具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本公开的第一实施例涉及一种电压放大电路，其可以用于例如玻璃基底的传感器等设备的集成电路中，如图1所示，图1示出一种玻璃基底的传感器的结构，其中，所述玻璃基底的传感器可以包括依次连接的传感器本体1、静电保护装置2、滤波器3、模数转换器(ADC)4、发射器5，此外，还包括为上述各装置提供电能的供电电池6，这种结构主要应用于基于玻璃衬底10的集成型传感器等设备中。进一步地，可以在所述玻璃基底的传感器中设置放大器7，所述放大器7例如可以设置在所述静电保护装置2和所述滤波器3之间，所述放大器7用于将检测到的微弱电信号进行放大，本实施例提供的电压放大电路即是涉及所述放大器7的具体电路结构。

具体地，本公开实施例涉及的一种电压放大电路，其主要结构如图2和图3所示，其中图2示出了所述电压放大电路的模块化示意图，图3示出了所述电压放大电路的具体电路结构，在图2和图3中的所述电压放大电路包括差分电路100，其包括输入侧和输出侧，这里的差分电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级；本实施例中采用双端输入和双端输出的差分电路，其中，双端输入方式的差分电路可以实现差模信号的输入，具体地，所述输入侧包括正向输入端Vin+以及反向输入端Vin-，所述输出侧包括正向输出端Vout+以及反向输出端Vout-。

进一步地，本公开实施例的所述电压放大电路还包括反馈网络电路200、直流偏置电路300以及电压输出电路400，其中，所述正向输出端Vout+以及所述反向输出端Vout-设置在所述电压输出电路中，具体地，在所述差分电路100中设置反馈网络电路200，在所述差分电路100的所述输入侧，例如所述正向输入端Vin+和所述反向输入端Vin-之间设置直流偏置电路300，在所述差分电路100的输出侧设置电压输出电路400。

下面对上述的所述差分电路100进行具体的电路结构描述，一般来说，传统电压放大电路的电路结构如图4(a)所示，传统电压放大电路包括两个对称设置并相互连接的共源电路，其中，这里以及本公开中所有的共源电路是指连接至电源的电路，在两个共源电路中分别设置晶体管T1-1和第一漏极电阻R1以及晶体管T1-2和第二漏极电阻R2，正向输入端Vin+位于所述晶体管T1-1的栅极，反向输入端Vin-位于所述晶体管T1-2的栅极。这种对称性的电路结构设置带来的主要特点是可以放大正向输入端Vin+和反向输入端Vin-之间的差模信号，而抑制正向输入端Vin+和反向输入端Vin-之间的共模信号。这里，所述差模信号指幅值大小相等且方向相反的交流信号，所述共模信号是指幅值大小和方向均相等的交流信号。

其中，在如图4(a)所示的传统电压放大电路中，所述晶体管T1-1和所述晶体管T1-2均采用放大管，如果忽略其沟道调制效应，则该传统电压放大电路的电压增益为：

A_d＝-g_mR (1)

其中，g_m是作为放大管的所述晶体管T1-1和所述晶体管T1-2的转移跨导，而根据场效应管的电流公式，g_m由电路的直流工作点以及晶体管本身的电子迁移率μ决定。尤其对于金属氧化物半导体薄膜晶体管(金属氧化物半导体-薄膜晶体管)而言，μ一般在10-100cm2/Vs的范围内，这样使得g_m常常在1μS甚至更小的范围内，这就意味着要达到较大的电压增益需要一个10MΩ以上阻值的漏极电阻，也就是对第一漏极电阻R1和第二漏极电阻R2需要较高的阻值要求，这在实际的电路制作中难度很大。

为了克服上述传统电压放大电路中的缺陷，本公开实施例中采用的所述差分电路100的电路结构如图4(b)所示，所述差分电路100包括对称设置的第一共源电路110和第二共源电路120，其中，在所述第一共源电路110中设置第一晶体管T1和第三晶体管T3，在所述第二共源电路120中设置第二晶体管T2和第四晶体管T4，这里的对称设置是指所述所述第一晶体管T1与所述第二晶体管T2对称，所述第三晶体管T3与所述第四晶体管T4对称，其中，所述第一晶体管T1和所述第二晶体管T2构成所述差分电路100的输入对管；所述第一晶体管T1的栅极作为正向输入端Vin+，所述第二晶体管T2的栅极作为反向输入端Vin-，所述第一晶体管T1的漏极与所述第三晶体管T3的源极电连接，所述第三晶体管T3作为所述第一晶体管T1的负载，所述第二晶体管T2的漏极与所述第四晶体管T4的源极电连接，所述第四晶体管T4作为所述第二晶体管T2的负载。

