一种面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路制造技术

本发明专利技术提供了一种面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路，属于放大电路技术领域。本发明专利技术包括差分放大级、共源放大级、输出缓冲级、电压偏置模块和反馈模块，反馈模块的输出端、电势差信号源与差分放大级的输入端相连，差分放大级的输出端与共源放大级的输入端相连，共源放大级的输出端与输出缓冲级的输入端相连，输出缓冲级的输出端接信号输出接口，电压偏置模块的输出端与反馈模块的输入端相连，差分放大级、共源放大级、输出缓冲级、电压偏置模块和反馈模块一共由15个薄膜晶体管构成。本发明专利技术的有益效果为：能降低功耗，也便于与前端离子敏传感器结合，制备工艺简单，集成度更高，降低了生产成本，适合大面积制备。适合大面积制备。适合大面积制备。

【技术实现步骤摘要】
一种面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路


[0001]本专利技术涉及放大电路
，具体涉及一种面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路。

技术介绍

[0002]现有的水质离子检测都需要将传感器上的敏感元件置入水中，并将输出信号输入后端的PCB板上进行信号处理，从而输出一个离子的浓度值。在这其中，需要用到各种放大电路来实现信号的差分放大和稳定带负载输出的。而放大电路中，稳定且实用性较高的是运算放大电路，现有较为常用的运算放大电路都是基于成熟的CMOS工艺并且具有稳定的放大性能和宽频域等优点，但是基于硅基CMOS工艺的芯片实验和生产成本较高、与水质敏感元件所在的玻璃基底或者柔性基底不易结合以及大面积敏感阵列与硅基芯片互联时会带来大量互连线等问题。为了解决上述问题，考虑在玻璃基底或者其他柔性基底上设计制造运算放大电路来完成信号的放大，而基于薄膜晶体管的电路可以低成本地制作在玻璃基底或者柔性基底上，同时可以依托于成熟的面板工艺来制作，并且采用双栅薄膜晶体管控制阈值电压稳定电路，降低成本的同时还能提高稳定性。
[0003]但是，现有的基于双栅薄膜晶体管的运算放大电路较少，虽然仍有不少人在尝试进行，2019年由Rahaman等人[1]设计的基于双栅铟镓锌氧薄膜晶体管(Dualgateindium
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gallium
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zincoxidethin
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filmtransistors，DGIGZO
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TFT)的运算放大电路。由19个TFT组成，总电压增益为23.5dB，截止频率为500kHz，单位增益频率为2.37MHz，增益带宽积为7500kHz，同时具有(2.1/1.2)V/μs的压摆率(上/下)和在
±
10V电源电压下的102
°
相位裕度。虽然该设计采用了双栅结构的TFT，但仅仅将两个栅极短接进行使用，并没有将多出的顶栅极单独接出，故无法在工艺出现误差时很好地适应变化。
[0004]而在2021年也有基于双栅IGZO
‑
TFT的放大电路的出现，由北京大学深圳研究院的SilinLiu等人提出，利用双栅TFT实现负阈值电压的上拉晶体管，降低偏移电压、检测延迟、和同时检测功耗。但是，在上述的应用中，还没有应用到离子敏传感电路中，并且所使用的双栅TFT也无法适应输入信号存在变化或者漂移的情况，需要运放电路具有可适应不同输入信号范围、可优化因工艺误差带来的运放性能变化的问题、信号增益可调等能力。
[0005]综上所述，现有的这些水质离子检测放大电路存在如下问题：
[0006]1.硅基的运算放大电路与离子敏感元件或者其他在玻璃基底和柔性基底上的传感探测敏感元件等结合的方式较差，大量敏感元件进行信号探测读取时会带来引线延迟和布线困难的问题，同时硅基材料的基底与离子敏敏感元件的基底并不兼容，无法做到集成；
[0007]2.硅基的运算放大电路进行实验和制作的成本昂贵，相比较而言基于玻璃基底或者柔性基底的TFT能更好地降低成本；
[0008]3.基于双栅TFT的运算放大电路并没有运用增加的顶栅极去调节TFT适应不同范围的输入电压，在流片后并无法修改电路的应用范围和场景。

