TWI473424B - Adjustable Voltage Control Virtual Resistance Architecture - Google Patents
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Description
本發明係提供一種可調式壓控虛擬電阻架構,尤指其技術上提供一種主要由操作在次臨界區的串連PMOS元件所組成並搭配一個自我調控電路使此虛擬電阻來克服製程變異與共模電壓的飄移,達到具有對稱性的電壓-電阻特性,並且在大電壓輸入下還可保持恆定電阻值之功效。
一般用CMOS製程實驗的主動式電阻通常會操作在三極管區,目的是為了將電阻值做到越小越好,好讓在設計開關電路上可以接近理想(理想開關無阻抗)。但在生醫或音頻的類比前端電路上,則需要很大的電阻值來實現一個具有很低頻的極點(濾波器極點)來濾除頻帶外的雜訊。然而,不論使用一般外接的市售元件或是晶片內的制式元件,實現這種高電阻值是不符合成本效益。晶片上的被動元件是一個解決方法,但是非常耗面積。另外,將長length的MOS電晶體串連起來也可以達到高電阻,但一樣會造成一定面積的影響。
在參考文獻[1]中有人使用二極體連接方式的虛擬電阻,雖然這類的方法可以達到想要的高阻抗特性,但由於它是非對稱的電壓-電阻特性(例如:當電壓>0,電阻很大且輸入的電壓小。可是當電壓<0,電阻會大大的降低),當
受到共模電壓(直流電壓或電阻兩端的跨壓)的直流飄移影響,會因此使得電阻值大大的下降。參考文獻[2]指出,如果電晶體gate端電壓給予高電位的話,電晶體可等校出很高的電阻值,但由於無法調整電阻值,實際應用上會被侷限。參考文獻[3][4]指出,如果控制電晶體gate端電壓與串聯電晶體中間電位可以維持恆定的話,虛擬電阻電路則會具有對稱性的電壓-電阻特性(當電壓>0或電壓<0,也就是說電流可從左流到右或從右流到左,都可以有高阻抗特性),換句話說,可以克服共模電壓的飄移影響,但是還是會受到輸入電壓範圍不夠的限制。特別是參考文獻[3],控制電晶體gate端電壓的電路是使用源極隨耦電路(source follower)設計的話,會無法很線性(單一性)的反應出追蹤虛擬電阻兩端跨壓(也就是共模電壓的飄移)的變化量,在上述的生醫類比前端電路應用中可能無法得到很穩定的截止頻率;參考文獻[3]、[4]之缺點為輸入電壓範圍略小,需外部控制電路。
是以,針對上述文獻中所討論之問題點,如何開發一種提供超高且穩定的電阻值並增加輸入電壓的使用範圍之虛擬電阻,實消費者所殷切企盼,亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。
有鑑於此,發明人本於多年從事相關領域之製造開發與設計經驗,針對上述之目標,詳加設計與審慎評估後,
終得一確具實用性之本發明。
[1] R. R. Harrison and C. Charles, “A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, no. 6, pp. 958-965, Jun. 2003.
[2] R. H. Olsson, III, D. L. Buhl, A. M. Sirota, G. Buzsaki, and K. D. Wise, “Band-tunable and multiplexed integrated circuits for simultaneous recording and stimulation with microelectrode arrays,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 52, pp. 1303-1310, Jul. 2005.
[3] A. Tajalli, Y. Leblebici, and E.J. Brauer, “Implementing ultra-high-value floating tunable CMOS resistors,”IEE Electron. Lett., vol. 44, no. 5, pp. 349-350, Feb. 2008
[4] X. Zou, X. Xu, L. Yao, and Y. Lian, “A 1-V 450-nW Fully Integrated Programmable Biomedical Sensor Interface Chip,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 44, no. 4, pp. 1067-1077, Apr. 2009.
