一种单类型晶体管的增益可调放大电路、系统及方法

1.本发明涉及模拟集成电路领域，尤其涉及一种单类型晶体管的增益可调放大电路、系统及方法。


背景技术：

2.薄膜晶体管(tft)由于良好的均匀性、较低的工艺制备温度、柔韧性以及低成本等特点，成为新一代传感器、放大器和柔性集成电路的新兴前沿研究领域。然而，薄膜晶体管电路的应用存在一些挑战。首先，薄膜晶体管(tft)只有单类型管，要么全n型，要么全p型，因此与传统pn互补结构的电路拓扑结构存在明显不同，需要专门的单类型晶体管拓扑结构。其次，相比于硅基工艺，薄膜晶体管(tft)的迁移率较低、电流驱动能力和跨导较低。
3.现有的以二极管接法的mos管为负载的tft共源放大器的增益为10db左右，这无法满足模拟前端电路对小信号放大的需求。而目前提高增益的技术主要包括正反馈技术和电容自举结构两类。正反馈技术增加了电路复杂度，并且由于仿真及工艺实现上的偏差，实际制造的电路可能难以保证反馈电路的环路稳定性，导致自激振荡；现有的电容自举结构，能做到不破坏电路的稳定性，但需要消耗较大的电路物理实现面积。


技术实现要素：

4.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单类型晶体管的增益可调放大电路、系统及方法。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种单类型晶体管的增益可调放大电路，包括：
7.差分输入跨导增强模块，包括差分放大单元、尾电流管，以及设置在所述差分放大单元和尾电流管之间的正反馈网络；所述正反馈网络由串联交叉耦合晶体管组成，用于提高差分放大单元的等效跨导；所述差分放大单元的输入端用于接收输入信号；
8.晶体管电容自举与增益调节模块，包括阻值可调的第一负载单元和由晶体管构成的增益自举电路，所述第一负载单元连接在电源与所述差分放大单元之间；
9.输出驱动模块，所述输出驱动模块的输入端与所述差分放大单元的输出端连接，用于驱动负载。
10.进一步地，所述差分放大单元包括第一晶体管和第二晶体管；所述正反馈网络包括第三晶体管和第四晶体管；
11.所述尾电流管为第五晶体管；
12.所述第一晶体管的栅极作为差分输入跨导增强模块输入端的一端，漏极作为差分输入跨导增强模块输出端的一端，源极通过第三晶体管连接至第五晶体管的漏极；
13.所述第二晶体管的栅极作为差分输入跨导增强模块输入端的另一端，漏极作为差分输入跨导增强模块输出端的另一端，源极通过第四晶体管连接至第五晶体管的漏极；
14.所述第三晶体管的栅极连接至第二晶体管的源极，所述第四晶体管的栅极连接至
第一晶体管的源极；
15.所述第五晶体管的栅极连接第一偏置电压，源极接地。
16.进一步地，所述第一负载单元包括控制电路和多个并联的阻抗单元，所述阻抗单元包括串联的开关管和第六晶体管；
17.第六晶体管的栅极与所述增益自举电路的输出端连接，源极与所述差分放大单元的输出端连接，漏极通过开关管连接至电源；
18.所述控制电路用于控制开关管的工作状态。
19.进一步地，所述增益自举电路包括第八晶体管；其中，第八晶体管工作在截止区；
20.所述第八晶体管的栅极连接所述差分放大单元的输出端，漏极连接电源，源极与所述第六晶体管的栅极连接。
21.进一步地，输出驱动模块包括第十二晶体管、第十四晶体管、第十三晶体管、第十五晶体管和第二负载单元；
22.所述第十二晶体管的栅极连接差分放大单元输出端的一端，漏极通过所述第二负载单元连接至电源，源极通过所述第十四晶体管接地；
23.所述第十三晶体管的栅极连接差分放大单元输出端的另一端，漏极通过所述第二负载单元连接至电源，源极通过所述第十五晶体管接地；
24.所述第十四晶体管的栅极连接至第十二晶体管的漏极，所述第十五晶体管的栅极连接至第十三晶体管的漏极。
25.进一步地，所述第二负载单元包括第十晶体管、第十一晶体管、第十六晶体管和第十七晶体管；
26.所述第十晶体管的栅极连接第二偏置电压，漏极连接电源，源极连接所述第十二晶体管的漏极；
27.所述第十一晶体管的栅极连接第二偏置电压，漏极连接电源，源极连接所述第十三晶体管的漏极；
28.所述第十六晶体管的栅极连接所述第十三晶体管的漏极，漏极连接所述第十二晶体管的漏极，源极接地；