技术实现思路

[0009]为解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路，由15个薄膜晶体管制作而成，差分放大级和共源放大级实现信号的放大，输出缓冲级提供一定的带负载能力，反馈模块则使得运放满足“虚短”的条件并且可调增益的大小，电压偏置模块则是提供偏置电压供电路运行，采用的薄膜晶体管对比于硅基MOS管能降低功耗，也便于与前端离子敏传感器结合，制备工艺简单，集成度更高，不仅降低了生产成本，而且适合大面积制备，解决了现有技术中硅基的运算放大电路与离子敏感元件不兼容、布线难、成本高、难以利用双栅薄膜晶体管实现运算放大电路、基于双栅TFT的运算放大电路无法调节TFT适应不同范围的输入电压、无法修改电路的应用范围和场景、由工艺带来的TFT的阈值电压差异可能导致的运放性能降低的问题。
[0010]本专利技术提供的一种面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路，包括差分放大级、共源放大级、输出缓冲级、电压偏置模块和反馈模块，其中，所述差分放大级的输入端接电势差信号源，所述差分放大级的输出端与所述共源放大级的输入端相连，所述共源放大级的输出端与所述输出缓冲级的输入端相连，所述输出缓冲级的输出端接信号输出接口Vout，所述电压偏置模块的输入端接偏置电压源Vbias1，所述电压偏置模块的输出端与所述反馈模块的输入端相连，所述反馈模块的输出端与所述差分放大级的输入端相连，所述差分放大级、所述共源放大级、所述输出缓冲级、所述电压偏置模块和所述反馈模块一共由15个薄膜晶体管构成，电势差信号源的电压信号能够在所述差分放大级和所述共源放大级的两次放大后从所述输出缓冲级输出。
[0011]本专利技术作进一步改进，所述差分放大级包括双栅薄膜晶体管T5、双栅薄膜晶体管T6、双栅薄膜晶体管T7、双栅薄膜晶体管T8和薄膜晶体管T9，其中，所述双栅薄膜晶体管T5的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T6的顶栅极接偏置电压源Vbias4，所述双栅薄膜晶体管T7的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T8的顶栅极接偏置电压源Vbias3，所述双栅薄膜晶体管T5的漏极、所述双栅薄膜晶体管T6的漏极接正向电压源VDD，所述双栅薄膜晶体管T5的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T5的源极、所述双栅薄膜晶体管T7的漏极、所述反馈模块的输出端相连，所述双栅薄膜晶体管T6的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T6的源极、所述双栅薄膜晶体管T8的漏极、所述共源放大级的输入端相连，所述双栅薄膜晶体管T7的底栅极、所述双栅薄膜晶体管T8的底栅极接电势差信号源的输出端，所述双栅薄膜晶体管T7的源极与所述双栅薄膜晶体管T8的源极、所述薄膜晶体管T9的漏极相连，所述薄膜晶体管T9的栅极与所述反馈模块的输出端相连，所述薄膜晶体管T9的源极接反向电压源VSS。
[0012]本专利技术作进一步改进，所述共源放大级包括双栅薄膜晶体管T10、双栅薄膜晶体管T11、双栅薄膜晶体管T12和双栅薄膜晶体管T13，其中，所述双栅薄膜晶体管T10的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T11的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T12的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T13的顶栅极接偏置电压源Vbias5，所述双栅薄膜晶体管T10的漏极、所述双栅薄膜晶体管T12的漏极接正向电压源VDD，所述双栅薄膜晶体管T11的源极、所述双栅薄膜晶体管T13的源极接反向电压源VSS，所述双栅薄膜晶体管T10的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T10的源极、所述双栅薄膜晶体管T11的漏极、所述双栅薄膜晶体管T13的底栅极相连，所述双栅薄膜晶体管T11的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T6的底栅极、所述双栅薄膜晶体管T6的源极、所述双栅薄膜晶体管T8的源极相连，所述双栅薄膜晶体管T12的底栅极与所述双栅薄膜晶
