタや、エンハンスメント型のトランジスタによっても同様の回路を構成することが可能である。ただし、その動作特性の差異に起因して回路構成は部分的に異なる。 The amplifier circuit 10 of the above embodiment is configured by combining P-type and depletion-type transistors 101 to 104 and 111. FIG. However, a similar circuit can also be configured with a transistor whose conductivity type is N-type or an enhancement-type transistor. However, the circuit configuration is partially different due to the difference in operating characteristics.

図5は各タイプのトランジスタによる増幅回路の構成例を示す図である。このうち左上欄の増幅回路10は、P型半導体を使用したデプレション型トランジスタにより構成されたものである。すなわち増幅回路10は、図3Aに示した本実施形態の回路と同じものである。なお、各タイプのトランジスタを用いた擬CMOSインバータの回路構成は公知であるので、詳しい説明を省略する。また、これらの回路においては低電位側の電源を共通化し、電源電圧Vssとして表している。 FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of an amplifier circuit using transistors of each type. Among them, the amplifier circuit 10 in the upper left column is composed of a depletion type transistor using a P-type semiconductor. That is, the amplifier circuit 10 is the same as the circuit of this embodiment shown in FIG. 3A. Since the circuit configuration of the pseudo-CMOS inverter using each type of transistor is well known, detailed description thereof will be omitted. Further, in these circuits, the power supply on the low potential side is shared and represented as power supply voltage Vss.

また、右上欄の増幅回路20は、P型、エンハンスメント型トランジスタにより構成された回路の例である。この増幅回路20は、擬CMOSインバータを構成するトランジスタ201~204と、帰還素子となるトランジスタ211とを備えている。回路構成はデプレション型のものと概ね同じであるが、トランジスタ202のゲート電位については、当該トランジスタ202が有するしきい値電圧Vthの大きさに応じて、点線で示すようにドレイン端子と同電位とされるケースと、実線で示すように適宜の制御電圧Vcが印加される場合とがあり得る。 Further, the amplifier circuit 20 in the upper right column is an example of a circuit configured by P-type enhancement type transistors. The amplifier circuit 20 includes transistors 201 to 204 forming a pseudo-CMOS inverter and a transistor 211 acting as a feedback element. The circuit configuration is almost the same as that of the depletion type, but the gate potential of the transistor 202 is the same as that of the drain terminal as indicated by the dotted line, depending on the magnitude of the threshold voltage Vth of the transistor 202. and a case where an appropriate control voltage Vc is applied as indicated by the solid line.

左下欄の増幅回路30は、N型、デプレション型トランジスタにより構成された回路の例である。この増幅回路30は、擬CMOSインバータを構成するトランジスタ301~304と、帰還素子となるトランジスタ311とを備えている。インバータの回路構成は、P型の増幅回路10の極性を反転したものとなる。また、帰還素子となるトランジスタ311は、ドレイン・ゲート間が接続されてダイオードとして用いられる点についてはP型のものと同じである。ただし、ドレイン端子がインバータの出力側に、ソース端子がインバータの入力側に接続される点で相違がある。N型トランジスタにおいては、前述の(式1)に代えて下式:
Vo’-Vi’=Vds=Rds・Id … (式2)
の関係が成立する。ここで、符号Vdsはソース端子に対するドレイン端子電位、符号Rdsはドレイン・ソース間の抵抗である。
The amplifier circuit 30 in the lower left column is an example of a circuit composed of N-type, depletion-type transistors. The amplifier circuit 30 includes transistors 301 to 304 forming a pseudo-CMOS inverter and a transistor 311 acting as a feedback element. The circuit configuration of the inverter is obtained by inverting the polarity of the P-type amplifier circuit 10 . Also, the transistor 311 serving as a feedback element is the same as the P-type transistor in that the drain and gate are connected and used as a diode. However, there is a difference in that the drain terminal is connected to the output side of the inverter and the source terminal is connected to the input side of the inverter. In an N-type transistor, instead of (Equation 1) above, the following equation:
Vo′−Vi′=Vds=Rds·Id … (Equation 2)
relationship is established. Here, the symbol Vds is the drain terminal potential with respect to the source terminal, and the symbol Rds is the resistance between the drain and the source.

