TW201448453A - 轉導運算放大器 - Google Patents

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Abstract

本發明的轉導運算放大器係用以連接多個電壓源，且包括一電阻模擬單元、兩電流相消單元、一第一差動輸出單元、兩電流分流單元及一第二差動輸出單元。該電阻模擬單元係用以模擬電阻。該兩電流相消單元係用以接收該些電壓源的電壓並處理成兩第一電流。該兩第一電流係分別流至該第一差動輸出單元的兩第一輸出端。該兩電流分流單元係用以接收該些電壓源的電壓並處理成兩第二電流。該兩第二電流係分別流至該兩第二差動輸出單元的兩第二輸出端，且與該兩第一電流的準位相同。

Description

轉導運算放大器
本發明係與轉導運算放大器有關，特別是指一種具有多輸出的轉導運算放大器。
轉導運算放大器(operational transconductance amplifier，OTA)係利用輸入電壓來控制輸出電流的放大器，該轉導運算放大器在電路中可被等效成一電阻及一主動元件，且電路設計中不需使用電阻器，而等效的電阻值可利用控制偏壓電流來獲得。
如第1圖所示，第1圖係繪示傳統的轉導運算放大器的示意圖。傳統的轉導運算放大器10係用以連接多個輸入電壓源VDD、Vinn、Vinp，且包括一源極退化(source-degeneration)單元12、兩電流相消(current cancellation)單元13、14、一電流分流(current division)單元15、16及一差動輸出單元18。其中，該輸入電壓源VDD係提供電壓供應，該兩輸入電壓源Vinn、Vinp係提供差動輸入電壓。
該源極退化單元12具有三個電晶體122、124、126，該些電晶體122、124、126係操作在三極管區(triode region)以模擬電阻。該些電晶體122、124、126的源極S係相互連接，且用以接收該輸入電壓源VDD的電壓。該些電晶體122、124、126的閘極G係相互連接，該兩電晶體122、124的汲極D係分別有一接點n1、n2。
該兩電流相消單元13、14係連接該源極退化單元12的兩接點n1、n2及該差動輸出單元18。該兩電流相消單元13、14係接收該些輸入電壓源Vinn、Vinp的電壓，該兩電流相消單元13、14係分別轉換該些輸入電壓源Vinn、Vinp的電壓並產生一輸出電流，該輸出電流係流至該差動輸出單元18的輸出端Voutp、Voutn。
該兩電流分流單元15、16係分別連接該兩電流相消單元13、14，該電流分流單元16係用以將該些輸入電壓源Vinn、Vinp的電壓轉換為電流，並將該電流導入接地端，來降低該轉導值。由於，利用分流技術，僅使用少量的輸出電流，所以，電流使用效率較低，再者，該兩電流分流單元15、16需要較大的佈局面積。
藉由小訊號分析第1圖中傳統的轉導運算放大器10得到，小訊號電子流皆會流過該源極退化單元12，並且該源極退化單元12的兩節點n1、n2之間會產生一跨壓△V，在直流分析時，該跨壓△V是固定的。當輸入小訊號電壓時，該源極退化單元12的跨壓△V會受到小訊號電流i Req 影響，所以，若該兩電流相消單元13、14及該兩電流分流單元15、16產生的小訊號電流(i Req =i 132+i 134+i 152)之間的比例能相對固定，這樣小訊號電流也可更線性。由於，第1圖的轉導運算放大器10的左邊電晶體及右邊電晶體係相對稱，所以在小訊號分析過程中可以僅對該轉導運算放大器10的左邊或右邊的電晶體來分析，其中電晶體的轉導值係等於輸出電流比上輸入電壓的比值，所以，經由小訊號分析後，該電流相消單元13及該電流分流單元15的電晶體132、134、152的轉導值(transconductance)g 132、g 134、g 152可得下式：
其中W係代表電晶體的物理寬度，L係代表電晶體的物理長度。