在生醫或音頻的類比前端電路
上,需要很大的電阻值來實現一個具有很低頻的極點(濾波器極點)來濾除頻帶外的雜訊。然而,不論使用一般外接的市售元件或是晶片內的制式元件,實現這種高電阻值是不符合成本效益。晶片上的被動元件是一個解決方法,但是非常耗面積。另外,將長length的MOS電晶體串連起來也可以達到高電阻,但一樣會造成一定面積上影響。
為改善上述之問題,本發明提
供一種可調式壓控虛擬電阻架構,係包含有一串聯且對稱的PMOS電晶體電路及一自我調控電路,該自我調控電路的輸入端為該PMOS電晶體電路的中央位置Vf輸出為Vg,目的是讓Vg-Vf保持固定值,該PMOS電晶體電路經由不同的bulk端電位,產生基體效應(body effect)透過該自我調控電
路將Vg和Vf電壓維持一定,使此電晶體的電流產生互補作用;其中該可調式壓控虛擬電阻架構之兩端子電壓分別為Va及Vb,當電壓不論是Va>Vb或是Vb>Va,該可調式壓控虛擬電阻架構之兩端子都會有一端維持大電阻特性。
其中,該自我調控電路係由一放大器、四組主動式電阻及電容的並聯組合所構成。
其中,該自我調控電路可搭配一外部控制端(Vctrl)來改變Vg-Vf的差值。
本發明提出一個可調式壓控虛擬電阻架構,其具有下列優點:
1.具有高電阻值且阻值可以改變。
2.抗Vab的直流偏移。
3.輸入電壓範圍大。
故本發明具有對稱性的電壓-電阻特性,並且在大電壓輸入下還可保持恆定電阻值,很適合使用在需要極低頻的截止頻率的應用之中,不但可提供生醫、類比與音頻應用,其兼顧大電壓範圍輸入功能、可提供阻抗值之可調性,可取代現有電路使其成本與功耗皆可降低,達到良好之功效。
有關本發明所採用之技術、手段及其功效,茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於后,相信本發明上述之目
的、構造及特徵,當可由之得一深入而具體的瞭解。
請先參閱第一圖、第一A圖所示,本發明係提供一種可調式壓控虛擬電阻架構(1),係包含有一串聯且對稱的PMOS電晶體電路(11)及一自我調控電路(13),該PMOS電晶體電路(11)係由四個串聯的PMOS元件(M1、M2、M3、M4),該自我調控電路(13)係由一放大器、四組主動式電阻(Ma1~Ma8)及電容(C)的並聯組合所構成之類比加法器,又該自我調控電路(13)的輸入端為該PMOS電晶體電路(11)的中央位置Vf輸出為Vg,目的是讓Vg-Vf保持固定值,並搭配一外部控制端(Vctrl)來改變Vg-Vf的差值,該PMOS電晶體電路(11)經由不同的bulk端電位,產生基體效應(body effect),透過該自我調控電路(13)將Vg和Vf電壓維持一定,使此電晶體的電流產生互補作用;其中該可調式壓控虛擬電阻架構之兩端子電壓分別為Va及Vb,當電壓不論是Va>Vb或是Vb>Va,該可調式壓控虛擬電阻架構之兩端子都會有一端維持大電阻特性。藉此,本發明提出一具有極大電阻值、可調整電阻值與在大跨壓下還能保持其大電阻特性的新型虛擬電阻架構,除了應用在生醫電路外,還可以用於一般的類比電路之中,再者,本發明之虛擬電阻有對稱性的電壓-電阻特性,可以限制共模電壓飄移的干擾。以下更進一步說明M1、M2、M3、M4
在不同電壓時所呈現的狀態,請搭配參閱第一B圖所示,有以下幾種狀況:
1.在Vth值水平線以上為電晶體落在飽和區或三極管區,具有電流源或小線性電阻的特性。
2.當Va-Vb<| UT |且Vf-Vg<Vth時,此時電晶體落在第I區,M1-M4都操作在次臨界區,具有高阻抗之大電阻的特性,電阻值R_M1+R_M2+R_M3+R_M4。
3.當| UT |<Va-Vb<| Vx |且Vf-Vg<Vth此時電晶體落在第II區,M1-M4都操作在次臨界區,具有高阻抗之大電阻的特性,電阻會有近似效果:當Va>Vb,R~R_M3+R_M4;當Va<Vb,R~R_M1+R_M2。
4.當| Vx |<Va-Vb且Vf-Vg<Vth時,此時電晶體落在第III區,M1-M4都操作在次臨界區,具有高阻抗之大電阻的特性,會有漏電現象產生,但是此電阻可以克服:當Va>Vb,當(Vf2-Vb)>Vj會使M4產生寄生BJT效應,產生漏電流現象,調整M1、M4和M2、M3比例可改善;當Va<Vb,當(Vf1-Va)>Vj會使M1產生寄生BJT效應,產生漏電流現象,調整M1、M4和M2、M3比例可改善。
