TWI446711B - Bandpass filter and inductive module - Google Patents

Description

帶通濾波裝置及電感性模組

本發明是有關於一種裝置及模組，特別是指一種帶通濾波裝置及電感性模組。

具有電感及電容的帶通濾波裝置被應用於無線電類電子產品、消費性電子產品中，以作為該產品之前端來過濾輸入信號，但大多的帶通濾波裝置並不是用積體電路來實現，因為現有積體電路化的電感，在CMOS製程上具有功率耗損太大的問題，造成電感之品質因子(quality facror)較低，因此，在積體電路中，常利用主動式元件產生負電阻，來補償電感的電阻性損耗，來提高電感的品質因子。

如圖1所示，於文獻「T. Soorapanth and S. S. Wong,“A 0-dB IL 2140 ± 30 MHz bandpass filter utilizing Q-enhanced spiral inductors in standard CMOS,”IEEE J. Solid-State Circuits,vol. 37,no. 5,pp. 579-586,May 2002.」提出一種以積體電路來實現且具有高品質因子的習知帶通濾波裝置1，適用於接收一輸入信號Vin且進行濾波以產生一濾波信號Vo，且該帶通濾波裝置1包含：第一至第三偏壓電感RFC1~RFC3、第一至第三電容C1~C3、一輸入電容Cin、一輸出電容Co，及三個電感性模組11~13。

第一至第三偏壓電感RFC1~RFC3各自具有一接收一偏壓電壓VB的第一端及一第二端。

第一至第三電容C1~C3各自具有一第一端及一接地的第二端，且該第一至第三電容C1~C3之第一端分別電連接於該第一至第三偏壓電感RFC1~RFC3之第二端。

該輸入電容Cin具有一接收該輸入電壓Vin的第一端及一電連接於該第一偏壓電感RFC1之第二端的第二端。

該輸出電容Co具有一提供該濾波信號Vo的第一端，及一接地的第二端。

該三電感性模組11~13各自具有一輸入端及一輸出端。

該三電感性模組11、12、13的輸入端分別電連接於該第一偏壓電感RFC1之第二端、該第二偏壓電感RFC2之第二端、該第三偏壓電感RFC3之第二端。該三電感性模組11~13的輸出端分別電連接於該第二偏壓電感RFC2之第二端、該第三偏壓電感RFC3之第二端、該輸出電容Co之第一端。

每一電感性模組11~13具有一變壓器T、一電晶體14，及一電容C。該變壓器T具有一個一次側電感L1及一個二次側電感L2，且該一次及二次側電感L1、L2、電晶體14，及電容C以回授的方式連接而使每一電感性模組11~13之輸入端的一輸入阻抗Zin(參閱圖2)產生負電阻效應，以使該電感性模組11等效成為一具有高品質因子的半被動式電感，又該輸入阻抗Zin如式(1)所示：

其中，參數R₁ 是該一次側電感L1的寄生電阻值，參數M是該一次與二次側電感L1、L2之間的互感值，參數gm是該電晶體14的轉導值(transconductance)，參數L₁ 是該一次側電感L1的電感值，參數C是該電容C的電容值，參數ω是角頻率，又該電感性模組11之自振頻率為：在低頻段期間，有一自振頻率為參數C決定，且在高頻段期間，另有一自振頻率為整體佈局所產生的寄生電容所決定。

