基于柔性IGZO TFT技术的低功耗n-FET-only运算跨导放大器

《Sensors》：Low-Power n-FET-Only Operational Transconductance Amplifier in Flexible IGZO TFT Technology

　　

本文介绍了一款采用柔性0.6 μm IGZO TFT工艺制造的n-FET-only运算跨导放大器（OTA）。该架构结合了阻性负载差分对与三级共源放大链，并避免使用弱导通TFT负载来设定高侧电流。对10个芯片的开环测量显示，中位直流增益为56.6 dB，输入失调电压分布约为?313 ± 419 mV。空载开环输出摆幅达到3.18 V。在单位增益跟随器配置中，中位闭环?3 dB带宽为3.7 kHz，且在没有显式补偿电容的情况下观察到稳定工作。跨芯片平均电源电流在输入扫描范围内约为10 μA至16 μA，对应于3.3 V下约33–53 μW。这些结果展示了一种用于低频传感器接口的低功耗IGZO放大器，而输入失调、负载驱动能力和电源耦合仍是当前实现的重要限制。

**研究背景与问题**
可穿戴和分布式传感器节点需要模拟前端来缓冲或放大来自高阻抗换能器的缓慢变化信号，同时受到严格能量预算的限制。当这些节点由环境能量收集（如光伏、热电或压电）供电时，可用连续功率通常在低微瓦范围。柔性集成电路（FlexICs）有望替代刚性硅和电池，并减少电子废弃物对环境的影响。非晶铟镓锌氧化物（IGZO）薄膜晶体管（TFT）是可持续FlexIC的领先半导体技术，制造温度低于300°C，具有高电子迁移率和超低关态泄漏。然而，商用金属氧化物TFT工艺缺乏稳定的p型场效应晶体管，设计者只能采用单极性n-FET-only架构。这导致有源负载被动阻性拓扑、二极管连接的n-FET或自举电路取代，而阻性负载架构在电压增益、面积、热噪声和静态电流之间引入严重权衡。已有柔性IGZO放大器功耗从毫瓦级到数百微瓦不等，超过微能量收集器的发电能力，因此需要一种面向低频传感器接口的低功耗放大器。本文报道了一个在PragmatIC 0.6 μm IGZO工艺中制造的阻性负载n-FET-only运算跨导放大器（OTA）的设计和多芯片电学表征。

**研究内容与意义**
研究人员提出的OTA采用阻性负载差分对、源跟随器电平移位器和三级共源放大链，所有偏置和负载网络使用高值无源电阻，避免二极管连接或弱导通负载。在10个裸片上测量了开环和闭环直流行为、负载依赖性、电源电流、频率和阶跃响应以及电源抑制比。结果显示中位开环直流增益为56.6 dB，空载输出摆幅为3.18 V，单位增益跟随器中位闭环?3 dB带宽为3.7 kHz，且无需显式补偿电容；在3.3 V下静态功耗约33–53 μW。这些结果证明了低功耗IGZO放大器可用于低频传感器接口，同时指出输入失调、负载驱动能力和电源耦合是实际实现的重要限制。

**关键技术与方法**
主要方法包括：电路架构上采用阻性负载差分输入对、源跟随器电平移位器和三级共源放大链，全部偏置和负载由高值无源电阻（200 kΩ/sq电阻层）设定，核心面积400 μm × 320 μm。实验测量基于振动隔离针台，使用Agilent N6705电源分析仪、B2912A源/测量单元、33250A函数发生器和Keysight MSOX6004A示波器，输出经高输入阻抗缓冲器OPA2182隔离。所有测试在室温、黑暗、裸片平坦状态下进行。样本为最多10个已识别物理芯片，不同测量类型数量不同（例如PSRR测量n=6）。未测试弯曲、温度、光照和长期应力。

**研究结果**
**3.1 实验设置**：采用三种测量配置——开环直流（反相端固定1.65 V，同相端扫描0–3.3 V）、单位增益跟随器（输出接反相端）和PSRR（在3.3 V电源上叠加50 mV_pp交流纹波）。所有测量使用高输入阻抗缓冲器避免负载效应。

**3.2 开环直流响应**：通过开环传输曲线测量，10个芯片的中位最大直流开环增益为56.6 dB（范围54.0–59.6 dB）。输入失调电压分布约为?313 ± 419 mV，表明存在系统性和随机性分量。空载输出摆幅达到3.18 V。

**3.3 闭环直流响应与功耗**：单位增益跟随器输出在中间电源区域线性，但在接近地轨和电源轨时削波。负载扫描（?1000 nA至+1000 nA）显示输出仅能提供约0.33 μA源电流（受限于R₅），而灌电流能力较强。平均电源电流随输入从约16 μA降至10 μA，对应功耗53 μW至33 μW。

**3.4 电压跟随器瞬态响应**：3.3 V阶跃输入下，上升沿为RC指数，上升速率SR_rise=0.69±0.09 V/ms，下降沿速率SR_fall=75.7±2.8 V/ms，不对称源于输出级只有电阻上拉。

**3.5 电压跟随器交流响应**：闭环?3 dB带宽中位数为3.7 kHz（范围3.1–4.6 kHz），增益峰值M_P=0.87±0.24 dB，由二阶模型估算相位裕度约54.6°，表明稳定的单位增益跟随器操作。

**3.6 电源抑制比（PSRR）**：在6个芯片上测量，低频10 Hz处PSRR约为?3.45 dB，即电源纹波略有放大；在10 kHz–1 MHz区间改善至约45–55 dB。该行为由阻性负载直接耦合电源所致。

**3.7 环境验证边界**：所有结果来自未封装裸片，在平坦、室温（25 °C）、暗态下测量；未测试机械弯曲、温度、光照、长期偏置应力和连续运行。

**讨论**
本文将所提出的OTA与文献中柔性a-IGZO放大器比较，指出本设计在功耗-增益-带宽空间中占据不同位置。阻性负载避免了由泄漏定义的工作点，但导致不对称阶跃响应、有限的源电流和直接的电源耦合。测量显示，大部分静态电流及其2–3倍片间散布来自V_GS堆叠电平移位器，而非阻性偏置网络。输入失调中包含来自电平移位器与第一共源级之间非比率直流接口的系统分量。因此，建议采用电阻或镜像定义的电平移位器电流和比率式直流接口。对于实际传感器接口，失调需要交流耦合或自稳零技术。

**研究结论**
这项工作展示了在0.6 μm IGZO TFT技术中制造的n-FET-only运算跨导放大器的设计和多芯片电学表征。在3.3 V电源下，跨芯片平均静态功耗在输入扫描范围内约为33–53 μW。尽管功耗预算严格，放大器仍实现了56.6 dB的中位开环直流增益和3.18 V空载输出摆幅。在没有显式补偿电容的情况下观察到稳定的单位增益跟随器工作。测量的中位闭环?3 dB带宽为3.7 kHz，而由增益峰值推导的二阶估计给出约54.6°的相位裕度指标。阻性负载避免了泄漏定义的工作点，但导致不对称阶跃响应、有限的源电流和直接电源耦合。大部分静态电流及其片间散布源于V_GS堆叠电平移位器，输入失调包含来自电平移位器与第一增益级之间非比率接口的系统分量。因此，电阻或镜像定义的电平移位器电流和比率式DC接口是本研究所建议的主要设计变更。测量结果证明了一种用于低频工作的低功耗IGZO放大器。观察到的输入失调变化、有限的负载驱动能力和电源耦合定义了其在传感器接口中使用的主要约束。需要进一步表征以确定其在环境应力、长时间运行和完整能量收集系统条件下的性能。