CN108429545A - 可调阻值式虚拟电阻 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可调阻值式虚拟电阻，包括第一晶体管以及第二晶体管。第一晶体管具有第一端、第二端以及控制端。第一晶体管的第一端用以作为可调阻值式虚拟电阻的第一端。第一晶体管的控制端用以接收控制电压。第一晶体管受控于控制电压而操作在弱反转区。第二晶体管具有第一端、第二端以及控制端。第二晶体管的第一端耦接第一晶体管的第二端。第二晶体管的第二端与第二晶体管的控制端相耦接以作为可调阻值式虚拟电阻的第二端。第二晶体管操作在弱反转区。本发明的可调阻值式虚拟电阻可降低虚拟电阻两端的信号振幅对虚拟电阻的电阻值的影响。

Description

可调阻值式虚拟电阻
技术领域
本发明涉及一种虚拟电阻，尤其涉及一种可调阻值式虚拟电阻。
背景技术
在医疗电子的技术领域中，医疗设备所接收的信号是音频的生理信号。医疗设备接收端的音频带通滤波器须确实地滤除所接收的信号中的低频噪声，方能精确地获取生理信号以进行后续的分析及处理。一般来说，音频带通滤波器须采用高阻抗的电阻，才能实现其对频宽的要求。而常见的作法是在具音频带通滤波器的芯片外部配置高阻值的电阻器，然而此种高阻值的电阻器通常具有较大的体积而会占据较大的空间。
因此，近年来开始采用金氧半场效晶体管来实现具高阻值的虚拟电阻，其主要是利用金氧半场效晶体管操作在弱反转区(weak inversion region)的微小电流，搭配其两端的固定跨压，来实现近似高阻抗的电阻。同时，也因为使用了金氧半场效晶体管实现虚拟电阻，让整体电路可以完全芯片化设计。如图1所示，虚拟电阻900可包括彼此串接的金氧半场效晶体管910及920，其中金氧半场效晶体管910及920同时受控于控制电压Vctrl而操作在弱反转区，并可通过控制电压Vctrl来调整虚拟电阻900的电阻值。但也因金氧半场效晶体管910及920必须操作在弱反转区的缘故，故在使用上需限制虚拟电阻900的两端(即第一端N1及第二端N2)的信号振幅，以避免虚拟电阻900的电阻值变化过大。由于虚拟电阻900的两端的信号振幅受到限制，导致虚拟电阻900的应用受到局限。
发明内容
本发明提供一种可调阻值式虚拟电阻，可降低虚拟电阻两端的信号振幅对虚拟电阻的电阻值的影响，以让虚拟电阻的应用更加广泛。
本发明的可调阻值式虚拟电阻包括第一晶体管以及第二晶体管。第一晶体管具有第一端、第二端以及控制端。第一晶体管的第一端用以作为可调阻值式虚拟电阻的第一端。第一晶体管的控制端用以接收控制电压。第一晶体管受控于控制电压而操作在弱反转区。第二晶体管具有第一端、第二端以及控制端。第二晶体管的第一端耦接第一晶体管的第二端，且第二晶体管的第二端与第二晶体管的控制端相耦接以作为可调阻值式虚拟电阻的第二端。第二晶体管受限于导通电流极小，同样地操作在弱反转区。
在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管及第二晶体管的每一者为P型金氧半场效晶体管。
在本发明的一实施例中，上述的控制电压的电压值为可调整的，且大于0伏特。
在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管的基体端耦接第一晶体管的第一端。
在本发明的一实施例中，上述的第二晶体管的基体端耦接第二晶体管的第二端。
在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管及第二晶体管的每一者为N型金氧半场效晶体管。
在本发明的一实施例中，第一晶体管的第一端为信号输入端，而第二晶体管的第二端为信号输出端，且第二晶体管的第二端的信号变化量大于第一晶体管的第一端的信号变化量。
在本发明的一实施例中，上述的控制电压的电压值为0伏特。
在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管的基体端耦接第一晶体管的第一端，且第二晶体管的基体端耦接第二晶体管的第二端。
基于上述，本发明实施例所提出的可调阻值式虚拟电阻的设计不仅具有高阻值与可调阻值的特点，还可降低虚拟电阻两端的信号变化对虚拟电阻的电阻值的影响，因此在应用上无须限制虚拟电阻两端的电压大小，可让虚拟电阻的应用更加广泛。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，示出了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。
图1是现有的一种虚拟电阻的电路架构示意图。
图2是依照本发明一实施例所示出的可调阻值式虚拟电阻的电路架构示意图。
图3示出了虚拟电阻的两端的电压变化对虚拟电阻的电阻值的影响示意图。
图4是依照本发明另一实施例所示出的可调阻值式虚拟电阻的电路架构示意图。
图5是采用本发明图2或图4的虚拟电阻所实现的带通滤波器。
附图标记说明：
10：带通滤波器；
100、200、900：虚拟电阻；
110、210、910：第一晶体管；
111、121、211、221、N1：第一端；
112、122、212、222、N2：第二端；
113、123、213、223：控制端；