由於，該兩電流分流單元15、16係被直接接地，使得，該兩電流分流單元15、16的轉導值受源極端電壓Vs(如上式g 152所示)影響較大，換言之，若輸入電壓VDD改變就會直接影響g 152的轉導值，表示，傳統的轉導運算放大器10的轉導值不僅受到電晶體的物理尺寸影響，也會受到輸入電壓的變化影響。
如第2圖所示，該圖顯示要實現三階低通差動轉導電容濾波器40需使用七個傳統的差動轉導運算放大器401、402、403、404、405、406、407及三個電容421、422、423。
本發明的轉導運算放大器係用以連接多個電壓源，且包括一電阻模擬單元、兩電流相消單元、一第一差動輸出單元、兩電流分流單元及一第二差動輸出單元。該電阻模擬單元係用以模擬電阻。該兩電流相消單元係分別連接該電阻模擬單元，且用以接收該些電壓源的電壓並處理成兩第一電流。該第一差動輸出單元係分別連接該兩電流相消單元，且具有兩第一輸出端。其中，該兩第一電流係分別流至該兩第一輸出端。該兩電流分流單元係分別連接該兩電流相消單元，且用以接收該些電壓源的電壓並處理成兩第二電流。該兩第二差動輸出單元係分別連接該兩電流分流單元，且具有兩第二輸出端，其中，該兩第二電流係分別流至該兩第二輸出端，且與該兩第一電流的準位相同。
如此，本發明的轉導運算放大器就可提供多個相同準位的輸出電流，未來應用於類比濾波器的設計與三角積分類比數位轉換器的設計，可減少元件使用及功率損耗。
10‧‧‧傳統的轉導運算放大器
12‧‧‧源極退化單元
122、124、126、132、134、152‧‧‧電晶體
13、14‧‧‧電流相消單元
15、16‧‧‧電流分流單元
18‧‧‧差動輸出單元
20、30‧‧‧轉導運算放大器
21‧‧‧電阻模擬單元
22、23‧‧‧電流相消單元
221、222‧‧‧第一電晶體
231、232‧‧‧第二電晶體
24、25、34、35‧‧‧電流分流單元
241、242、341‧‧‧第三電晶體
251、252、351‧‧‧第四電晶體
26‧‧‧第一差動輸出單元
261、262‧‧‧第一差動電晶體
27、37‧‧‧第二差動輸出單元
271、272‧‧‧第二差動電晶體
373‧‧‧主動負載轉導運算放大器
n1、n2‧‧‧接點
40‧‧‧三階低通差動轉導電容濾波器
421、422、423‧‧‧電容
401、402、403、404、405、406、407‧‧‧傳統的轉導運算放大器
50‧‧‧三階低通多差動輸出與差動輸入轉導電容濾波器
501、502、503、504‧‧‧轉導運算放大器
521、522、523‧‧‧電容
第1圖係繪示傳統的轉導運算放大器的示意圖。
第2圖係繪示應用傳統的轉導運算放大器實施三階低通差動轉導電容濾波器的示意圖。
第3圖係繪示本發明的一較佳實施例的轉導運算放大器的示意圖。
第4圖係繪示本發明的另一較佳實施例的轉導運算放大器的示意圖。
第5圖係繪示應用本發明的轉導運算放大器實施三階低通多差動輸出與差動輸入轉導電容濾波器的示意圖。
為了詳細說明本發明之技術特點，茲舉以下之較佳實施例及其對應的圖式來說明。
如第3圖所示，本發明的一較佳具體實施例的轉導運算放大器20係用以連接多個輸入電壓源Vinn、Vinp，且包括一電阻模擬單元21、兩電流相消單元22、23、兩電流分流單元24、25、一第一差動輸出單元26及一第二差動輸出單元27。
該電阻模擬單元21係用以模擬電阻，且具有兩接點n1、n2。於此實施例中，該電阻模擬單元21係與習知技術中傳統的轉導運算放大器採用相同的源極退化單元相同的電路，因此不再贅述，但該電阻模擬單元21也可以採用其他模擬電阻網路，所以，不以源極退化單元所繪為限。
該兩電流相消單元22、23係分別連接該電阻模擬單元21的兩接點n1、n2及該第一差動輸出單元26。該兩電流相消單元22、23具有兩第一電晶體221、222及兩第二電晶體231、232。該兩第一電晶體221、222及該兩第二電晶體231、232的源極S係分別連接電阻模擬單元21的兩接點n1、n2。該兩第一電晶體221、222的閘極係連接該輸入電壓Vinn，該兩第二電晶體231、232的閘極G係連接該輸入電壓Vinp。該第一電晶體221的汲極D係連接該第二電晶體232的汲極D，該第一電晶體222的汲極D係連接該第二電晶體231的汲極D。
