TWI527369B - 轉導放大器、轉導電容濾波器以及可編程重組之高階濾波器 - Google Patents

轉導放大器、轉導電容濾波器以及可編程重組之高階濾波器 Download PDF

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Description

轉導放大器、轉導電容濾波器以及可編程重組之高階濾波器
本發明是有關於一種可編程重組之高階濾波器，且特別是有關於一種高階濾波器中之轉導放大器。
濾波器為電子裝置中相當廣泛使用的元件，當電子裝置中之感測元件從自然界中或生物身上偵測訊號後，所偵測的訊號往往會摻雜非必要之其它訊號，此時就需要使用濾波器取得某特定頻率範圍之訊號，並去除不必要之雜訊。
然而，當濾波器應用於需要低功耗、高精確度之電子裝置(例如：符合個人化需求的可攜式或植入式生醫檢測儀器)時，一般的濾波器於功耗、精確度、動態範圍等方面之效能仍有相當大的改進空間。
因此，本發明之一態樣是在提供一種轉導放大器(operational transconductance amplifier)。轉導放大器包含全差動放大電路、驅動偏壓電路以及共模回授電路。全差動放大電路用以接收差動輸入電壓以及提供差動輸出電壓。全差動放大電路包含複數組疊接擴散差動對電路。驅動偏壓電路電性連接於全差動放大電路。驅動偏壓電路用以提供至少一第一偏壓電流以驅動全差動放大電路並調整轉導放大器之轉導值。共模回授電路電性連接於全差動放大電路。共模回授電路用以穩定差動輸出電壓。
依據本發明一實施例，於上述轉導放大器中，全差動放大電路更包含一差動對電路。
依據本發明另一實施例，於上述轉導放大器中，驅動偏壓電路包含第一懸浮閘電晶體(floating-gate transistor)，第一懸浮閘電晶體用以調整第一偏壓電流。
依據本發明又一實施例，於上述轉導放大器中，該些擴散差動對電路每一者包含一第一擴散差動對單元。第一擴散差動對單元包含第一擴散對單元、第二擴散對單元以及第一差動對單元。第一擴散對單元係由第一P型金屬氧化半導體場效電晶體(以下簡稱PMOS電晶體)與第二PMOS電晶體對接所組成。第二擴散對單元係由第三PMOS電晶體與第四PMOS電晶體對接所組成。第一差動對單元與第一擴散對單元以及第二擴散對單元電性連接。
依據本發明再一實施例，於上述轉導放大器中，共模回授電路包含一第二懸浮閘電晶體以及一第三懸浮閘電 晶體。第二懸浮閘電晶體以及第三懸浮閘電晶體用以穩定差動輸出電壓。
依據本發明另又一實施例，於上述轉導放大器中，該些擴散差動對電路每一者更包含一第二擴散差動對單元，且第二擴散差動對單元與第一擴散差動對單元疊接。第二擴散差動對單元包含第三擴散對單元、第四擴散對單元以及第二差動對單元。第三擴散對單元係由第一N型金屬氧化半導體場效電晶體(以下簡稱NMOS電晶體)與第二NMOS電晶體對接所組成。第四擴散對單元係由第三NMOS電晶體與第四NMOS電晶體對接所組成。第二差動對單元與第三擴散對單元以及第四擴散對單元電性連接。且上述共模回授電路更用以依據差動輸出電壓調整全差動放大電路之至少一第二偏壓電流，以穩定差動輸出電壓。
依據本發明另再一實施例，於上述轉導放大器中，共模回授電路包含一第四懸浮閘電晶體，該第四懸浮閘電晶體用以調整該第二偏壓電流。
本發明之另一態樣是在提供一種轉導電容濾波器(operational transconductance amplifier-capacitor filter；OTA-C filter)。轉導電容濾波器包含複數個電性連接之轉導放大器與複數個電容器。轉導放大器中每一者包含全差動放大電路、驅動偏壓電路以及共模回授電路。全差動放大電路用以接收差動輸入電壓以及提供差動輸出電流。全差動放大電路包含複數組擴散差動對電路。驅動偏壓電路電性連接於全差動放大電路。驅動偏壓電路用以提供至少 一第一偏壓電流以驅動全差動放大電路並調整轉導放大器之轉導值。共模回授電路電性連接於全差動放大電路。共模回授電路用以穩定差動輸出電壓。