但是習知的電感性模組11及帶通濾波裝置1具有以下缺點：

1.該變壓器T是以該一次側電感L1和二次側電感L2來實現，需要較大的晶片面積，導致成本增加。

2.由式(1)的虛部可知該電感性模組11從直流到自振頻率的低頻段期間，虛部為負值，因此呈電容性，而在超過自振頻率後的高頻段才呈電感性，使得可用頻段範圍受到限制。

3.由式(1)可知該電感性模組11作為等效電感只有相關於該一次側電感L1之電感值，而無關於該二次側電感L2之電感值，導致利用率低。

4.由式(1)的實部可知該電感性模組11之負電阻值的大小只由(M×gm/C)提供，將導致較高的功率耗損。

5.該帶通濾波裝置1，還額外需要偏壓電感RFC1~RFC3，來提供直流的偏壓，因此更增加帶通濾波裝置1的硬體成本。

6.該帶通濾波裝置的第一至第三電容C1~C3大小無法動態調整，導致其頻率響應固定，而使用途受到限制。

因此，本發明之第一目的，即在提供一種降低成本、可用頻段範圍廣、高利用率、低功率耗損的帶通濾波裝置。

該帶通濾波裝置，適用於接收一輸入信號且予以濾波以產生一濾波信號，且該帶通濾波裝置包含：一輸入端，用於接收該輸入信號；一輸出端，用於提供該輸出信號；一電容模組，電連接於該帶通濾波裝置的輸入端與輸出端之間，且該電容模組包括至少二個串聯的電容；及至少一個電感性模組，具有：一第一端，電連接於該二電容之間的一共同接點；一接地的第二端；一抽頭式電感，具有一電連接於該電感性模組之第一端的第一端、一電連接於該電感性模組之第二端的第二端、一位於該抽頭式電感的第一及第二端間的一中間抽頭端；一電晶體，具有一接收一第一偏壓的第一端、一電連接於該抽頭式電感之中間抽頭端的第二端，及一控制端；及一回授電容，電連接於該電晶體之控制端和該抽頭式電感的第一端之間。

本發明之第二目的，即在提供一種電感性模組。

該電感性模組，包含：一抽頭式電感，具有一第一端、一接地的第二端，及一位於該抽頭式電感的第一及第二端間的一中間抽頭端；一電晶體，具有一接收一第一偏壓的第一端、一電連接於該抽頭式電感之中間抽頭端的第二端，及一控制端；及一回授電容，電連接於該電晶體之控制端和該抽頭式電感的第一端之間。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

如圖3所示，本發明帶通濾波裝置之較佳實施例，適用於接收一輸入信號且予以濾波以產生一濾波信號，且該帶通濾波裝置包含：一用於接收該輸入信號Vin的輸入端、一用於提供該輸出信號Vo的輸出端、一電容模組2、二個電感性模組3，及一可變電容模組4。

<電容模組>

電容模組3電連接於該帶通濾波裝置的輸入端與輸出端之間以提供一等效電容值，且該電容模組3包括三個串聯的電容，在本實施例中，該三個串聯的電容分別是一輸入電容Cin、一耦合電容Cb，及一輸出電容Co。

輸入電容Cin具有一電連接於該帶通濾波裝置的輸入端以接收該輸入信號的第一端，及一第二端。

耦合電容Cb具有一電連接於該輸入電容Cin之第二端的第一端，及一第二端。

輸出電容Co具有一電連接於該耦合電容Cb之第二端的第一端，及一電連接於該帶通濾波裝置的輸出端以提供該濾波信號的第二端。

<電感性模組>

該二電感性模組3各自具有一電連接於該電容模組2的第一端及一接地的第二端，該二電感性模組3的第一端分別電連接於該輸入電容Cin之第二端、該耦合電容Cb之第二端，且每一電感性模組3具有一抽頭式電感TL、一電晶體MOS、二個旁路(bypass)電容C1、C2、一回授電容Cf，及一電阻R。

該抽頭式電感TL具有一電連接於該電感性模組3之第一端的第一端P1、一電連接於該電感性模組3之第二端的第二端P3、一位於該抽頭式電感的第一及第二端中間的一中間抽頭端P2、一第一部L1及一第二部L2。該抽頭式電感TL的第一部電連接於該抽頭式電感TL之第一端P1與中間抽頭端P2之間。該抽頭式電感TL的第二部電連接於該抽頭式電感TL之第二端P3與中間抽頭端P2之間。