29.所述第十七晶体管的栅极连接所述第十二晶体管的漏极，漏极连接所述第十三晶体管的漏极，源极接地。
30.进一步地，所述增益可调放大电路中的晶体管均为n型晶体管或者均为p型晶体管。
31.进一步地，所述增益可调放大电路采用以下其中一种工艺来实现：硅基工艺、n型金属氧化物薄膜晶体管工艺、非晶硅或多晶硅薄膜晶体管工艺、p型有机薄膜晶体管工艺、碳纳米管工艺。
32.本发明所采用的另一技术方案是：
33.一种信息采集系统，包括：
34.传感器，用于基于外部信息，输出电压信息；
35.前端放大器，用于对所述电压信息进行滤波和放大；
36.如上所述的放大电路，用于将前端放大器输出的信号调整为预设幅值的信号，以驱动后级电路。
37.本发明所采用的另一技术方案是：
38.一种控制方法，应用于上所述的一种单类型晶体管的增益可调放大电路，其特征在于，包括以下步骤：
39.通过控制电路控制多个并联的阻抗单元中开关管的工作状态，以使第一负载单元呈现不同的阻值，进而实现增益可调。
40.本发明的有益效果包括：
41.(1)在差分输入跨导增强模块中，通过串联交叉耦合电路来提高差分放大管的等效跨导，提高了运放的增益。
42.(2)在晶体管电容自举与增益调节模块中，利用晶体管的栅源电容和漏源电阻来取代现有电容自举电路中的电容和电阻，进一步提高了放大器的增益。另外，采用晶体管实现增益自举，与普通电容自举方法相比，减小了芯片面积并能保证电路的稳定性。
43.(3)在晶体管电容自举与增益调节模块中，通过控制电路控制多个并联的阻抗单元中开关管的工作状态，以使第一负载单元呈现不同的阻值，进而实现增益可调。
44.(4)在输出驱动模块中，输出级采用翻转电压跟随电路，输出阻抗比传统的源随器更低，增强了电路的电流驱动能力。
附图说明
45.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。
46.图1是本发明实施例中一种单类型晶体管的增益可调放大电路的结构示意图；
47.图2为基于图1所示一种单类型晶体管的增益可调放大电路的电路结构图；
48.图3是本发明实施例中一种增益自举提高输出阻抗的结构图；
49.图4是本发明实施例中一种增益自举提高输出阻抗的等效电路图；
50.图5是本发明实施例中一种单类型晶体管的增益可调放大电路的应用实例。
具体实施方式
51.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。
52.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。
53.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。
54.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。
55.如图1所示，本实施例提供一种单类型晶体管的增益可调放大电路101，包括：
56.差分输入跨导增强模块1011，包括差分放大单元、尾电流管，以及设置在所述差分放大单元和尾电流管之间的正反馈网络；所述正反馈网络由串联交叉耦合晶体管组成，用于提高差分放大单元的等效跨导；所述差分放大单元的输入端用于接收输入信号；
57.晶体管电容自举与增益调节模块1012，包括阻值可调的第一负载单元和由晶体管构成的增益自举电路，所述第一负载单元连接在电源与所述差分放大单元之间；
58.输出驱动模块1013，所述输出驱动模块的输入端与所述差分放大单元的输出端连接，用于驱动负载。
59.参见图2，作为一种可选的实施方式，所述差分放大单元包括第一晶体管m1和第二晶体管m2；所述正反馈网络包括第三晶体管m3和第四晶体管m4；
60.所述尾电流管为第五晶体管m5；
61.所述第一晶体管m1的栅极作为差分输入跨导增强模块输入端的一端，漏极作为差分输入跨导增强模块输出端的一端，源极通过第三晶体管m3连接至第五晶体管m5的漏极；
62.所述第二晶体管m2的栅极作为差分输入跨导增强模块输入端的另一端，漏极作为差分输入跨导增强模块输出端的另一端，源极通过第四晶体管m4连接至第五晶体管m5的漏极；