这样，本公开实施例中的上述差分电路100采用具有漏极负载的纯薄膜晶体管的电压放大电路，这里的负载由晶体管构成，其工作原理是所述第三晶体管T3和所述第四晶体管T4会一直工作于饱和区，由于工作于饱和区的晶体管的输出电流I_D随着输出电压V_DS的增长变化较小，因而，所述第三晶体管T3和所述第四晶体管T4可以被当作阻值很大的交流电阻，这样就可以提高电路的电压增益。其中，从理论上来看，在图4(b)中的所述第一晶体管T1、所述第二晶体管T2、所述第三晶体管T3以及所述第四晶体管T4都工作在饱和区的情况下，基于所述差分电路100的放大电路的电压增益为：

其中，g_m1、g_m3分别为所述第一晶体管T1和所述第三晶体管T3的转移跨导，g_ds1和g_ds3分别为所述第一晶体管T1和所述第三晶体管T3的输出电导。如果忽略沟道调制效应，则所述电压增益主要由所述第一晶体管T1和所述第三晶体管T3转移跨导的比值决定。理论上，只需要选择不同尺寸的晶体管就能得到很大的电压增益。但是，调整尺寸例如会使得所述第三晶体管T3的导通电阻发生变化，当增大到一定程度后，会使放大管即所述第一晶体管T1的直流工作点发生改变并从而退出饱和区，使得电压无法正常放大。根据图7(a)和图7(b)示出的仿真结果，基于图4(b)的所述差分电路100的电压放大电路的电压增益不大。

为了进一步地提升所述电压放大电路的电压增益，如上所述，在所述差分电路100中设置反馈网络电路200，由上面公式(2)可以看出，为了增加所述电压增益最好的办法是尽量减小公式(2)中等号右边表达式中的分母大小，即如果图4(b)中的作为负载管的所述第三晶体管T3和所述第四晶体管T4在交流上无限接近于截止状态，即V_GS->0,那么A_d就会大大提升。为此，可以在作为负载管的所述第三晶体管T3和所述第四晶体管T4的栅极之间引入所述反馈网络电路200，如果设置所述反馈网络电路200的放大倍数为F，此时基于所述差分电路100和所述反馈网络电路200的所述电压放大电路的电压增益为：

可见，如果其中的放大倍数F无限接近1，则公式(3)的等号右边表达式中分母就会大大减小，如图5(b)所示，图5(b)示出了一种所述反馈网络电路200的电路结构示意图，这里，最容易实现的上述放大倍数F无限接近1的所述反馈网络电路200可以包括两个共源电路，分别是第三共源电路210和第四共源电路220，其中，在所述第三共源电路210中设置第五晶体管T5和第六晶体管T6，在所述第四共源电路220中设置第七晶体管T7和第八晶体管T8，只要使得所述第五晶体管T5和所述第六晶体管T6的沟道参数相同，则本公开实施例涉及的所述电压放大电路的理想的放大倍数F将为1，但是由于沟道调制效应，放大倍数F的实际值会略低于1。

图5(a)示例性地示出了所述第一共源电路210的结构，但值得注意的是，本实施例的所述电压放大电路的输出信号跟输入信号符号相反，所以如果将它引入到与所述输入级同边的作为负载管的晶体管的栅极上，该负载管就会因为栅源电压为负而完全截止，从而不会有电流流过。为此，所述第五晶体管的漏极与所述第四晶体管的栅极连接，所述第六晶体管的漏极与所述第三晶体管的栅极连接；在图3中示出的所述电压放大电路中可以看出，两个输出信号大小相等方向相反，所以每个输出信号的反相信号则刚好跟另一个输入信号同相，因而，如果把所述第二晶体管T2的输出信号经过所述反馈网络电路200后反馈到所述第一晶体管T1的负载即所述第三晶体管T3的栅极上，则该输出信号就与所述第一晶体管T1的输出信号同相，且幅值无限接近；同理，在所述第二晶体管T2的负载即所述第四晶体管T4的栅极引入所述第一晶体管T1的输出信号的反相信号，也能达到无限减小所述第四晶体管T4的交流栅源电压的作用，使得整个所述电压放大电路的电压放大增益按照上述公式(3)能够得到很大程度地放大效果。