其中,Vj為二極體導通電壓,大於Vj代表二極體導通;UT=thermal voltage(0.026V);Vx表示發生漏電流時的電壓,沒有特定值。
第二圖為本發明之虛擬電阻架構剖面圖,當Vb>>Va時,寄生BJT1便會開始動作,此時會有漏電流現象發生。反之,當Va>>Vb時,寄生BJT2便會開始動作,此時也會有漏電流現象發生。此時對稱的PMOS電晶體電路(11)可由另一側的電晶體提供大電阻,以防止電阻值降低。
請參閱第一、三A圖,為本發明之虛擬電阻的半電路架構,描述四個串聯的PMOS元件(M1、M2、M3、M4)如何決定整體的電阻值,其中,圖中的△V為第一圖的Vfg,第三A圖中之(I)圖等於第一圖中的M3、M4架構,電流從Vf流向Vb;第三A圖中之(II)圖等於第一圖中的M1、M2架構,電流從Va流向Vf。第三B圖則繪出第三A圖中之(I)與(II)的電流-電壓模擬曲線。第三A、B圖可用來解釋虛擬電阻在Vab>0時的操作特性,當Va>Vb時,整體電阻值R_total近似為R_M3+R_M4(M1和M2的阻值太小,故可忽略),此時Vab會近似成Vfb。反之,當Vb>Va時,R_total近似為R_M1+R_M2(M3和M4的阻值太小,所以可以忽略),此時Vba會近似成Vfa。藉由調整經電晶體尺寸,使M1=M4、M2=M3,整體電阻值R_total可以保持接近恆定值的特性,不論Va>Vb或Vb>Va。
比起先前技術中之參考文獻[2]和[3],本發明更顯著的特性就是添加了M2和M3。如果把M2和M3去掉,只剩下M1和M4,此時特性就像第四A圖中之(I)圖一樣,在較大的電壓差下電阻值就會下降,為了補償這個非理想效應,本
發明提供第四A圖中之(II)圖的M2和M3,它的特性剛好與第四A圖中之(I)圖互補,在較大的電壓差下具有較高的阻抗。在與M1和M4結合可以延伸電壓輸入的範圍並且得到平穩的電阻值,故本發明可以藉由第四B圖的模擬來解釋第四A圖。由於考量電路是對稱的架構,故本發明只探討Vaf的路徑,另一側為反向的反應,在此不贅述。當Vab改變(差異變大)時,假設△V固定在0.1V不變動,M1中的source-body端的PN接面會在Vab<-0.6V時導通並產生漏電流,降低電阻值。幸運的,此虛擬電阻在這種情況下,M1、M2的總電阻值近似為M2的電阻值(M1的小電阻值<<M2的電阻值,所以漏電流不影響整體電阻值),可藉由VSD2的增加來驗證其變化。此虛擬電阻全部的電阻R_total關係式可以寫成:
其中Nr=(W/L)2,3/(W/L)1,4.VCtrl是用來決定電阻值的大小,可以提供由可程式化的數位類比轉換器決定其電壓值(VCtrl)的大小。
本發明使用0.18-μm標準CMOS製程來驗證,其中元件參數為(W/L)1,4=(1/0.18)μm,(W/L)2,3=(10/0.18)μm,(W/L)a1~8=(0.5/5)μm,and C=182 fF。A0放大器的
供應電流為10.7nA,其單位增益頻寬達到1.27MHz。第五圖是本發明與參考文獻[3]、[4]的比較圖,將Vb固定在0V、Va從-0.9V掃描到0.9V時調整Vctrl值的話,可發現電阻都具有從MΩ到GΩ的可調範圍。在模擬參數的設定上,參考文獻[3]、[4]的電晶體參數和(W/L)1,4完全相同。從第五圖中可清楚的看到本發明所設計的虛擬電阻比參考文獻[3]、[4]具有更大的輸入電壓可使用範圍。最後,整體的操作在1.8V電壓下約效耗19.28nW。
本發明提出一具有可調整電阻值且在大跨壓下還能保持其大電阻特性,除了應用在生醫放大器外,還可以用於一般的類比電路之中,如共模回授電路、類比濾波器,一般的生醫放大器會因製程、溫度變異與Layout mismatch造成輸出點Vout與V-,V+之間的DC準位偏移,理想上Vout、V-與V+的DC準位應該要相同,當偏移量過大,導致訊號失真,且無法改變其截止頻率,故只能做單一應用。請參閱第六圖所示,是將本發明應用在生醫訊號放大器,將該可調式壓控虛擬電阻架構(1)代替參考文獻[1]中之虛擬電阻,因本發明可輸入電壓範圍大,所以失真風險小,可改善因製程變異等非理想效應造成的電阻值下降與提供電阻值的選擇性,或用將該可調式壓控虛擬電阻架構(1)代替參考文獻[2]中虛擬電阻,可提供電阻值的選擇性,並可以調整阻值並改變截止頻率,或用該可調式壓控虛擬電