体管T12的源极、所述双栅薄膜晶体管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路，其特征在于：包括差分放大级、共源放大级、输出缓冲级、电压偏置模块和反馈模块，其中，所述差分放大级的输入端接电势差信号源，所述差分放大级的输出端与所述共源放大级的输入端相连，所述共源放大级的输出端与所述输出缓冲级的输入端相连，所述输出缓冲级的输出端接信号输出接口Vout，所述电压偏置模块的输入端接偏置电压源Vbias1，所述电压偏置模块的输出端与所述反馈模块的输入端相连，所述反馈模块的输出端与所述差分放大级的输入端相连，所述差分放大级、所述共源放大级、所述输出缓冲级、所述电压偏置模块和所述反馈模块一共由15个薄膜晶体管构成，电势差信号源的电压信号能够在所述差分放大级和所述共源放大级的两次放大后从所述输出缓冲级输出。2.根据权利要求1所述的面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路，其特征在于：所述差分放大级包括双栅薄膜晶体管T5、双栅薄膜晶体管T6、双栅薄膜晶体管T7、双栅薄膜晶体管T8和薄膜晶体管T9，其中，所述双栅薄膜晶体管T5的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T6的顶栅极接偏置电压源Vbias4，所述双栅薄膜晶体管T7的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T8的顶栅极接偏置电压源Vbias3，所述双栅薄膜晶体管T5的漏极、所述双栅薄膜晶体管T6的漏极接正向电压源VDD，所述双栅薄膜晶体管T5的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T5的源极、所述双栅薄膜晶体管T7的漏极、所述反馈模块的输出端相连，所述双栅薄膜晶体管T6的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T6的源极、所述双栅薄膜晶体管T8的漏极、所述共源放大级的输入端相连，所述双栅薄膜晶体管T7的底栅极、所述双栅薄膜晶体管T8的底栅极接电势差信号源的输出端，所述双栅薄膜晶体管T7的源极与所述双栅薄膜晶体管T8的源极、所述薄膜晶体管T9的漏极相连，所述薄膜晶体管T9的栅极与所述反馈模块的输出端相连，所述薄膜晶体管T9的源极接反向电压源VSS。3.根据权利要求2所述的面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路，其特征在于：所述共源放大级包括双栅薄膜晶体管T10、双栅薄膜晶体管T11、双栅薄膜晶体管T12和双栅薄膜晶体管T13，其中，所述双栅薄膜晶体管T10的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T11的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T12的顶栅极、所述双栅薄膜晶体管T13的顶栅极接偏置电压源Vbias5，所述双栅薄膜晶体管T10的漏极、所述双栅薄膜晶体管T12的漏极接正向电压源VDD，所述双栅薄膜晶体管T11的源极、所述双栅薄膜晶体管T13的源极接反向电压源VSS，所述双栅薄膜晶体管T10的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T10的源极、所述双栅薄膜晶体管T11的漏极、所述双栅薄膜晶体管T13的底栅极相连，所述双栅薄膜晶体管T11的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T6的底栅极、所述双栅薄膜晶体管T6的源极、所述双栅薄膜晶体管T8的源极相连，所述双栅薄膜晶体管T12的底栅极与所述双栅薄膜晶体管T12的源极、所述双栅薄膜晶体管T13的漏极、所述输出缓冲级的输入端相连。4.根据权利要求3所述的面向离子敏检测应用的基于TFT的运算放大电路，其特征在于：所述输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴慧，周忠义，张威，
申请(专利权)人：广科知微广东传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：