基于差分翻转电压跟随器的AB类缓冲器设计

马志寅，李富华，陈天昊

（苏州大学电子信息学院，江苏苏州 215006）

1 引言

液晶显示器（LCD）驱动器由列驱动器、门驱动器、控制器和基准源组成。列驱动通常被称为缓冲放大器，是液晶显示器驱动系统的主要模块。传统缓冲放大器通常用跨导放大器实现驱动大的电容负载。除了常见的两级拓扑结构外，缓冲放大器中还有电流比较器，这会带来较大的面积以及高功耗[1]。文献[2]提出了一种AB类轨到轨缓冲放大器，通过一个简单的比较器实现较大的驱动能力，具有高速和低静态功耗的特点。文献[3]提出了一种高速轨到轨缓冲放大器，使用两个互补共源放大器和互补推挽晶体管作为输出，该电路有较好的建立时间，但是晶体管数量太多，占用了较大的面积。文献[4]提出了一种用于平板显示器的低功耗列驱动器，大输出摆幅AB类缓冲放大器，通过两个互补输入放大器和一个双路径推挽输出级，实现了高驱动性能和轨到轨功能。此外，两个电流升压器可动态降低其阈值电压来优化输出晶体管的面积。

本文提出了电流路径较少的AB类输出缓冲放大器，电路结构以差分翻转电压跟随器作为输入级，以反相器作为输出级，电路规模小且具有很小的建立时间及较小的静态电流。

2 电路设计与分析

2.1 翻转电压跟随器原理

共漏级放大器如图1(a)所示，通常用作电压缓冲器，也被称为电压跟随器[5]。共漏级放大器在提高输入阻抗的同时，在栅极接收信号，在源极驱动负载，使源极电势能“跟随”栅压[6]，因此也叫做源跟随器。从大信号的角度分析，源跟随器能够从负载吸取大的电流，但缺点是供电能力受到偏置电流源IB的限制，流过M1的电流取决于输出电流，因此它是A类缓冲器。图1(b)中的电路叫做翻转电压跟随器(FVF)，也被称为超级源跟随器，本质上是一个具有负反馈的共源共栅放大器。流过晶体管M1的电流保持不变，与输出电流无关，M1的VGS可以保持恒定，并且电压增益为1。对于图1(a)的源跟随器，其输出阻抗为1/（gM）（gM为MOS管的跨导），与传统的源跟随器不一样，翻转电压跟随器具有更低的输出阻抗，同时输出电流的能力也相对较大，在此结构中晶体管M1作为共栅级放大器，若输出电压Vo产生一个变化量，这个变化量将被放大gM1ro1倍到Va，因此M2管的跨导发生变化，可以很容易地得到翻转电压跟随器的输出阻抗为1/（gM1ro1gM2），gMi是Mi的跨导，roi是Mi的输出阻抗。相比普通的电压跟随器，输出阻抗减小了很多。

图1 两种跟随器对比

2.2 基于DFVF的class AB缓冲器

基于DFVF的class AB缓冲器电路见图2，其中M1、M1P构成差分对，MBN是尾电流源。最大输入电压VinMAX=VDD-VDSsat，最小输入电压VinMIN=VGS+VDSsat。输出阻抗Rout=1/[gM·(gM·ro)]，ro为输出阻抗。其中Rlarge、Cbat、MAB3个器件实现了AB类的缓冲器，若无这3个器件，此电路属于A类FVF缓冲器，有不对称的转换速率。这是因为电流感应晶体管MCS能给负载CL提供大的充电电流，但是CL的最大放电电流受到偏置电流2Ib的限制。

图2 基于DFVF的class AB缓冲器

现分析AB类的实现原理，基于文献[7]所提出的准浮栅（Quasi-Floating Gate）技术，添加一个额外的晶体管MAB。MAB的栅极通过一个阻值非常大的电阻（大小通常在GΩ级别）连接到直流偏置电压Vbn，同时通过一个电容Cbat连到MCS。MAB有一个静态的栅极电压Vbn′=Vbn，并且尺寸较小，MAB的宽长比是MBN的1/n，其中n的取值大于3。因此MAB有一个小的静态漏电流2Ib。大的电阻Rlarge防止电流流入MAB的栅极，因此Cbat的作用相当于一个浮动电压源。Vbn′的大小随着MCS的栅极电压变化而变化。