依據本發明一實施例，於上述轉導電容濾波器中，全差動放大電路更包含一差動對電路。
本發明之又一態樣是在提供一種高階濾波器。高階濾波器包含複數個可串接之轉導電容濾波器以及控制模組。轉導電容濾波器中每一者包含複數個電性連接之轉導放大器以及複數個電容器。轉導放大器中每一者包含全差動放大電路、驅動偏壓電路以及共模回授電路。全差動放大電路用以接收差動輸入電壓以及提供差動輸出電壓。全差動放大電路包含複數組擴散差動對電路。驅動偏壓電路電性連接於全差動放大電路。驅動偏壓電路用以提供至少一第一偏壓電流以驅動全差動放大電路並調整轉導放大器之轉導值。共模回授電路電性連接於全差動放大電路。共模回授電路用以穩定差動輸出電壓。控制模組用以依據一外部訊號控制轉導電容濾波器選擇性地串接。
應用本發明之優點在於藉由於轉導放大器內部設置複數組擴散差動對電路，提升轉導放大器之線性範圍並進而改善其失真問題與提高動態範圍，並藉由採用由懸浮閘電晶體所組成之驅動偏壓電路與共模回授電路進一步節省轉導放大器之功耗與提供更精確的驅動偏壓電流，進而提升以此種轉導放大器串接所實現之轉導電容濾波器的效能。另外，藉由編程驅動偏壓電路與共模回授電路中之懸 浮閘電晶體即可改變轉導放大器之轉導值。
本發明另外藉由一可重組之電路，串接複數個轉導電容濾波器以實現一可編程重組之高階濾波器，該高階濾波器可自由選擇需要使用的轉導電容濾波器加以串接，沒有使用的轉導電容濾波器並不會產生功耗，且該些轉導電容濾波器均可由本發明所改良之可調整轉導值的低功率高動態範圍轉導放大器所組成。藉由調整轉導放大器之轉導值即可改變轉導電容濾波器以及上述高階濾波器之輸出增益、中心頻率以及品質因素。
100、100a‧‧‧轉導電容濾波器
110、112、114、116‧‧‧轉導放大器
C1、C2、C3、C4‧‧‧電容器
Vi +、Vi -‧‧‧差動輸入電壓
Vo +、Vo -‧‧‧差動輸出電壓
117、117a、118、118a‧‧‧轉導放大器
120、120a‧‧‧全差動放大電路
122、122a‧‧‧驅動偏壓電路
123、123a、124、124a‧‧‧共模回授電路
125、126、127、225、226、227‧‧‧擴散差動對電路
125a、125b‧‧‧擴散差動對單元
128、228‧‧‧差動對電路
128a、128b‧‧‧差動對單元
130、132、138、142‧‧‧P型金屬氧化半導體場效電晶體
134、136、146、150‧‧‧N型金屬氧化半導體場效電晶體
140、144、148、152‧‧‧擴散對單元
Ib1‧‧‧第一偏壓電流
Ib2‧‧‧第二偏壓電流
160‧‧‧P型金屬氧化半導體懸浮閘電晶體
161、162、163‧‧‧N型金屬氧化半導體懸浮閘電晶體
C5、C6、C7、C8、C9‧‧‧懸浮閘
M1、M2、M3、M4‧‧‧電晶體
Vfg1、Vfg2、Vfg3、Vfg4‧‧‧閘極電位
170‧‧‧控制模組
180‧‧‧外部訊號
200‧‧‧高階濾波器
BQF0~BQF5‧‧‧轉導電容濾波器
Input_p、Input_n、Input_p<0>~Input_p<5>、Input_n<0>~Input_n<5>‧‧‧差動訊號輸入端點
Output_p、Output_n、Output_p<0>~Output_p<5>、Output_n<0>~Output_n<5>‧‧‧差動訊號輸出端點
s11~s16、s21~s26‧‧‧開關元件
第1圖為本發明一實施例中，一種轉導電容濾波器之方塊示意圖。
第2圖為本發明一實施例中，一種轉導電容濾波器之方塊示意圖。