63.所述第三晶体管m3的栅极连接至第二晶体管m2的源极，所述第四晶体管m4的栅极连接至第一晶体管m1的源极；
64.所述第五晶体管m5的栅极连接第一偏置电压，源极接地。
65.差分输入跨导增强模块的同向输入晶体管(即晶体管m1)、反向输入晶体管的漏极(即晶体管m2)与尾电流管(即晶体管m5)之间串联交叉耦合晶体管m3和m4，由此构建正反馈网络，增强差分输入管的等效跨导。具体的晶体管m3的漏极接同向输入晶体管的源极，晶体管m3的栅极接反向输入晶体管的源极，晶体管m3的源极接尾电流管的漏极；晶体管m4的漏极接反向输入晶体管的源极，晶体管m4的栅极接同向输入晶体管的源极，晶体管m4的源极接尾电流管的漏极。
66.单类性晶体管全差分增益可调放大电路的关键在于，差分输入跨导增强模块通过串联交叉耦合晶体管，提高了差分放大管的等效跨导，输入级的等效跨导可以表示为只要保证g
m3，4
＞g
m1，2
，即可提高放大电路的等效跨导，从而提高全差分增益可调放大电路的增益。其中，g
m3,4
为晶体管m3、m4的跨导，g
m1,2
为晶体管m1、m2的跨导。
67.参见图2，作为一种可选的实施方式，所述第一负载单元包括控制电路和多个并联的阻抗单元，所述阻抗单元包括串联的开关管和第六晶体管；
68.第六晶体管的栅极与所述增益自举电路的输出端连接，源极与所述差分放大单元的输出端连接，漏极通过开关管连接至电源；
69.所述控制电路用于控制开关管的工作状态。
70.其中，在图2中，m
61
表示第一个阻抗单元中的第六晶体管，m
6n
表示第n个阻抗单元中的第六晶体管，且两个阻抗单元并联。由于放大电路采用的是对称结构，同理的，在电路的对立侧，存有晶体管m
71
、m
7n
。以下主要以m6一侧的电路进行分析。对应地，m6一侧的开关管标注为s1，m7一侧的开关管标注为s2。具体地，开关管采用晶体管来实现，s1晶体管和s2晶体管工作在开关状态，栅极由数字编码控制。通过设置不同的数字控制多个并联的阻抗单元中开关管的工作状态，以使第一负载单元呈现不同的阻值，进而实现增益可调。
71.进一步作为可选的实施方式，所述增益自举电路包括第八晶体管m8；其中，第八晶体管m8工作在截止区；
72.所述第八晶体管m8的栅极连接所述差分放大单元的输出端，漏极连接电源，源极与所述第六晶体管的栅极连接。
73.由于放大器小信号电压增益的表达式为av＝g
mro
，说明增益的提高一方面可以通过提高等效跨导实现，另一方面可以通过提高负载阻抗实现。
74.单类性晶体管电路中提高负载阻抗的方法是在从负载管源极到负载管的栅极之间构造一个放大器，放大器的增益用af表示，则等效的负载阻抗可以表示为如图3所示，本发明中提出利用工作在截止区的m8晶体管的漏源电阻和m8晶体管与m6晶体管的栅源寄生电容来实现此放大器，其等效电路图如图4所示；在低频段如1～1khz由于m8晶体管栅漏寄生电容形成的负载阻抗很大，可以忽略。af可以表示为因为截止区晶体管的漏源电阻接近无穷大，所以af满足接近1且恒小于1，所以本电路结构成功将负载阻抗提高到晶体管的ro水平。现有的结构采用在负载管源极和栅极之间接电容来实现，这在单类型晶体管工艺中将占据很大的面积，不利于低成本制造。
75.在所述负载网络的所有栅极与所述差分输入跨导增强模块输出端的直接跨接工作在截止区的晶体管m8，晶体管m8的漏极接电源，源极接负载网络的栅极，栅极接负载网络的所有源极。利用晶体管m8和负载管的栅源寄生电容和晶体管m8的漏源电阻作为增益自举电路，相当于在负载网络的源极和栅极之间加入一个增益接近1但是恒小于1的放大器，实现了对负载的增益自举，从而提高放大器的增益。通过改变负载网络的支路数量来调节第一负载单元的阻抗，实现增益可调。
76.参见图2，作为一种可选的实施方式，输出驱动模块包括第十二晶体管m12、第十四晶体管m14、第十三晶体管m13、第十五晶体管m15和第二负载单元；
77.所述第十二晶体管m12的栅极连接差分放大单元输出端的一端，漏极通过所述第二负载单元连接至电源，源极通过所述第十四晶体管m14接地；
78.所述第十三晶体管m13的栅极连接差分放大单元输出端的另一端，漏极通过所述第二负载单元连接至电源，源极通过所述第十五晶体管m15接地；
