基于差分翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器的AB類緩沖器設(shè)計

馬志寅，李富華，陳天昊

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州 215006）

1 引言

液晶顯示器（LCD）驅(qū)動器由列驅(qū)動器、門驅(qū)動器、控制器和基準源組成。列驅(qū)動通常被稱為緩沖放大器，是液晶顯示器驅(qū)動系統(tǒng)的主要模塊。傳統(tǒng)緩沖放大器通常用跨導(dǎo)放大器實現(xiàn)驅(qū)動大的電容負載。除了常見的兩級拓撲結(jié)構(gòu)外，緩沖放大器中還有電流比較器，這會帶來較大的面積以及高功耗[1]。文獻[2]提出了一種AB類軌到軌緩沖放大器，通過一個簡單的比較器實現(xiàn)較大的驅(qū)動能力，具有高速和低靜態(tài)功耗的特點。文獻[3]提出了一種高速軌到軌緩沖放大器，使用兩個互補共源放大器和互補推挽晶體管作為輸出，該電路有較好的建立時間，但是晶體管數(shù)量太多，占用了較大的面積。文獻[4]提出了一種用于平板顯示器的低功耗列驅(qū)動器，大輸出擺幅AB類緩沖放大器，通過兩個互補輸入放大器和一個雙路徑推挽輸出級，實現(xiàn)了高驅(qū)動性能和軌到軌功能。此外，兩個電流升壓器可動態(tài)降低其閾值電壓來優(yōu)化輸出晶體管的面積。

本文提出了電流路徑較少的AB類輸出緩沖放大器，電路結(jié)構(gòu)以差分翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器作為輸入級，以反相器作為輸出級，電路規(guī)模小且具有很小的建立時間及較小的靜態(tài)電流。

2 電路設(shè)計與分析

2.1 翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器原理

共漏級放大器如圖1(a)所示，通常用作電壓緩沖器，也被稱為電壓跟隨器[5]。共漏級放大器在提高輸入阻抗的同時，在柵極接收信號，在源極驅(qū)動負載，使源極電勢能“跟隨”柵壓[6]，因此也叫做源跟隨器。從大信號的角度分析，源跟隨器能夠從負載吸取大的電流，但缺點是供電能力受到偏置電流源IB的限制，流過M1的電流取決于輸出電流，因此它是A類緩沖器。圖1(b)中的電路叫做翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器(FVF)，也被稱為超級源跟隨器，本質(zhì)上是一個具有負反饋的共源共柵放大器。流過晶體管M1的電流保持不變，與輸出電流無關(guān)，M1的VGS可以保持恒定，并且電壓增益為1。對于圖1(a)的源跟隨器，其輸出阻抗為1/（gM）（gM為MOS管的跨導(dǎo)），與傳統(tǒng)的源跟隨器不一樣，翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器具有更低的輸出阻抗，同時輸出電流的能力也相對較大，在此結(jié)構(gòu)中晶體管M1作為共柵級放大器，若輸出電壓Vo產(chǎn)生一個變化量，這個變化量將被放大gM1ro1倍到Va，因此M2管的跨導(dǎo)發(fā)生變化，可以很容易地得到翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器的輸出阻抗為1/（gM1ro1gM2），gMi是Mi的跨導(dǎo)，roi是Mi的輸出阻抗。相比普通的電壓跟隨器，輸出阻抗減小了很多。

圖1 兩種跟隨器對比

2.2 基于DFVF的class AB緩沖器

基于DFVF的class AB緩沖器電路見圖2，其中M1、M1P構(gòu)成差分對，MBN是尾電流源。最大輸入電壓VinMAX=VDD-VDSsat，最小輸入電壓VinMIN=VGS+VDSsat。輸出阻抗Rout=1/[gM·(gM·ro)]，ro為輸出阻抗。其中Rlarge、Cbat、MAB3個器件實現(xiàn)了AB類的緩沖器，若無這3個器件，此電路屬于A類FVF緩沖器，有不對稱的轉(zhuǎn)換速率。這是因為電流感應(yīng)晶體管MCS能給負載CL提供大的充電電流，但是CL的最大放電電流受到偏置電流2Ib的限制。

圖2 基于DFVF的class AB緩沖器

現(xiàn)分析AB類的實現(xiàn)原理，基于文獻[7]所提出的準浮柵（Quasi-Floating Gate）技術(shù)，添加一個額外的晶體管MAB。MAB的柵極通過一個阻值非常大的電阻（大小通常在GΩ級別）連接到直流偏置電壓Vbn，同時通過一個電容Cbat連到MCS。MAB有一個靜態(tài)的柵極電壓Vbn′=Vbn，并且尺寸較小，MAB的寬長比是MBN的1/n，其中n的取值大于3。因此MAB有一個小的靜態(tài)漏電流2Ib。大的電阻Rlarge防止電流流入MAB的柵極，因此Cbat的作用相當于一個浮動電壓源。Vbn′的大小隨著MCS的柵極電壓變化而變化。