第3圖為本發明一實施例中，一種轉導放大器之電路示意圖。
第4圖為本發明一實施例中，一種轉導放大器之電路示意圖。
第5圖為本發明一實施例中，一種轉導放大器之電路示意圖。
第6圖為本發明一實施例中，一種轉導放大器之電路示意圖。
第7圖為本發明一實施例中，一種高階濾波器之方塊示意圖。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件將以相同之符號標示來說明。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。
另外，關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。
請參照第1圖。第1圖為本發明一實施例中，一種轉導電容濾波器100之方塊示意圖。
轉導電容濾波器100包含4個電性連接之轉導放大 器110、112、114以及116與4個電容器C1、C2、C3以及C4。轉導放大器110用以接收差動輸入電壓Vi +以及Vi -，並提供一差動電壓至轉導放大器112。轉導放大器112用以接收轉導放大器110所輸出之差動電壓，並提供一差動電壓至轉導放大器114。其中轉導放大器112之輸入與輸出端如第1圖所示，設置有一回授路徑，且轉導放大器112之輸出端與電容器C1與C2電性連接。轉導放大器114用以接收轉導放大器112所輸出之差動電壓，並提供一差動電壓至轉導放大器116，且轉導放大器114之輸出端與電容器C3與C4電性連結。轉導放大器116用以接收轉導放大器114所輸出之差動電壓，並提供一差動輸出電壓Vo +以及Vo -。其中轉導放大器116之輸出端與轉導放大器114之輸入端如第1圖所示，設置有一回授路徑。
於轉導電容濾波器100中，轉導放大器110用以提供轉導電容濾波器100之輸出增益，轉導放大器112、114、116用以決定轉導電容濾波器100之中心頻率與頻寬。於本實施例中，可視實際使用上之需求，調整轉導放大器110、112、114以及116之轉導值以改變轉導電容濾波器之輸出增益、中心頻率以及品質因素。
需說明的是，轉導電容濾波器100所使用之轉導放大器數目並不限於4個，第1圖僅為例示而已，並非用以限定本發明。舉例來說，若實際使用上並無調整輸出增益之需求，亦可省去轉導放大器110之設置。
於本實施例中，轉導電容濾波器100為一帶通濾波 器，但實際使用上可藉由調整差動輸出電壓之接點以改變輸出訊號之波形(請參照第2圖與下列說明)。
請參照第2圖。第2圖為本發明另一實施例中，一種轉導電容濾波器100a之方塊示意圖。相較於第1圖所示之轉導電容濾波器100，本實施例中的轉導電容濾波器100a的差動輸出電壓係由轉導放大器114提供，如此即可實現將轉導電容濾波器100a作為一低通濾波器使用。
請參照第3圖。第3圖為本發明一實施例中，一種轉導放大器117之電路示意圖。轉導放大器117可應用於如第1圖或第2圖中所示之轉導放大器110、112、114或116。
轉導放大器117包含全差動放大電路120a、驅動偏壓電路122以及共模回授電路123。
驅動偏壓電路122電性連接於該全差動放大電路120a。驅動偏壓電路122用以提供第一偏壓電流Ib1以驅動全差動放大電路120a，其中第一偏壓電流Ib1之大小可經調整，使得轉導放大器117之轉導值相應地調整。
全差動放大電路120a用以接收差動輸入電壓Vi +與Vi -，並輸出差動輸出電壓Vo +與Vo -。全差動放大電路120a可選擇性地包含差動對電路128。
差動對電路128包含差動對單元128a，其中差動對單元128a係由P型金屬氧化半導體場效電晶體(以下簡稱PMOS電晶體)130和132所組成。