該電晶體MOS具有一接收一第一偏壓V1的第一端、一電連接於該抽頭式電感TL之中間抽頭端的第二端，及一控制端。在本實施例中，該電晶體MOS是一N型金氧半導體場效電晶體，該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。

該電阻R具有一接收一第二偏壓V2的第一端，及一電連接於該電晶體MOS之控制端的第二端。

該回授電容Cf電連接於該電晶體MOS之控制端和該抽頭式電感TL的第一端之間。

該二旁路電容C1、C2分別電連接於該電晶體MOS之第一端與地之間、該電阻R之第一端與地之間。

又該抽頭式電感TL的第一端與第二端之間的等效阻抗值Zin(參閱圖4)包括一實部及一虛部，如式(2)所示，其中該實部提供一等效負阻抗值、而虛部提供一等效電感值：

其中，參數R₁ 、R₂ 分別是該抽頭式電感TL之第一及第二部L1、L2的等效串聯電阻值、參數C是該回授電容Cf的電容值、M是抽頭式電感TL之第一及第二部L1、L2之間的互感值、gm是該電晶體MOS的轉導值、參數L₁ 、L₂ 分別是該抽頭式電感TL之第一及第二部L1、L2的電感值，又該電感性模組3之自振頻率在高頻段期間，為整體佈局所產生的寄生電容所決定。

<可變電容模組>

可變電容模組5具有一接收一調整電壓Vc的輸入端、一電連接於該輸入電容Cin之第二端的第一輸出端，及一電連接於該耦合電容Cb之第二端的第二輸出端，且該可變電容模組5根據該調整電壓Vc的變化而於該可變電容模組5的第一及第二輸出端之間提供一大小相關於該調整電壓Vc的調變電容值，來改變該帶通濾波裝置的中心頻率(center frequency)及頻率響應，其中，該調變電容值與該調整電壓Vc之間的關係式如式(3)所示，而該中心頻率如式(4)是相關於該可變電容模組5之等效電容值、該二電感性模組3的等效電感值，及該調變電容值。

其中C_g 為調變電容值，C_min 為佈局結構之最小電容值，Vc為調整電壓、k為一電壓係數。dC_g 與dVc分別為調變電容值與調整電壓的變化量。

其中f ₀ 為中心頻率，L_p 為電感性模組之等效電感值、C_p 為可變電容模組5之等效電容值。

該可變電容模組5更具有一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3，及一第四二極體D4。

該第一二極體D1具有一電連接於該可變電容模組5之第一輸出端的陰極和一電連接於該可變電容模組5之輸入端的陽極。

該第二二極體D2具有一接地的陰極和一電連接於該可變電容模組5之輸入端的陽極。

該第三二極體D3具有一電連接於該可變電容模組5之第二輸出端的陰極和一電連接於該可變電容模組5之輸入端的陽極。

該第四二極體D4具有一接地的陰極和一電連接於該可變電容模組5之輸入端的陽極。

<實驗結果>

如圖5所示，為該抽頭式電感TL的晶片佈局圖，可看出其第一端P1、中間抽頭端P2、第二端P3都在同一邊，因此能減少過長的接線與寄生電容。

如圖6所示，為該電感性模組3於不同第二偏壓V2的品質因子，可看出當該第二偏壓V2分別為0V、0.544V、0.56V、0.564V時，所對應品質因子最大值分別是7.3、20.1、52.3、124。

如圖7、8所示，為該帶通濾波裝置的操作於不同調整電壓時，所對應的模擬S₁₁ 、S₂₁ 及量測S₁₁ 、S₂₁ ，其中，參數S₁₁ 與S₂₁ 分別是反射損耗(return loss)與輸入損耗(insertion loss)，其中，調整電壓Vc分別為+1V、-1V且所對應中心頻率分別是2.8GHz、2.5GHz。