該第一差動輸出單元26具有兩第一差動電晶體261、262及兩第一輸出端Vout1p、Vout1n。該兩第一差動電晶體261、262的源極S係被接地，該兩第一差動電晶體261、262的閘極G係相互連接，該兩第一差動電晶體261、262的汲極D係分別連接該第一及二電晶體222、232的汲極D，該兩第一輸出端Vout1p、Vout1n係分別連接該兩第一差動電晶體261、262的汲極D。
該兩電流相消單元22、23係分別接收該些輸入電壓源Vinn、Vinp的電壓，並分別轉換成兩第一電流，該兩第一電流的其中一者係該第一電晶體221的汲極D的電流與該第二電晶體232的汲極D的電流和，該兩第一電流的另一者係該第一電晶體222的汲極D的電流與該第二電晶體231的汲極D的電流和。該兩第一電流係分別流至該第一差動輸出單元26的兩第一輸出端Vout1p、Vout1n。
該兩電流分流單元24、25係分別連接該兩電流相消單元22、23及該第二差動輸出單元27。該兩電流分流單元24、25具有兩第三電晶體241、242及兩第四電晶體251、252。該兩第三電晶體241、242的源極S係連接該電晶體222的源極S，該兩第四電晶體251、252的源極S係連接該電晶體232的源極S。該兩第三電晶體241、242的閘極G係連接該輸入電壓源Vinp，該兩第四電晶體251、252的閘極G係連接該輸入電壓源Vinn。該第三電晶體241的汲極D係連接該第四電晶體252的汲極D，該第三電晶體242的汲極D係連接該第四電晶體251的汲極D。
該第二差動輸出單元27具有兩第二差動電晶體271、272及兩第二輸出端Vout2p、Vout2n。該兩第二差動電晶體271、272的源極S係被接地，該兩第二差動電晶體271、272的閘極G係相互連接，該兩第二差動電晶體271、272的汲極D係分別連接該第三及四電晶體242、252的汲極D，該兩第二輸出端Vout2p、Vout2n係分別連接該兩第二差動電晶體272、271的汲極D。該兩電流分流單元24、25係分別接收該些輸入電壓源Vinn、Vinp的電壓，並分別轉換成兩第二電流，該兩第二電流係流至該第二差動輸出單元27的該兩輸出端Vout2p、Vout2n。特別地，該兩第一電流及該兩第二電流具有相同的直流準位。
由於，第3圖的轉導運算放大器20的左邊電晶體及右邊電晶體係相對稱，所以在小訊號分析過程中可以僅對該轉導運算放大器20的左邊或右邊的電晶體來分析，於此實施例中，係分析左邊的電晶體221、222、241、242的轉導值g221、g222、g241、g242進行分析，可得下式：
由上述小訊號分析得到的各轉導值可知，該些轉導值主要是受到該些電晶體的物理尺寸影響，且較不受到輸入電壓源VDD的影響，使得本發明的轉導運算放大器20較先前技術轉導運算放大器可提高轉導值的線性度。
如第4圖所示，本發明的另一較佳實施例的轉導運算放大器30，其目的及功能係與第3圖的轉導運算放大器相同，其主要差異在於，該轉導運算放大器30的兩電流分流單元34、35僅具有一第三電晶體341及一第四電晶體351、及該第二差動輸出單元37還具有一主動負載轉導運算放大器373(active load operational transconductance amplifier)，該主動負載轉導運算放大器373係連接該第二差動輸出單元37的兩第二差動電晶體371、372的汲極D，其中，該第三電晶體341及該第四電晶體351的汲極D還連接該兩第二差動電晶體371、372的汲極D，如此，可利用該主動負載轉導運算373放大器提供差動輸出級Vout2p、Vout2n相同之直流準位，增加其線性度。