また、右下欄の増幅回路40は、N型、エンハンスメント型トランジスタにより構成された回路の例である。この増幅回路40は、擬CMOSインバータを構成するトランジスタ401~404と、帰還素子となるトランジスタ411とを備えている。インバータの回路構成は、P型の増幅回路20の極性を反転したものとなる。この場合も、帰還素子となるトランジスタ411は、ドレイン・ゲート間が接続され、ドレイン端子がインバータの出力側に、ソース端子がインバータの入力側にそれぞれ接続される。 Further, the amplifier circuit 40 in the lower right column is an example of a circuit composed of N-type enhancement-type transistors. The amplifier circuit 40 includes transistors 401 to 404 forming a pseudo-CMOS inverter and a transistor 411 acting as a feedback element. The circuit configuration of the inverter is obtained by inverting the polarity of the P-type amplifier circuit 20 . In this case also, the drain and gate of the transistor 411 serving as a feedback element are connected, the drain terminal is connected to the output side of the inverter, and the source terminal is connected to the input side of the inverter.

このように、使用されるトランジスタのタイプ(P型/N型、デプレション型/エンハンスメント型)によってインバータの回路構成が一部異なるが、これに帰還素子を接続して増幅回路として動作させるための回路の改変については共通している。それは、入力側に入力キャパシタを接続することと、トランジスタをダイオード接続したものを帰還素子として用いることとである。このときのトランジスタについては、P型、N型とも、ゲート・ドレイン間を接続し、チャネルにおける順方向電流の方向がインバータの出力側から入力側へ向かう方向と一致するように、インバータの入出力間に介挿される。 In this way, the circuit configuration of the inverter partly differs depending on the type of transistor used (P-type/N-type, depletion type/enhancement type). Modification of the circuit is common. That is, connecting an input capacitor to the input side and using a diode-connected transistor as a feedback element. At this time, for both P-type and N-type transistors, the gate and drain are connected, and the input/output of the inverter is controlled so that the direction of the forward current in the channel matches the direction from the output side to the input side of the inverter. interposed in between.

これにより、いずれの回路例においても、電源投入直後においては帰還用トランジスタが低抵抗となり、入力キャパシタCとでなす時定数が小さくなる。そのため、回路が定常状態に達するまでに要する起動時間を短くすることができる。一方、定常状態に達した後には、帰還用トランジスタが高抵抗となる。そのため、入力キャパシタCとでなす時定数に依存する低周波数領域での利得低下を抑制することができる。すなわち、本発明に係る増幅回路は、優れた周波数特性と短い起動時間とを両立させることができる。また、帰還用トランジスタを、インバータを構成するトランジスタと同じ製造プロセス中で形成することができる。このため、単にインバータを製造する場合と比べて工程が複雑になることはなく、効率的に増幅回路を製造することが可能である。 As a result, in any circuit example, the resistance of the feedback transistor becomes low immediately after the power is turned on, and the time constant formed with the input capacitor C becomes small. Therefore, the start-up time required for the circuit to reach a steady state can be shortened. On the other hand, after the steady state is reached, the feedback transistor has a high resistance. Therefore, it is possible to suppress the gain reduction in the low frequency region that depends on the time constant formed with the input capacitor C. FIG. That is, the amplifier circuit according to the present invention can achieve both excellent frequency characteristics and a short start-up time. Also, the feedback transistor can be formed in the same manufacturing process as the transistors that make up the inverter. Therefore, the steps are not complicated as compared with the case of simply manufacturing an inverter, and it is possible to efficiently manufacture an amplifier circuit.

以上説明したように、本実施形態の増幅回路10においては、その入力端子Viおよび出力端子Voが、それぞれ本発明の「入力端子」および「出力端子」に相当している。一方、増幅回路10の構成要素である擬CMOSインバータ100が本発明の「インバータ回路」に相当しており、その入力端子Vi’および出力端子Vo’が、それぞれ本発明の「入力部」および「出力部」に相当している。また、上記実施形態では、キャパシタCおよびトランジスタ111がそれぞれ本発明の「キャパシタ」および「帰還素子」として機能している。 As described above, in the amplifier circuit 10 of this embodiment, the input terminal Vi and the output terminal Vo respectively correspond to the "input terminal" and the "output terminal" of the invention. On the other hand, the pseudo-CMOS inverter 100, which is a component of the amplifier circuit 10, corresponds to the "inverter circuit" of the present invention, and its input terminal Vi' and output terminal Vo' correspond to the "input section" and "input section" of the present invention, respectively. corresponds to the output unit. Also, in the above embodiments, the capacitor C and the transistor 111 function as the "capacitor" and the "feedback element" of the present invention, respectively.