79.所述第十四晶体管m14的栅极连接至第十二晶体管m12的漏极，所述第十五晶体管m15的栅极连接至第十三晶体管m13的漏极。
80.进一步作为可选的实施方式，所述第二负载单元包括第十晶体管m10、第十一晶体
管m11、第十六晶体管m16和第十七晶体管m17；
81.所述第十晶体管m10的栅极连接第二偏置电压，漏极连接电源，源极连接所述第十二晶体管m12的漏极；
82.所述第十一晶体管m11的栅极连接第二偏置电压，漏极连接电源，源极连接所述第十三晶体管m13的漏极；
83.所述第十六晶体管m16的栅极连接所述第十三晶体管m13的漏极，漏极连接所述第十二晶体管m12的漏极，源极接地；
84.所述第十七晶体管m17的栅极连接所述第十二晶体管m12的漏极，漏极连接所述第十三晶体管m13的漏极，源极接地。
85.不同于硅基cmos晶体管，单类型晶体管的迁移率在个位数到十位数之间，通过增加晶体管的尺寸可以增加跨导，但是也会引入大的寄生电容，压缩带宽。考虑增益和带宽的折中，单类型晶体管电路中的跨导很难突破毫数量级，这也意味着单类型晶体管构成的源极跟随器的输出阻抗比对应的cmos电路的输出阻抗大的多。因此，本发明的输出驱动模块采用翻转电压跟随器来进一步降低输出阻抗增加电路的带载能力。通过引入交叉耦合管m16和m17，第二负载单元的半边等效负载阻抗可以表示为若满足g
m11
≈g
m17
，r
ob
≈r
o11
//r
o17
。翻转电压跟随电路的本质是引入电压串联负反馈，其环路增益lg可以表示为lg＝g
m15
(r
ob
//g
m13ro13ro15
)≈g
m15rob
，因此从m13源极看进去的闭环输出阻抗r
close
可以表示为若r
o11
＝r
o17
＝r
o13
＝ro，一般g
mro
＞＞1，则可见本发明实施例通过翻转电压跟随和交叉耦合负载有效降低了电路的输出阻抗，提高了全差分运放的带负载能力。
86.综上所述，本实施例放大器相对于现有技术，至少具有以下优点及有益效果：本发明通过串联交叉耦合电路来提高差分放大管的等效跨导，提高了运放的增益；利用晶体管的栅源电容和漏源电阻来取代现有电容自举电路中的电容和电阻，进一步提高了放大器的增益。与普通电容自举方法相比，减小了芯片面积并能保证电路的稳定性。通过调节所述数字信号控制单元的控制信号来调节输入级负载阻抗，实现增益可调；输出级采用翻转电压跟随电路，输出阻抗比传统的源随器更低，增强了电路的电流驱动能力。
87.作为一种可选的实施方式，增益可调放大电路中的晶体管均为单类型管，可以是全n型晶体管，也可以是全p型晶体管。
88.作为一种可选的实施方式，增益可调放大电路不局限于电路实现工艺类型，可以是硅基工艺，也可以是n型金属氧化物薄膜晶体管工艺、非晶硅或多晶硅薄膜晶体管工艺、p型有机薄膜晶体管工艺，碳纳米管工艺。
89.参见图5，基于上述的一种单类型晶体管的增益可调放大电路，本实施例还提供一种生物信息采集系统，包括：
90.传感器51，用于对人体生物电信号的采集，完成电学转换输出采集到的电压v
in
。
91.单极性晶体管前端放大器52，用于对电压v
in
进行滤波和放大，并输出信号v
out1
。
92.如图1所示的增益可调放大电路53，用于将单极性晶体管前端放大器52放大的信号调整到预设的幅度；这是由于不同的生物电信号在幅度和频率上存在较大差异，即输入信号的幅度不同，因此需要进行增益调节。
93.在本实施例中，增益可调放大电路53后面连接模数转换器54，因此增益可调放大电路53用于将单极性晶体管前端放大器52放大的信号调整到后级模数转换器54可以接收的水平，模数转换器54完成对信号的模数转换，交由数字系统处理。
94.本实施例的一种生物信息采集系统采用了上所述的增益可调放大电路，因此本实施例的系统具有增益可调放大电路相应的功能及有益效果。
95.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。
96.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。
97.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技术权利要求所限定的范围内。