相較於先前技術，如第5圖所示，由於本發明的轉導運算放大器具有多差動輸出，因此，利用本發明的轉導運算放大器來實現三階低通多差動輸出與差動輸入轉導電容濾波器50時，僅需使用四個本發明的轉導運算放大器501、502、503、504及三個電容器521、522、523即可達成，故可減少轉導運算放大器的使用數目及功率消耗，並可保有濾波電路之線性度。
20‧‧‧轉導運算放大器
21‧‧‧電阻模擬單元
22、23‧‧‧電流相消單元
221、222‧‧‧第一電晶體
231、232‧‧‧第二電晶體
24、25‧‧‧電流分流單元
241、242‧‧‧第三電晶體
251、252‧‧‧第四電晶體
26‧‧‧第一差動輸出單元
261、262‧‧‧第一差動電晶體
27‧‧‧第二差動輸出單元
271、272‧‧‧第二差動電晶體
n1、n2‧‧‧接點

Claims (4)

  1. 一種轉導運算放大器，係用以連接多個電壓源，且包括：一電阻模擬單元，用以模擬電阻；兩電流相消單元，係分別連接該電阻模擬單元，且用以接收該些電壓源的電壓並處理成兩第一電流；一第一差動輸出單元，係分別連接該兩電流相消單元，且具有兩第一輸出端，其中，該兩第一電流係分別流至該兩第一輸出端；兩電流分流單元，係分別連接該兩電流相消單元，且用以接收該些電壓源的電壓並處理成兩第二電流；及一第二差動輸出單元，係分別連接該兩電流分流單元，且具有兩第二輸出端，其中，該兩第二電流係分別流至該兩第二輸出端，且與該兩第一電流的準位相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之轉導運算放大器，其中，該兩電流相消單元具有兩第一電晶體及兩第二電晶體，該兩第一電晶體及該兩第二電晶體的源極係分別連接電阻模擬單元，該兩第一電晶體的閘極係連接該些輸入電壓的其中一者，該兩第二電晶體的閘極係連接該些輸入電壓的其中一者，該兩第一電晶體的其中一者的汲極係連接該兩第二電晶體的其中一者的汲極，該兩第一電晶體的另一者的汲極係連接該兩第二電晶體的另一者的汲極；該第一差動輸出單元具有兩第一差動電晶體，該兩第一差動電晶體的源極係被接地，該兩第一差動電晶體的閘極係相互連接，該兩第一差動電晶體的汲極係分別連接該第一電晶體的其中一者及該兩第二電晶體的其中一者的汲極，該兩第一輸出端係分別連接該兩第一差動電晶體的汲極。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之轉導運算放大器，其中，該兩電流分流單元具有兩第三電晶體及兩第四電晶體，該兩第三電晶體的源極係連接該兩第一電晶體的源極，該兩第四電晶體的源極係連接該兩第二電晶體的源極，該兩第三電晶體的閘極係連接該些輸入電壓源的其中一者，該兩第四電晶體的閘極係連接該些輸入電壓源的其中一者，該兩第三電晶體的其中一者的汲極係連接該兩第四電晶體的其中一者的汲極，該兩第三電晶體的 另一者的汲極係連接該兩第四電晶體的另一者的汲極；該第二差動輸出單元具有兩第二差動電晶體，該兩第二差動電晶體的源極係被接地，該兩第二差動電晶體的閘極係相互連接，該兩第二差動電晶體的汲極係分別連接該第兩三電晶體的其中一者的汲極及該兩第四電晶體的其中一者的汲極，該第二輸出端係連接該兩第二差動電晶體的汲極。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之轉導運算放大器，其中，該兩電流分流單元具有一第三電晶體及一第四電晶體，該第三電晶體的源極係連接該兩第一電晶體的源極，該第四電晶體的源極係連接該兩第二電晶體的源極，該第三電晶體的閘極係連接該些輸入電壓源的其中一者，該第四電晶體的閘極係連接該些輸入電壓源的其中一者；該第二差動輸出單元具有兩第二差動電晶體及一主動負載轉導運算放大器，該兩第二差動電晶體的源極係被接地，該兩第二差動電晶體的閘極係相互連接，該兩第二差動電晶體的汲極係分別連接該第三電晶體的汲極及該第四電晶體的汲極，其中，該兩第二輸出端係連接該兩第二差動電晶體的汲極。
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