PMOS電晶體130和132之閘極用以接收差動輸入 電壓Vi +以及Vi -。PMOS電晶體130和132之汲極用以提供差動輸出電壓Vo -以及Vo +。PMOS電晶體130以及132之源極用以接收第一偏壓電流Ib1。
需說明的是，差動對電路128係為選擇性地設置於全差動放大電路120a中，用以增加轉導放大器117之線性範圍。習知技藝者可視實際需求決定是否設置差動對電路128。
全差動放大電路120更包含三組擴散差動對電路125、126以及127。擴散差動對電路125包含擴散差動對單元125a。
擴散差動對單元125a包含擴散對單元140和144與PMOS電晶體138和142。
擴散對單元140以及144係分別由兩個PMOS電晶體對接(源極以及汲極分別相接)所組成。
如第3圖所示，在擴散對單元140以及144中，PMOS電晶體之閘極分別用以接收差動輸入電壓Vi +以及Vi -，並連接至差動對電路128中PMOS電晶體130和132之閘極。在擴散對單元140以及144中，PMOS電晶體之源極用以接收第一偏壓電流Ib1，並分別連接至疊接差動對電路128中PMOS電晶體130和132之源極。
PMOS電晶體138以及142之閘極用以接收差動輸入電壓Vi +以及Vi -，並以如第3圖所示之連接關係，連接至擴散對單元140與144中PMOS電晶體之閘極以及PMOS電晶體130和132之閘極。
PMOS電晶體138以及142之源極分別連接至擴散對單元140以及144中PMOS電晶體之汲極。PMOS電晶體138以及142之汲極用以提供差動輸出電壓Vo -以及Vo +，並分別連接至PMOS電晶體130以及132之汲極。
擴散差動對電路126以及127之元件與連接關係如第3圖所示，與擴散差動對電路125類似，故在此不再贅述。
共模回授電路123電性連接於全差動放大電路120a，用以穩定差動輸出電壓Vo +以及Vo -，使得全差動放大電路120a中之電晶體皆穩定運作於所設計的工作區間。
請參照第4圖。第4圖為本發明一實施例中，一種轉導放大器118之電路示意圖。轉導放大器118可應用於如第1圖或第2圖中所示之轉導放大器110、112、114或116。
轉導放大器118包含全差動放大電路120、驅動偏壓電路122以及共模回授電路124。
驅動偏壓電路122電性連接於該全差動放大電路120。驅動偏壓電路122用以提供第一偏壓電流Ib1以驅動全差動放大電路120，其中第一偏壓電流Ib1之大小可經調整，使得轉導放大器118之轉導值相應地調整。
全差動放大電路120用以接收差動輸入電壓Vi +與Vi -，並輸出差動輸出電壓Vo +與Vo -。全差動放大電路120可選擇性地包含差動對電路228。
差動對電路228包含疊接的兩差動對單元128a和 128b，其中差動對單元128a已見於第3圖所示之實施例中，在此不再詳述。差動對單元128b係由N型金屬氧化半導體場效電晶體(以下簡稱NMOS電晶體)134和136所組成。
NMOS電晶體134和136之閘極用以接收差動輸入電壓Vi +以及Vi -。NMOS電晶體134和136之汲極用以提供差動輸出電壓Vo -以及Vo +。NMOS電晶體134以及136之源極用以提供第二偏壓電流Ib2。
需說明的是，差動對電路228係為選擇性地設置於全差動放大電路120中，用以增加轉導放大器118之線性範圍。習知技藝者可視實際需求決定是否設置差動對電路228。
全差動放大電路120更包含三組擴散差動對電路225、226以及227。擴散差動對電路225包含疊接的兩擴散差動對單元125a和125b，其中擴散差動對單元125a已見於第3圖所示之實施例中，在此不再詳述。擴散差動對單元125b包含擴散對單元148和152以及NMOS電晶體146和150。
擴散對單元148以及152係分別由兩個NMOS電晶體對接(汲極以及源極分別相接)所組成。