114、124、214、224：基体端；
120、220、920：第二晶体管；
301、302、303：波形；
C1、C2、C3、C4：电容；
OP：运算放大器；
R1、R2：电阻；
R_PSE：电阻值；
VE：电压差值；
VIN：第二输入信号；
VIP：第一输入信号；
VN2：电压值；
VON：第二输出信号；
VOP：第一输出信号；
Vctrl：控制电压。
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件，是代表相同或类似部件。
以下请参照图2，图2是依照本发明一实施例所示出的可调阻值式虚拟电阻100(下称虚拟电阻100)的电路架构示意图。虚拟电阻100可包括第一晶体管110以及第二晶体管120。第一晶体管110具有第一端111、第二端112以及控制端113。第一晶体管110的第一端111可用以作为虚拟电阻100的第一端N1。第一晶体管110的控制端113用以接收控制电压Vctrl。第一晶体管110可受控于控制电压Vctrl而操作在弱反转区。
第二晶体管120具有第一端121、第二端122以及控制端123。第二晶体管120的第一端121耦接第一晶体管110的第二端112。第二晶体管120的第二端122与第二晶体管120的控制端123相耦接以作为虚拟电阻100的第二端N2。其中第二晶体管120同样操作在弱反转区。
在图2所示的实施例中，第一晶体管110及第二晶体管120为P型金氧半场效晶体管，但本发明并不以此为限。
在图2所示的实施例中，第一晶体管110的基体端114耦接第一晶体管110的第一端111，且第二晶体管120的基体端124耦接第二晶体管120的第二端122，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，第一晶体管110的基体端114也可耦接第一晶体管110的第二端112，而第二晶体管120的基体端124可耦接第二晶体管120的第一端121，视实际应用或设计需求而定。
在实际的操作上，在此假设虚拟电阻100的第一端N1为信号输入端，而虚拟电阻100的第二端N2为信号输出端，且第二端N2的信号变化量大于第一端N1的信号变化量。由于第二晶体管120的控制端123与其第二端122相耦接以作为虚拟电阻100的第二端N2(即信号输出端)，故第二晶体管120的控制端123及其第二端122可同时随着信号输出端的信号变化而改变。也就是说，无论信号输出端的信号如何变化，第二晶体管120的控制端123及其第二端122之间的电压差将保持不变(即0伏特)，故第二晶体管120可操作在弱反转区，且可降低信号输出端的信号变化对第二晶体管120的第一端121与第二端122之间阻值的影响。
另一方面，控制电压Vctrl的电压值为可调整的，且大于0伏特，致使第一晶体管110可根据控制电压Vctrl而操作在弱反转区，并可根据控制电压Vctrl来调整第一晶体管110的第一端111与第二端112之间的电阻值，从而达到调整虚拟电阻100的电阻值的目的。
总的来说，通过第一晶体管110与第二晶体管120的组合，可让虚拟电阻100具有高阻值以及可调阻值之特点，还可降低信号输出端的信号变化对虚拟电阻100的电阻值的影响，因此可让虚拟电阻100的应用范围更加广泛。
以下请同时参照图1～图3，图3示出了虚拟电阻100、900的两端的电压变化对虚拟电阻的电阻值100、900的影响示意图，其中图3的横轴为虚拟电阻100、900的第二端N2的电压值VN2，图3上半部的纵轴为虚拟电阻100、900两端的电压差值VE，而图3下半部的纵轴为虚拟电阻100、900的电阻值R_PSE。详细来说，在图3中，波形301为图1的虚拟电阻900的第一端N1的电压以及控制电压Vctrl分别为0.9伏特以及1.8伏特的情况下，虚拟电阻900的第二端N2的电压值VN2由0伏特变化至1.8伏特所对应的虚拟电阻900的电阻值；波形302为图2的虚拟电阻100的第一端N1的电压以及控制电压Vctrl分别为0.9伏特以及1.8伏特的情况下，虚拟电阻100的第二端N2的电压值VN2由0伏特变化至1.8伏特所对应的虚拟电阻100的电阻值；而波形303则为虚拟电阻100的两端(即第一端N1与第二端N2)的电压差或是虚拟电阻900的两端的电压差。
根据图3可看出，当虚拟电阻900的两端的电压差值VE大于0.45伏特或小于-0.45伏特时，虚拟电阻900的电阻值会有骤降的情况发生，因此在需要稳定电阻值的应用情境下，虚拟电阻900的两端电压差值VE势必得限制在-0.45伏特与0.45伏特之间。相较于虚拟电阻900，虚拟电阻100的电阻值则相对较为隐定，这是因为虚拟电阻100的第二晶体管120的控制端123与其第二端122之间的电压差保持不变(也即不受虚拟电阻100的第二端N2的电压变化的影响)，使得虚拟电阻100的第二端N2的电压变化对第二晶体管120的第一端121与第二端122之间的电阻值的影响相对较小，故对虚拟电阻100的电阻值的影响相对有限。也就是说，在采用虚拟电阻100的各种应用中，设计者可无须对虚拟电阻100的两端电压大小进行限制，故虚拟电阻100能够应用的范围将更为广泛。