为此，在所述差分电路100中设置所述反馈网络电路200以用于增加电压放大倍数，这里利用了电压放大电路对称输出端相位相反的原理，使作为负载的晶体管的栅源交流电压接近相同，而直流工作点保持稳定，因此，使得作为负载的晶体管均工作在饱和区且有很大的交流电阻，可以增大整个电压放大电路的电压放大增益。

进一步地，如上所述，在所述差分电路100的输入侧，即所述正向输入端Vin+和所述反向输入端Vin-之间设置直流偏置电路300。在本实施例中，假设在所述第一晶体管T1、所述第二晶体管T2、所述第三晶体管T3以及所述第四晶体管T4均工作在饱和区的前提下，而这需要所有的晶体管都工作在稳定的直流工作点，并满足：

V_GS≥V_th且V_DS≥V_GS-V_th

在传统的电压放大电路中，一般由如图6(a)的电流镜像电路来稳定直流工作点，这里的所述电流镜像电路一般包括两个电路即参考电路和输出电路，其中，在与电源连接的参考电路上设置晶体管T2-1，在输出电路上设置晶体管T2-2，这里的晶体管T2-1和晶体管T2-2的沟道参数相同，在参考电路中使用参考电阻RF来实现分压，并将所述参考电阻RF与两个晶体管T2-1和T2-2的栅极相连，使得与所述参考电阻RF相连接的晶体管T2-1的栅漏极相连，这样使得输出电路上的输出电流I_O将接近于参考电流I_F，从而达到稳定直流工作点的效果。基于同样的原因，这样需要在参考电路中设置很大阻值的参考电阻RF才能得到稳定的输出电流。

为此，如图6(b)所示，可以在现有的电流镜像电路的基础上采用至少一个栅漏相连的晶体管T2-3以替换上述参考电阻RF，从而避免了引入大阻值的参考电阻，这样构成的直流偏置电路能够很好地稳定所述电压放大电路中各晶体管的直流工作点。

具体地，将上面所述直流偏置电路运用在本实施例的所述差分电路100中，为此，如图3所示，本实施例中提供的所述直流偏置电路300包括两个电流镜像电路，分别是第一电流镜像电路和第二电流镜像电路，所述第一电流镜像电路和所述第二电流镜像电路分别与所述正向输入端Vin+和所述反向输入端Vin-连接，具体地，在所述第一电流镜像电路310中设置第九晶体管T9和第十晶体管T10，在所述第二电流镜像电路320中设置第十一晶体管T11和第十二晶体管T12，其中，所述第九晶体管T9、所述第十晶体管T10、所述第十一晶体管T11以及所述第十一晶体管T12的栅极与晶体管组连接，所述晶体管组包括至少一个晶体管，这里的晶体管为工作在饱和区的小尺寸沟道的晶体，其中，如果所述晶体管组中的所述晶体管数量为多个，则多个所述晶体管之间采用栅漏短接的方式，例如在图3的电路结构中，这里的所述晶体管组包括栅漏短接的第十五晶体管T15、第十六晶体管T16、第十七晶体管T17以及第十八晶体管T18，当然这里的所述晶体管组中的晶体管的数量可以根据需求进行调整。

为此，在所述电压放大电路中设置直流偏置电路，这里的直流偏置电路主要包括镜像电流电路以及由多个栅漏短接、工作在饱和区的小尺寸沟道晶体管组成的晶体管组，具体地，利用这类晶体管具有较大的导通电阻，能够稳定地起到分压的作用，并通过所述镜像电流电路给放大级和输出级提供稳定的直流偏置，提高所述电压放大电路的稳定性。

此外，为了保持本实施例中提供的所述电压放大电路的输出稳定，并且尽可能减小输出阻抗，本实施例在所述差分电路100的输出侧设置电压输出电路400以作为输出缓冲，所述电压放大电路的所述正向输出端Vout+和所述反向输出端Vout-设置在所述电压输出电路400中。