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記した実施形態は、本発明に係る増幅回路を、有機半導体材料を用いた有機薄膜トランジスタの組み合わせにより実現したものである。しかしながら、本発明の増幅回路は、有機薄膜トランジスタに限定されず、各種の半導体素子を用いて構成することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the embodiments described above, the amplifier circuit according to the present invention is realized by combining organic thin film transistors using organic semiconductor materials. However, the amplifier circuit of the present invention is not limited to organic thin film transistors, and can be configured using various semiconductor elements.

また、上記実施形態の各増幅回路10~40はいずれも、デプレション型またはエンハンスメント型のいずれかのトランジスタを組み合わせて構成されたものである。ここで、P型半導体およびN型半導体を1つの回路中で混在させることは、特に有機半導体材料を使用する場合には、それぞれ異なる材料を用いて回路を形成する必要があり、製造工程が複雑になるため好ましくない。これに対し、伝導型についてはP型またはN型のいずれかに統一する一方で、デプレション型のトランジスタとエンハンスメント型のトランジスタとを混在させることは許容される。 Further, each of the amplifier circuits 10 to 40 of the above embodiments is configured by combining either depletion type or enhancement type transistors. Here, mixing a P-type semiconductor and an N-type semiconductor in one circuit, especially when using an organic semiconductor material, requires forming circuits using different materials, which complicates the manufacturing process. It is not preferable because it becomes On the other hand, while the conduction type is unified to either P-type or N-type, it is allowed to mix depletion-type transistors and enhancement-type transistors.

また、ゲート端子がドレイン端子またはソース端子に直結されたトランジスタにおいては、このような直結に代えて、ゲート端子に適宜のバイアス電圧が印加された態様で使用されてもよい。このような態様によれば、ゲートバイアスにより当該トランジスタの実効的なしきい値電圧Vthを制御することが可能となる。 In addition, a transistor in which the gate terminal is directly connected to the drain terminal or the source terminal may be used in such a manner that an appropriate bias voltage is applied to the gate terminal instead of such direct connection. According to this aspect, it is possible to control the effective threshold voltage Vth of the transistor by gate bias.

以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明に係る増幅回路においては、例えばインバータ回路を構成するトランジスタの伝導型がP型であれば、帰還素子を構成するトランジスタのドレイン電極がインバータ回路の入力部に、ソース電極がインバータ回路の出力部にそれぞれ接続されればよい。また、インバータ回路を構成するトランジスタの伝導型がN型であれば、帰還素子を構成するトランジスタのドレイン電極がインバータ回路の出力部に、ソース電極がインバータ回路の入力部にそれぞれ接続されればよい。これらの構成によれば、帰還素子としてのトランジスタが、インバータ回路の出力部から入力部に向かって電流が流れる方向をチャネル電流の順方向となるようにすることができ、本発明に係る帰還素子として有効に機能することになる。 As described above with reference to specific embodiments, in the amplifier circuit according to the present invention, for example, if the conductivity type of the transistor that constitutes the inverter circuit is the P-type, the transistor that constitutes the feedback element is The drain electrode may be connected to the input section of the inverter circuit, and the source electrode may be connected to the output section of the inverter circuit. Further, if the conductivity type of the transistor that constitutes the inverter circuit is N-type, the drain electrode of the transistor that constitutes the feedback element should be connected to the output section of the inverter circuit, and the source electrode should be connected to the input section of the inverter circuit. . According to these configurations, the transistor as the feedback element can make the direction in which the current flows from the output section to the input section of the inverter circuit the forward direction of the channel current. will effectively function as