如第4圖所示，在擴散對單元148以及152中，NMOS電晶體之閘極分別用以接收差動輸入電壓Vi +以及Vi -，並連接至差動對電路228中NMOS電晶體134和136之閘極。在擴散對單元148以及152中，NMOS電晶體之 源極用以輸出第二偏壓電流Ib2，並分別連接至差動對電路128中NMOS電晶體134和136之源極。
NMOS電晶體146以及150之閘極用以接收差動輸入電壓Vi +以及Vi -，並以如第4圖所示之連接關係，連接至擴散對單元148與152之NMOS電晶體之閘極以及NMOS電晶體134以及136之閘極。
NMOS電晶體146以及150之源極分別連接至擴散對單元148以及152之NMOS電晶體之汲極。NMOS電晶體146以及150之汲極用以提供差動輸出電壓Vo -以及Vo +，並分別連接至NMOS電晶體134以及136之汲極。
擴散差動對電路226以及227之元件與連接關係如第4圖所示，與擴散差動對電路225類似，故在此不再贅述。
共模回授電路124用以接收差動輸出電壓Vo +和Vo -，並根據差動輸出電壓Vo +和Vo -調整第二偏壓電流Ib2，使得第二偏壓電流Ib2與第一偏壓電流Ib1之大小一致，以穩定差動輸出電壓Vo +以及Vo -，並使得全差動放大電路120中之電晶體皆穩定運作於所設計的工作區間。
轉導放大器118係藉由驅動偏壓電路122所提供之第一偏壓電流Ib1決定其轉導值。當第一偏壓電流Ib1增加時，轉導放大器118之轉導值也隨之增加。在此，定義一轉導放大器之線性範圍(Linear Range)為在一固定的驅動偏壓電流下，該轉導放大器具有一轉導值最大值，當不同大小的差動訊號輸入轉導放大器時，輸出訊號實際可獲得的 轉導值與轉導值最大值相比之下，兩者間之差值小於或等於1%之輸入電壓區間。
一般習知轉導放大器設計在次臨界區普遍的缺點為線性範圍較小，因此會造成輸出信號失真，並進而造成轉導放大器與使用轉導放大器所組成的轉導電容濾波器之動態範圍較差。相較之下，於本發明實施例的轉導放大器118中，藉由三組擴散差動對電路225、226以及227之設置，可有效改善轉導放大器118之線性範圍。
一轉導放大器之線性度效率因素LEF(Linear Efficiency Factor)可定義如下： 其中LR為該轉導放大器在驅動偏壓電流為I時之線性範圍，Gm,max為該轉導放大器在驅動偏壓電流為I時之最大轉導值。因此，轉導放大器之LEF越低，代表其對於驅動偏壓電流的利用越有效率，可當成一衡量轉導放大器之效能的指標。由電路模擬結果可以發現，轉導放大器118之LEF小於習知未設置擴散差動對電路的轉導放大器之LEF的十分之一，實為相當大的改進。
另外，須特別注意的是，於上述轉導放大器117以及118中，擴散差動對電路之設置並不限於三組，且於設置越多組擴散差動對電路的情形下，轉導放大器之LEF越低。
於另一實施例中(未繪示)，一轉導放大器具有與轉導放大器117類似之電路架構，且其設置有兩組擴散差動 對電路。於又一實施例中(未繪示)，一轉導放大器具有與轉導放大器118類似之電路架構，且其設置有四組擴散差動對電路。
需說明的是，於第4圖中，驅動偏壓電路122與共模回授電路124設置之位置可以互換。於另一實施例中(未繪示)，一轉導放大器係由一設置於全差動放大電路下方的驅動偏壓電路提供第二偏壓電流Ib2，以驅動全差動放大電路，再由一設置於全差動放大電路上方的共模回授電路接收差動輸出電壓Vo +以及Vo -，以根據差動輸出電壓Vo +以及Vo -調整第一偏壓電流Ib1，使得第一偏壓電流Ib1與第二偏壓電流Ib2之大小一致，以穩定差動輸出電壓Vo +以及Vo -，並使得全差動放大電路中之電晶體皆穩定運作於所設計的工作區間。