阻架構(1)代替參考文獻[3]、[4]中之虛擬電阻,當電阻兩端電壓差太大時可提維持大電阻值且不降低。
除了應用在生醫放大器外,本發明還可以用於一般的類比電路之中,如共模回授電路、類比濾波器。第七圖是將本發明應用在共模回授電路上,該可調式壓控虛擬電阻架構(1)提供極大的電阻值,可取代現有的共模回授電路,以降低整體的功率消耗,適合用在低頻、生醫或音頻的電路上。
第八圖為本發明之電阻阻抗-電壓分布圖,此圖說明了在不同控制電壓下電阻值的可調整性,當電壓差較大時還能維持電阻一定值,且不使阻值降低。
本發明提出一個具有對稱性的電壓-電阻特性之虛擬電阻架構,並且在大電壓輸入下還可保持恆定電阻值,適合使用在需要極低頻的截止頻率的應用。共模回授電路需要比原始類比電路更大的頻寬,此大電阻會造成過大的RC延遲,故不適合應用在高速電路;相反的,低頻電路需要很大的RC電路(一般會使用市售外接元件或增加額外的電路來產生低頻截止點),故本發明之虛擬電阻架構非常適合用在低頻應用中。
前文係針對本發明之較佳實施例為本發明之技術特徵進行具體之說明;惟,熟悉此項技術之人士當可在不脫離本發明之精神與原則下對本發明進行變更與修改,而該等
變更與修改,皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。
(1)‧‧‧可調式壓控虛擬電阻架構
(11)‧‧‧PMOS電晶體電路
(13)‧‧‧自我調控電路
第一圖為本發明之可調式壓控虛擬電阻架構示意圖。
第一A圖為本發明之可調式壓控虛擬電阻架構另一示意圖。
第一B圖為本發明之PMOS元件M1-M4在不同電壓時所呈現的狀態。
第二圖為本發明之可調式壓控虛擬電阻架構剖面示意圖。
第三A圖為此本發明之半電路架構示意圖。
第三B圖為第三A圖之電流-電壓模擬曲線圖。
第四A圖為Rtot如何達到近似恆定阻值的機制。
第四B圖為VSD與Vab關係圖。
第五圖為本發明與參考文獻[3]、[4]的比較示意圖。
第六圖為本發明應用在生醫訊號放大器示意圖。
第七圖為本發明應用在共模回授電路示意圖。
第八圖為本發明之電阻阻抗-電壓分布圖。
(1)‧‧‧可調式壓控虛擬電阻架構
(11)‧‧‧PMOS電晶體電路
(13)‧‧‧自我調控電路
Claims (6)
- 一種可調式壓控虛擬電阻架構,係包含有一串聯且對稱的PMOS電晶體電路及一自我調控電路,該自我調控電路的輸入端為該PMOS電晶體電路的中央位置Vf輸出為Vg,目的是讓Vg-Vf保持固定值,並搭配一外部控制端(Vctrl)來改變Vg-Vf的差值,該PMOS電晶體電路經由不同的bulk端電位,產生基體效應(body effect)透過該自我調控電路將Vg和Vf電壓維持一定,使此電晶體的電流產生互補作用;該可調式壓控虛擬電阻架構之兩端子電壓分別為Va及Vb,當電壓不論是Va>Vb或是Vb>Va,該可調式壓控虛擬電阻架構之兩端子都會有一端維持大電阻特性。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式壓控虛擬電阻架構,其中該自我調控電路係由一放大器、四組主動式電阻及電容的並聯組合所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式壓控虛擬電阻架構,其係應用於生醫訊號放大器中。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調式壓控虛擬電阻架構,其係應用於一般類比電路中。
- 如申請專利範圍第4項所述之可調式壓控虛擬電阻架構,其中該類比電路為共模回授電路。
- 如申請專利範圍第4項所述之可調式壓控虛擬電阻架構,其中該類比電路為類比濾波器。
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