また例えば、帰還素子を構成するトランジスタのゲートしきい値電圧は、その絶対値が接地電位とインバータ回路の電源電圧との間の値であるように構成されてよい。このような構成によれば、インバータ回路の入出力部間の電位差がほぼ電源電圧となる電源投入直後において、当該トランジスタが確実にオン状態となる。そのため、低抵抗化による起動時間の短縮効果を確実に得ることができる。また、インバータ回路の入出力部間の電位差がほぼ0である状態ではトランジスタがカットオフ状態となる。そのため、高抵抗化による周波数特性の改善効果を確実に得ることが可能となる。 Further, for example, the gate threshold voltage of the transistor forming the feedback element may be configured such that its absolute value is between the ground potential and the power supply voltage of the inverter circuit. According to such a configuration, the transistor is reliably turned on immediately after the power is turned on when the potential difference between the input and output portions of the inverter circuit becomes substantially the power supply voltage. Therefore, it is possible to reliably obtain the effect of shortening the start-up time by reducing the resistance. Further, when the potential difference between the input and output portions of the inverter circuit is approximately zero, the transistor is cut off. Therefore, it is possible to reliably obtain the effect of improving the frequency characteristics by increasing the resistance.

また例えば、インバータ回路および帰還素子を構成するトランジスタは、有機半導体トランジスタであってよい。本発明では、単一の伝導型を有するトランジスタの組み合わせによって優れた特性を有する増幅回路を構成することが可能である。このような特徴は、同一材料で相補的な伝導型のトランジスタを形成することが困難である有機半導体を用いる場合に特に有効なものとなるからである。 Further, for example, the transistors forming the inverter circuit and the feedback element may be organic semiconductor transistors. According to the present invention, it is possible to configure an amplifier circuit having excellent characteristics by combining transistors having a single conductivity type. This is because such a feature is particularly effective when using an organic semiconductor for which it is difficult to form complementary conduction type transistors from the same material.

また例えば、インバータ回路および帰還素子を構成するトランジスタは、互いに同一の製造プロセスにより同時に形成されたものであってよい。本発明に係る増幅回路では、インバータ回路および帰還素子を構成する複数のトランジスタが、互いに同一の伝導型を有する。また、各トランジスタの構造も、原理的には同一のものとすることができる。このため、1つのトランジスタを形成するための製造プロセスと同一の工程で、複数のトランジスタを同時に形成することが可能である。これにより、低い製造コストで優れた特性の増幅回路を製造することができる。 Further, for example, the transistors forming the inverter circuit and the feedback element may be formed simultaneously by the same manufacturing process. In the amplifier circuit according to the present invention, the plurality of transistors forming the inverter circuit and the feedback element have the same conductivity type. Further, the structure of each transistor can also be the same in principle. Therefore, it is possible to simultaneously form a plurality of transistors in the same manufacturing process as that for forming one transistor. As a result, an amplifier circuit with excellent characteristics can be manufactured at a low manufacturing cost.

以上、特定の実施例に沿って発明を説明したが、この説明は限定的な意味で解釈されることを意図したものではない。発明の説明を参照すれば、本発明のその他の実施形態と同様に、開示された実施形態の様々な変形例が、この技術に精通した者に明らかとなるであろう。故に、添付の特許請求の範囲は、発明の真の範囲を逸脱しない範囲内で、当該変形例または実施形態を含むものと考えられる。 Although the invention has been described in terms of specific embodiments, this description is not meant to be construed in a limiting sense. Various modifications of the disclosed embodiments, as well as other embodiments of the invention, will become apparent to persons skilled in the art upon reference to the description of the invention. It is therefore intended that the appended claims cover any such variations or embodiments without departing from the true scope of the invention.

この発明に係る増幅回路は、例えば表示装置やタッチパネル装置、ウェアラブル電子装置等の各種電子装置に搭載可能である。特に、薄膜トランジスタを用いて増幅回路を構成することができるので、ガラス基板や柔軟な樹脂基板等の表面に増幅回路を実装する用途にも好適である。 The amplifier circuit according to the present invention can be mounted on various electronic devices such as display devices, touch panel devices, and wearable electronic devices. In particular, since an amplifier circuit can be configured using thin film transistors, it is also suitable for use in mounting an amplifier circuit on the surface of a glass substrate, a flexible resin substrate, or the like.