在负转换期间(负载CL放电)，M1、M1P电流恒定，MCS的漏电流减小，栅极电压增大，因此MAB的栅极电压也增大，MAB的漏电流远大于静态电流2Ib/n。在正转换期间(负载CL充电)，MCS的栅极电压减小，因此能提供远大于2Ib的充电电流给CL。此时MAB的漏电流减小并且管子关断。

2.3 整体电路分析与设计

整体电路由基于DFVF的输入级、基于反相器的输出级构成，整体电路如图3所示。

图3 整体电路

输入连到同相端，输出连到反相端。在没有输入信号的稳定情况下，由于差分级，输出电压等于输入电压。电阻Rlarge、电容Cbat、晶体管MAB用来构成AB类的DFVF级。Rlarge是一个大阻值电阻，这里Rlarge取值为100 GΩ。电容Cbat取值较小，为1 pF。M7、M8构成反相器，负载电容通过M8充电，通过M6放电。晶体管M5~M8形成反馈，在输出端可以得到一个值非常小的输出阻抗Rout：

在许多缓冲放大器的拓扑结构中，差分输入级输出通过电流比较器连接到输出推挽晶体管。然而，在本文设计的缓冲放大器中，推挽晶体管直接连接到差分输入级，输出端接反相器。因此，与基于电流比较器的缓冲器结构相比，本设计需要更少的晶体管，从而带来更低的静态电流和更小的芯片面积。

3 仿真结果与分析

电路采用SMIC 0.18μm工艺，使用Spectre仿真工具进行仿真，电路工作在1.8 V电源电压、TT工艺和27℃的室温环境下。Rlarge取100 GΩ，Cbat取1 pF，电路静态电流为5μA。

缓冲器的瞬态仿真结果如图4所示，虚线为输入电压波形，实线为输出电压波形。负载电容为1 nF，输入幅度为0~1.8 V、频率为125 kHz的方波信号。建立时间指信号从跳变到输出稳定在一个最终值所需的时间，通过“Calculator”中的“settling time”可计算得到输出信号的正负建立时间平均值仅为0.56μs。

图4 瞬态响应曲线

缓冲器输出阻抗的AC仿真结果如图5所示。仿真时，输出端接一个交流值为1 V的电流源，输入端交流接地，因此测量的电压值就等效于电路的输出阻抗。由图5可以看出输出阻抗在10 kHz时为0.017Ω，100 kHz时为0.057Ω，1 MHz时为0.54Ω，10 MHz时为1.55Ω，100 MHz时为678Ω。仿真结果表明，在较宽的频带范围内，本电路的输出阻抗大小接近于理想缓冲器的输出阻抗。

图5 输出阻抗（等效于测量的电压值）交流仿真曲线

缓冲器的交流幅频特性仿真结果如图6所示，实线和虚线分别为不接和接负载电容的仿真曲线。当输出接1 nF的负载电容时，缓冲器的3 dB带宽为16.8 MHz，当输出与负载电容断开时，3 dB带宽为114 MHz。

图6 交流仿真曲线

缓冲器输出端接不同大小负载电容时的瞬态响应曲线如图7所示。输入幅度为0~1.8 V、频率为125 kHz的方波信号，负载电容分别为200 pF、400 pF、600 pF、800 pF时，对应的建立时间分别为0.152μs、0.250μs、0.341μs、0.434μs。

图7 不同大小负载电容的瞬态响应曲线

本电路与其他缓冲器的性能参数对比如表1所示，所示都为前仿真的结果。本文相比其他缓冲器使用更先进的0.18μm工艺，阈值电压更小，速度更快。

表1 缓冲器性能参数对比

品质因数(FOM)定义为CL/（IQts），CL是负载电容，IQ是静态电流，ts是平均建立时间。品质因数越大，表明缓冲器的性能越好[8]。由表1的对比可以看出，本文设计的缓冲器由于具有很短的建立时间，因此具有较大的品质因数，同时静态电流不大。

4 结论

设计了一种AB类缓冲放大器，以差分翻转电压跟随器作为输入级，反相器作为输出级。电路采用SMIC 0.18μm工艺，用Spectre工具进行了仿真，仿真结果表明，输出端在接1 nF的电容负载下，电路有非常短的建立时间（0.56μs）和极低的输出阻抗，同时具有较低的静态电流（5μA），由于电路结构简单，因此适用于小型和便携式的LCD设备。