另外，於第4圖中，全差動放大電路120之上半部(即第3圖中所示之全差動放大電路120a)之設置可以省略。於一實施例中(未繪示)，一轉導放大器具有與第4圖所示之轉導放大器118類似之結構，但其全差動放大電路係為全差動放大電路120之下半部由NMOS電晶體所構成之全差動放大電路。於該實施例中，轉導放大器係由一設置於由NMOS電晶體所構成之全差動放大電路下方的驅動偏壓電路提供第二偏壓電流Ib2，以驅動該全差動放大電路，再由一設置於該全差動放大電路上方的共模回授電路接收差動輸出電壓Vo +以及Vo -，以根據差動輸出電壓Vo +以及Vo -調整第一偏壓電流Ib1，使得第一偏壓電流Ib1與第二偏 壓電流Ib2之大小一致，以穩定差動輸出電壓Vo +以及Vo -，並使得全差動放大電路中之電晶體皆穩定運作於所設計的工作區間。
請參照第5圖。第5圖為本發明一實施例中，一種如第3圖所示轉導放大器之具體電路示意圖。轉導放大器117a可用於第1圖或第2圖所示之轉導放大器110、112、114或116。
轉導放大器117a包含如第3圖中所示之全差動放大電路120a，以及驅動偏壓電路122a與共模回授電路123a。
轉導放大器117a之驅動偏壓電路122a包含P型金屬氧化半導體懸浮閘電晶體(以下簡稱PMOS懸浮閘電晶體)160。PMOS懸浮閘電晶體160包含懸浮閘C5以及電晶體M1。於操作上，藉由調整儲存於懸浮閘C5中之電荷，即可改變電晶體M1之閘極電位Vfg1，並藉此改變第一偏壓電流Ib1之大小，以調整轉導放大器117a之轉導值。
相較於習知偏壓電路需設置一參考電流源，本發明藉由PMOS懸浮閘電晶體160之設置，省去了偏壓電路中參考電流源所需消耗的電流，且藉由調整儲存於懸浮閘C5中之電荷，來改變電晶體M1之閘極電位Vfg1，其精確度更優於一般習知之偏壓電路。
轉導放大器117a之共模回授電路123a包含N型金屬氧化半導體懸浮閘電晶體(以下簡稱NMOS懸浮閘電晶體)161以及162。NMOS懸浮閘電晶體161包含懸浮閘C6 以及電晶體M2。NMOS懸浮閘電晶體162包含懸浮閘C7以及電晶體M3。於操作上，根據差動輸出電壓Vo +以及Vo -調整儲存於懸浮閘C6以及C7中之電荷，即可改變電晶體M2以及M3之閘極電位Vfg2與Vfg3，並藉此控制差動輸出電壓Vo +以及Vo -之直流準位，以穩定差動輸出電壓Vo +以及Vo -，並使得全差動放大電路120a中之電晶體皆穩定運作於所設計的工作區間。
相較於習知共模回授電路，本發明藉由NMOS懸浮閘電晶體161以及162之設置，省去了習知共模回授電路所需消耗的電流。
請參照第6圖。第6圖為本發明一實施例中，一種如第4圖所示轉導放大器之具體電路示意圖。轉導放大器118a可用於第1圖或第2圖所示之轉導放大器110、112、114或116。
轉導放大器118a包含如第4圖中所示之全差動放大電路120，以及驅動偏壓電路122a與共模回授電路124a。其中驅動偏壓電路122a已見於第5圖所示之實施例中，在此不再詳述。
轉導放大器118a之共模回授電路124a包含N型金屬氧化半導體懸浮閘電晶體(以下簡稱NMOS懸浮閘電晶體)163。NMOS懸浮閘電晶體163包含懸浮閘C8以及C9與電晶體M4。於操作上，根據差動輸出電壓Vo +以及Vo -調整儲存於懸浮閘C8以及C9中之電荷，即可改變電晶體M4之閘極電位Vfg4，並藉此改變第二偏壓電流Ib2之大小， 使得第二偏壓電流Ib2與第一偏壓電流Ib1之大小一致，以穩定差動輸出電壓Vo +以及Vo -，並使得全差動放大電路120中之電晶體皆穩定運作於所設計的工作區間。
相較於習知共模回授電路，本發明藉由NMOS懸浮閘電晶體163之設置，省去了習知共模回授電路所需消耗的電流。