10~40 増幅回路
100 擬CMOSインバータ(インバータ回路)
101~104、201~204、301~304、401~404 トランジスタ
111、211、311、411 帰還用トランジスタ
C 入力キャパシタ(キャパシタ)
Vi 入力端子
Vi’ 入力部
Vo 出力端子
Vo’ 出力部
10 to 40 amplifier circuit 100 pseudo CMOS inverter (inverter circuit)
101 to 104, 201 to 204, 301 to 304, 401 to 404 transistors 111, 211, 311, 411 feedback transistors C input capacitors (capacitors)
Vi input terminal Vi' input section Vo output terminal Vo' output section

Claims (6)

入力端子に入力される信号を増幅して出力端子から出力する増幅回路であって、
入力部に入力される入力信号を反転させた出力信号を出力部から前記出力端子へ出力するインバータ回路と、
前記入力端子と前記インバータ回路の前記入力部との間に接続されたキャパシタと、
前記インバータ回路の前記入力部と前記出力部との間に接続された帰還素子と
を備え、
前記インバータ回路では、半導体チャネルの伝導型が互いに同じである複数のトランジスタが擬CMOSインバータを構成し、
前記帰還素子は、前記擬CMOSインバータを構成する前記トランジスタと伝導型が同じであるトランジスタのゲート電極とドレイン電極とを接続した二端子素子であり、該二端子素子は、チャネルにおける順方向の電流が前記出力部から前記入力部へ向けて流れるように前記インバータ回路に接続される、増幅回路。
An amplifier circuit that amplifies a signal input to an input terminal and outputs the signal from an output terminal,
an inverter circuit for outputting an output signal obtained by inverting an input signal input to an input section from an output section to the output terminal;
a capacitor connected between the input terminal and the input of the inverter circuit;
a feedback element connected between the input section and the output section of the inverter circuit,
In the inverter circuit, a plurality of transistors whose semiconductor channels have the same conductivity type form a pseudo-CMOS inverter,
The feedback element is a two-terminal element in which a gate electrode and a drain electrode of a transistor of the same conductivity type as those of the transistor constituting the pseudo-CMOS inverter are connected, and the two-terminal element generates a forward current in the channel. an amplifier circuit connected to said inverter circuit such that a current flows from said output towards said input.
前記インバータ回路を構成する前記トランジスタの伝導型がP型であり、
前記帰還素子を構成する前記トランジスタのドレイン電極が前記インバータ回路の前記入力部に、ソース電極が前記インバータ回路の前記出力部にそれぞれ接続されている請求項1に記載の増幅回路。
a conductivity type of the transistor constituting the inverter circuit is a P type;
2. The amplifier circuit according to claim 1, wherein the drain electrode of said transistor constituting said feedback element is connected to said input section of said inverter circuit, and the source electrode thereof is connected to said output section of said inverter circuit.
前記インバータ回路を構成する前記トランジスタの伝導型がN型であり、
前記帰還素子を構成する前記トランジスタのドレイン電極が前記インバータ回路の前記出力部に、ソース電極が前記インバータ回路の前記入力部にそれぞれ接続されている請求項1に記載の増幅回路。
a conduction type of the transistor constituting the inverter circuit is N type;
2. The amplifier circuit according to claim 1, wherein the drain electrode of said transistor constituting said feedback element is connected to said output section of said inverter circuit, and the source electrode thereof is connected to said input section of said inverter circuit.
前記帰還素子を構成する前記トランジスタのゲートしきい値電圧の絶対値が、接地電位と前記インバータ回路の電源電圧との間の値である請求項1ないし3のいずれかに記載の増幅回路。 4. The amplifier circuit according to claim 1, wherein the absolute value of the gate threshold voltage of said transistor forming said feedback element is a value between the ground potential and the power supply voltage of said inverter circuit. 前記インバータ回路および前記帰還素子を構成する前記トランジスタが、有機半導体トランジスタである請求項1ないし4のいずれかに記載の増幅回路。 5. The amplifier circuit according to claim 1, wherein said transistors constituting said inverter circuit and said feedback element are organic semiconductor transistors. 前記インバータ回路および前記帰還素子を構成する前記トランジスタが、互いに同一の製造プロセスにより同時に形成された請求項1ないし5のいずれかに記載の増幅回路。 6. The amplifier circuit according to claim 1, wherein said transistors forming said inverter circuit and said feedback element are simultaneously formed by the same manufacturing process.
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