在負轉(zhuǎn)換期間(負載CL放電)，M1、M1P電流恒定，MCS的漏電流減小，柵極電壓增大，因此MAB的柵極電壓也增大，MAB的漏電流遠大于靜態(tài)電流2Ib/n。在正轉(zhuǎn)換期間(負載CL充電)，MCS的柵極電壓減小，因此能提供遠大于2Ib的充電電流給CL。此時MAB的漏電流減小并且管子關(guān)斷。

2.3 整體電路分析與設(shè)計

整體電路由基于DFVF的輸入級、基于反相器的輸出級構(gòu)成，整體電路如圖3所示。

圖3 整體電路

輸入連到同相端，輸出連到反相端。在沒有輸入信號的穩(wěn)定情況下，由于差分級，輸出電壓等于輸入電壓。電阻Rlarge、電容Cbat、晶體管MAB用來構(gòu)成AB類的DFVF級。Rlarge是一個大阻值電阻，這里Rlarge取值為100 GΩ。電容Cbat取值較小，為1 pF。M7、M8構(gòu)成反相器，負載電容通過M8充電，通過M6放電。晶體管M5~M8形成反饋，在輸出端可以得到一個值非常小的輸出阻抗Rout：

在許多緩沖放大器的拓撲結(jié)構(gòu)中，差分輸入級輸出通過電流比較器連接到輸出推挽晶體管。然而，在本文設(shè)計的緩沖放大器中，推挽晶體管直接連接到差分輸入級，輸出端接反相器。因此，與基于電流比較器的緩沖器結(jié)構(gòu)相比，本設(shè)計需要更少的晶體管，從而帶來更低的靜態(tài)電流和更小的芯片面積。

3 仿真結(jié)果與分析

電路采用SMIC 0.18μm工藝，使用Spectre仿真工具進行仿真，電路工作在1.8 V電源電壓、TT工藝和27℃的室溫環(huán)境下。Rlarge取100 GΩ，Cbat取1 pF，電路靜態(tài)電流為5μA。

緩沖器的瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖4所示，虛線為輸入電壓波形，實線為輸出電壓波形。負載電容為1 nF，輸入幅度為0~1.8 V、頻率為125 kHz的方波信號。建立時間指信號從跳變到輸出穩(wěn)定在一個最終值所需的時間，通過“Calculator”中的“settling time”可計算得到輸出信號的正負建立時間平均值僅為0.56μs。

圖4 瞬態(tài)響應(yīng)曲線

緩沖器輸出阻抗的AC仿真結(jié)果如圖5所示。仿真時，輸出端接一個交流值為1 V的電流源，輸入端交流接地，因此測量的電壓值就等效于電路的輸出阻抗。由圖5可以看出輸出阻抗在10 kHz時為0.017Ω，100 kHz時為0.057Ω，1 MHz時為0.54Ω，10 MHz時為1.55Ω，100 MHz時為678Ω。仿真結(jié)果表明，在較寬的頻帶范圍內(nèi)，本電路的輸出阻抗大小接近于理想緩沖器的輸出阻抗。

圖5 輸出阻抗（等效于測量的電壓值）交流仿真曲線

緩沖器的交流幅頻特性仿真結(jié)果如圖6所示，實線和虛線分別為不接和接負載電容的仿真曲線。當輸出接1 nF的負載電容時，緩沖器的3 dB帶寬為16.8 MHz，當輸出與負載電容斷開時，3 dB帶寬為114 MHz。

圖6 交流仿真曲線

緩沖器輸出端接不同大小負載電容時的瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖7所示。輸入幅度為0~1.8 V、頻率為125 kHz的方波信號，負載電容分別為200 pF、400 pF、600 pF、800 pF時，對應(yīng)的建立時間分別為0.152μs、0.250μs、0.341μs、0.434μs。

圖7 不同大小負載電容的瞬態(tài)響應(yīng)曲線

本電路與其他緩沖器的性能參數(shù)對比如表1所示，所示都為前仿真的結(jié)果。本文相比其他緩沖器使用更先進的0.18μm工藝，閾值電壓更小，速度更快。

表1 緩沖器性能參數(shù)對比

品質(zhì)因數(shù)(FOM)定義為CL/（IQts），CL是負載電容，IQ是靜態(tài)電流，ts是平均建立時間。品質(zhì)因數(shù)越大，表明緩沖器的性能越好[8]。由表1的對比可以看出，本文設(shè)計的緩沖器由于具有很短的建立時間，因此具有較大的品質(zhì)因數(shù)，同時靜態(tài)電流不大。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種AB類緩沖放大器，以差分翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器作為輸入級，反相器作為輸出級。電路采用SMIC 0.18μm工藝，用Spectre工具進行了仿真，仿真結(jié)果表明，輸出端在接1 nF的電容負載下，電路有非常短的建立時間（0.56μs）和極低的輸出阻抗，同時具有較低的靜態(tài)電流（5μA），由于電路結(jié)構(gòu)簡單，因此適用于小型和便攜式的LCD設(shè)備。