继续如图3所示，所述电压输出电路400包括第五共源电路410和第六共源电路420，其中，在所述第五共源电路410上设置第十三晶体管T13，在所述第六共源电路420上设置第十四晶体管T14，其中，所述第十三晶体管T13的漏极连接至电源，其栅极与所述反馈网络电路200的所述第三共源电路210中的所述第五晶体管T5的栅极连接，其源极与所述直流偏置电路300中的所述第九晶体管T9的漏极连接，所述反向输出端Vout-设置所述第三晶体管T13的源极处；所述第十四晶体管T14的漏极连接至电源，其栅极与所述第四共源电路220中的所述第七晶体管T7的栅极连接，其源极与第十二晶体管T12的漏极连接，所述正向输出端Vout+设置在所述第十四晶体管T14的源极处。这样，在所述电压放大电路的两个输出级均引入了共漏型的电压输出电路，可以起到稳定电压输出、减小输出电阻的作用。

具体地，上述所述第一晶体管T1和所述第二晶体管T2为第一类晶体管，所述第三晶体管T3、所述第四晶体管T4、所述第五晶体管T5、所述第六晶体管T6、所述第七晶体管T7、所述第八晶体管T8、所述第九晶体管T9、所述第十晶体管T10、所述第十一晶体管T11、所述第十二晶体管T12、所述第十三晶体管T13、所述第十四晶体管T14以及所述晶体管组中的所述晶体管为第二类晶体管，所述第一类晶体管和所述第二类晶体管均为金属氧化物半导体-薄膜晶体管。进一步地，制作所述金属氧化物半导体-薄膜晶体管的材料至少包括铟镓锌氧化物，当然还可以包括其他金属氧化物。

这里的所述第一类晶体管和所述第二类晶体管通过沟道宽敞比进行区分，其中，所述第一类晶体管的沟道宽长比大于20，所述第二类晶体管的沟道宽长比小于2。这里，只使用两种不同沟道尺寸的晶体管，最大程度地减少了电路中器件的种类，使得生产工艺的偏差对电路性能的影响大幅降低，提高了电路功能的可靠性。

图7(a)和图8(a)分别为两种电压放大电路的时域仿真结果，上面的曲线表示输入信号，即幅值为1uV，频率为100Hz的正弦信号，下面的曲线表示输出信号。可以看到，图7(a)所代表的放大电路的放大倍数小于2，而图8(a)所代表本实施例的电压放大电路的放大增益则超过了100。

图7(b)和图8(b)则分别为两种电压放大电路的频率响应仿真结果，这里可以明显地看到二者的放大倍数以及频响带宽。虽然，引入正反馈网络的放大电路的频带宽度比传统栅-漏相连的电路有所缩窄，但是对于大多数传感器领域的信号采集，1kHz的频响带宽已经能够满足要求。而单级放大增益超过100，对于放大弱小信号或者设计更高增益的运算放大电路均有重要意义。

本公开的第二实施例提供一种传感器，其包括上述任一项实施例中所述的电压放大电路。这里的所述传感器可以是运用在先进医疗保健、人机界面和物联网等领域的任意类型的传感器，其一般由感知信号的传感部分和传输处理信号的模拟前端部分(AnalogFront-End,AFE)组成。

进一步地，所述传感器还包括传感器本体、静电保护装置、滤波器、模数转换器、发射器以及供电电池。

本公开的第三实施例提供一种电子设备，其包括衬底和上述任一项实施例中所述传感器，这里的电子设备根据在不同的技术领域可以采用任意类型的传感器，所述传感器设置在所述衬底上。

本公开实施例涉及一种以金属氧化物半导体-薄膜晶体管为基本单元构成的电压放大电路，通过在电压放大电路中引入反馈网络电路，在不引入电阻的情况下成功地将电路的电压放大增益提高到一百多倍，同时利用漏栅相连的薄膜晶体管作为直流偏置电路，且只使用两种不同沟道尺寸的薄膜晶体管，最大程度地减少了电路中器件的种类，使得生产工艺的偏差对电路性能的影响大幅降低，提高了电路功能的可靠性。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这不应当理解为要求这些操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行来执行。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实施例中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围。