如圖9所示，為該帶通濾波器於中心頻率分別是2.8GHz、2.5GHz，根據不同輸入功率Pin所得到的增益值。

如圖10所示，為該帶通濾波器於中心頻率分別是2.8GHz、2.5GHz，所量測到的雜訊指數(noise figure,NF)，可看出分別是6.3dB、7.9dB。

值得注意的是，在本實施例中，該帶通濾波裝置可以是包括N個電感性模組3，該電容模組2可以是包括N+1個串聯的電容，其中，N1，不限於N=2，且該N+1個串聯的電容中任兩電容間的一共同接點電連接於該N個電感性模組3中相對應一者的第一端。

綜上所述，上述實施例具有以下優點：

1.該抽頭式電感TL是用一個電感來實現，而習知的變壓器是具有二個電感，因此，該抽頭式電感TL相較於習知的變壓器在晶片面積上只需習知的一半。

2.由式(2)的虛部可知該電感性模組3從直流到自振頻率的低頻段期間，虛部也是正值而呈電感性，因此相較於習知具有較大的可用頻段範圍。

3.由式(2)可知該電感性模組3之等效電感是相關於該抽頭式電感TL之全部電感值L₁ +L₂ ，相較於習知具有較高的利用率。

4.由本案的式(2)及習知的式(1)的實部來比較，可知本案之電感性模組3的負電阻值較大，具有較小的功率耗損。

5.本案的帶通濾波裝置相較於習知，不需要額外偏壓電感來提供直流的偏壓，因此能減少帶通濾波裝置的硬體成本。

6.本案的帶通濾波裝置相較於習知，更利用該可變電容模組5來調整該帶通濾波裝置之頻率響應，因此，用途更廣。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．電容模組

Cin．．．輸入電容

Cb．．．耦合電容

Co．．．輸出電容

3．．．電感性模組

TL．．．抽頭式電感

L1．．．第一部

L2．．．第二部

P1．．．第一端

P2．．．中間抽頭端

P3．．．第二端

MOS．．．電晶體

Cf．．．回授電容

C1．．．第一電容

C2．．．第二電容

R．．．電阻

5．．．可變電容模組

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

D4．．．第四二極體

V1．．．第一偏壓

V2．．．第二偏壓

Vc．．．調整電壓

Vin．．．輸入信號

Vo．．．輸出信號

圖1是一種習知的帶通濾波裝置的電路圖；

圖2是一種習知的電感性模組；

圖3是本發明帶通濾波裝置之較佳實施例的電路圖；

圖4是本發明電感性模組之較佳實施例的電路圖；

圖5是本發明之抽頭式電感的晶片佈局圖；

圖6是該電感性模組模擬於不同第二偏壓所對應的品質因子之示意圖；

圖7是該帶通濾波裝置於不同調整電壓時，所對應的模擬S₁₁ 、S₂₁ 及量測S₁₁ 、S₂₁ 之第一種示意圖；

圖8是該帶通濾波裝置於不同調整電壓時，所對應的模擬S₁₁ 、S₂₁ 及量測S₁₁ 、S₂₁ 之第二種示意圖；

圖9是該帶通濾波器於中心頻率分別是2.8GHz、2.5GHz時，根據不同輸入功率所得到的增益值之示意圖；及

圖10是該帶通濾波器於中心頻率分別是2.8GHz、2.5GHz時，所量測到雜訊指數之示意圖。

2．．．電容模組

Cin．．．輸入電容

Cb．．．耦合電容

Co．．．輸出電容

3．．．電感性模組

TL．．．抽頭式電感

L1．．．第一部

L2．．．第二部

P1．．．第一端

P2．．．中間抽頭端

P3．．．第二端

MOS．．．電晶體

Cf．．．回授電容

C1．．．第一電容

C2．．．第二電容

R．．．電阻

5．．．可變電容模組

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

D4．．．第四二極體

V1．．．第一偏壓

V2．．．第二偏壓

Vc．．．調整電壓

Vin．．．輸入信號

Vo．．．輸出信號

Claims (9)