以下请参照图4，图4是依照本发明另一实施例所示出的可调阻值式虚拟电阻200(下称虚拟电阻200)的电路架构示意图。虚拟电阻200可包括第一晶体管210以及第二晶体管220。第一晶体管210具有第一端211、第二端212、控制端213以及基体端214。第二晶体管220具有第一端221、第二端222、控制端223以及基体端224。第一晶体管210以及第二晶体管220的耦接方式分别类似于图2的第一晶体管110以及第二晶体管120的耦接方式，故可参考上述图2的相关说明，在此不再赘述。
相较于图2的第一晶体管110以及第二晶体管120为P型金氧半场效晶体管，且控制电压Vctrl的电压值大于0伏特，图4的第一晶体管210以及第二晶体管220是N型金氧半场效晶体管，且控制电压Vctrl的电压值为0伏特。在实际的操作上，图4的第一晶体管210以及第二晶体管220均操作在弱反转区，且图4的虚拟电阻200的操作及功效也类似于图2的虚拟电阻100，故可参考上述的相关说明，在此不再赘述。
以下请参照图5，图5是采用本发明图2或图4的虚拟电阻100、200所实现的带通滤波器10。带通滤波器10可包括运算放大器OP、电容C1～C4以及电阻R1、R2。电容C1的第一端用以接收第一输入信号VIP。电容C1的第二端耦接运算放大器OP的非反相输入端。电容C2的第一端用以接收第二输入信号VIN。电容C2的第二端耦接运算放大器OP的反相输入端。第一输入信号VIP与第二输入信号VIN可为差动输入信号，但本发明并不以此为限。
电容C3与电阻R1并联连接，且耦接在运算放大器OP的非反相输入端与反相输出端之间，以输出第一输出信号VOP。电容C4与电阻R2并联连接，且耦接在运算放大器OP的反相输入端与非反相输出端之间，以输出第二输出信号VON。第一输出信号VOP与第二输出信号VON可为差动输出信号，但本发明并不以此为限。由于带通滤波器10的操作为本领域技术人员所熟悉，故在此不再赘述。
值得一提的是，电阻R1及R2可采用图2所示的虚拟电阻100或是图4所示的虚拟电阻200来实现。由于虚拟电阻100及200具有稳定的高阻值的特点，致使带通滤波器10具有稳定的低截止频率的特性，故可应用在生医技术领域中以对极低频的音频信号进行滤波处理，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，图2的虚拟电阻100以及图4的虚拟电阻200还可应用在任何需要稳定高阻值的类比电路中。
综上所述，本发明实施例所提出的虚拟电阻的设计不仅具有高阻值与可调阻值的特点，还可降低虚拟电阻两端的信号变化对虚拟电阻的电阻值的影响，因此在应用上无须限制虚拟电阻两端的电压大小，可让虚拟电阻的应用更加广泛。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (9)

1.一种可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，包括：
第一晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，所述第一晶体管的所述第一端用以作为所述可调阻值式虚拟电阻的第一端，且所述第一晶体管的所述控制端用以接收控制电压，其中所述第一晶体管受控于所述控制电压；以及
第二晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，所述第二晶体管的所述第一端耦接所述第一晶体管的所述第二端，且所述第二晶体管的所述第二端与所述第二晶体管的所述控制端相耦接以作为所述可调阻值式虚拟电阻的第二端。
2.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述第一晶体管操作在弱反转区。
3.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述第二晶体管操作在弱反转区。
4.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述第一晶体管及所述第二晶体管的每一者为P型金氧半场效晶体管。
5.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述控制电压的电压值为可调整的，且大于0伏特。
6.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述第一晶体管的基体端耦接所述第一晶体管的所述第一端。
7.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述第二晶体管的基体端耦接所述第二晶体管的所述第二端。
8.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述第一晶体管及所述第二晶体管的每一者为N型金氧半场效晶体管。
9.根据权利要求1所述的可调阻值式虚拟电阻，其特征在于，所述第一晶体管的所述第一端为信号输入端，而所述第二晶体管的所述第二端为信号输出端，且所述第二晶体管的所述第二端的信号变化量大于所述第一晶体管的所述第一端的信号变化量。
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