1. 一種帶通濾波裝置，適用於接收一輸入信號且予以濾波以產生一濾波信號，且該帶通濾波裝置包含：一輸入端，用於接收該輸入信號；一輸出端，用於提供該輸出信號；一電容模組，電連接於該帶通濾波裝置的輸入端與輸出端之間，且該電容模組包括至少二個串聯的電容；及至少一個電感性模組，具有：一第一端，電連接於該二電容之間的一共同接點；一接地的第二端；一抽頭式電感，具有一電連接於該電感性模組之第一端的第一端、一電連接於該電感性模組之第二端的第二端、一位於該抽頭式電感的第一及第二端間的一中間抽頭端；一電晶體，具有一接收一第一偏壓的第一端、一電連接於該抽頭式電感之中間抽頭端的第二端，及一控制端；及一回授電容，電連接於該電晶體之控制端和該抽頭式電感的第一端之間。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之帶通濾波裝置，其中，該電感性模組更包括：一電阻，具有一接收一第二偏壓的第一端，及一電連接於該電晶體之控制端的第二端；及二個旁路電容，分別電連接於該電晶體之第一端與地之間、該電阻之第一端與地之間。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之帶通濾波裝置，其中，該電容模組是包括三個串聯的電容，該三個串聯的電容分別是：一輸入電容，具有一電連接於該帶通濾波裝置的輸入端以接收該輸入信號的第一端，及一第二端；一耦合電容，具有一電連接於該輸入電容之第二端的第一端，及一第二端；及一輸出電容，具有一電連接於該耦合電容之第二端的第一端，及一電連接於該帶通濾波裝置的輸出端以提供該濾波信號的第二端。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之帶通濾波裝置，是包含二個電感性模組，該二電感性模組的第一端分別電連接於該輸入電容之第二端、該耦合電容之第二端。
5. 依據申請專利範圍第3項所述之帶通濾波裝置，更包含：一可變電容模組，具有一接收一調整電壓的輸入端、一電連接於該輸入電容之第二端的第一輸出端，及一電連接於該耦合電容之第二端的第二輸出端，且該可變變電容模組根據該調整電壓的變化而於該可變變電容模組的第一及第二輸出端之間提供一大小相關於該調整電壓的調變電容值。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之帶通濾波裝置，其中，該可變電容模組更具有：一第一二極體，具有一電連接於該可變電容模組之第一輸出端的陰極和一電連接於該可變電容模組之輸入端的陽極；一第二二極體，具有一接地的陰極和一電連接於該可變電容模組之輸入端的陽極；一第三二極體，具有一電連接於該可變電容模組之第二輸出端的陰極和一電連接於該可變電容模組之輸入端的陽極；及一第四二極體具有一接地的陰極和一電連接於該可變電容模組之輸入端的陽極。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之帶通濾波裝置，是包括N個電感性模組，該電容模組則是包括N+1個串聯的電容，其中，N1，且該N+1個串聯的電容中任兩電容間的一共同接點電連接於該N個電感性模組中相對應一者的第一端。
8. 一種電感性模組，包含：一抽頭式電感，具有一第一端、一接地的第二端，及一位於該抽頭式電感的第一及第二端間的一中間抽頭端；一電晶體，具有一接收一第一偏壓的第一端、一電連接於該抽頭式電感之中間抽頭端的第二端，及一控制端； 一回授電容，電連接於該電晶體之控制端和該抽頭式電感的第一端之間；一電阻，具有一接收一第二偏壓的第一端，及一電連接於該電晶體之控制端的第二端；及二個旁路電容，分別電連接於該電晶體之第一端與地之間、該電阻之第一端與地之間。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之電感性模組，其中，該電晶體是一N型金氧半導體場效電晶體，且該電晶體的第一端是汲極，該電晶體的第二端是源極，該電晶體的控制端是閘極。