需說明的是，於第6圖中，驅動偏壓電路122a與共模回授電路124a設置之位置可以互換。於一實施例中(未繪示)，一轉導放大器係由一設置於全差動放大電路下方，包含NMOS懸浮閘電晶體的驅動偏壓電路提供第二偏壓電流Ib2以驅動全差動放大電路。該轉導放大器並由一設置於全差動放大電路上方，包含PMOS懸浮閘電晶體的共模回授電路，用以根據差動輸出電壓Vo +以及Vo -調整第一偏壓電流Ib1並使得第一偏壓電流Ib1與第二偏壓電流Ib2之大小一致，以穩定差動輸出電壓Vo +以及Vo -，並使得全差動放大電路中之電晶體皆穩定運作於所設計的工作區間。
請參照第7圖。第7圖為本發明一實施例中，一種高階濾波器200之方塊示意圖。高階濾波器200包含六個可串接之轉導電容濾波器BQF0~BQF5。轉導電容濾波器BQF0~BQF5可為第1圖所示之轉導電容濾波器100或第2圖所示之轉導電容濾波器100a，其中Input_p、Input_n、Input_p<0>~Input_p<5>、Input_n<0>~Input_n<5>為差動訊號輸入端點，Output_p、Output_n、Output_p<0>~Output_p<5>、Output_n<0>~Output_n<5>為差動訊號輸出 端點。
於高階濾波器200中，轉導電容濾波器BQF0~BQF5之連接關係由第7圖中所示之開關元件決定。舉例來說，若將第7圖中之開關元件s11~s16以及s21~s26導通，則可實現一由轉導電容濾波器BQF1以及轉導電容濾波器BQF2所串接之高階濾波器，其係由Input_p<1>以及Input_n<1>接收差動輸入訊號，並由Output_p<2>以及Output_n<2>提供差動輸出訊號。
高階濾波器200更包含一控制模組170，控制模組170用以接收一外部訊號180，並根據外部訊號180切換第7圖中所示之開關元件，以調整轉導電容濾波器BQF0~BQF5之連接關係。於一實施例中，外部訊號180之來源為一系統指令或一記憶體。
於另一實施例中，轉導電容濾波器BQF0~BQF5係由四個如第6圖所示之轉導放大器118a組成如第1圖所示之轉導電容濾波器100。控制模組170更用以根據外部訊號180分別編程轉導電容濾波器BQF0~BQF5中之轉導放大器118a。於操作上，控制模組170藉由調整轉導放大器118a中之PMOS懸浮閘電晶體160以及NMOS懸浮閘電晶體163懸浮閘中之電荷，改變第一偏壓電流Ib1以及第二偏壓電流Ib2，並藉此調整轉導放大器118a之轉導值，進而改變轉導電容濾波器BQF0~BQF5之輸出增益、中心頻率與品質因素。
於再一實施例中，轉導電容濾波器BQF0~BQF5 內部更設置有一多工器(未繪示)，多工器可切換差動輸出電壓由第1圖所示的轉導放大器116所提供，或是由如第2圖所示的轉導放大器114所提供。亦即，該多工器可切換轉導電容濾波器BQF0~BQF5為帶通濾波器或低通濾波器。
於一實施例中，控制模組170更用以依據外部訊號180切換轉導電容濾波器BQF0~BQF5為帶通濾波器或低通濾波器。
需說明的是，第7圖中所示之高階濾波器其所包含之轉導電容濾波器並不限於六個，於設計電路時，可根據實際需要增減。於一實施例中(未繪示)，一高階濾波器之架構與第7圖所示之高通濾波器類似，且其包含九個可串接之轉導電容濾波器。
相較於習知技術，本發明藉由於轉導放大器內部設置複數組擴散差動對電路，提升轉導放大器之線性範圍並進而改善其失真問題與提高動態範圍，並藉由採用由懸浮閘電晶體所組成之驅動偏壓電路與共模回授電路進一步節省轉導放大器之功耗與提供更精確的驅動偏壓電流，進而提升以此種轉導放大器串接所實現之轉導電容濾波器的效能。另外，藉由編程驅動偏壓電路與共模回授電路中之懸浮閘電晶體即可改變轉導放大器之轉導值。
本發明另外藉由一可重組之電路，串接複數個轉導電容濾波器以實現一可編程重組之高階濾波器，該高階濾波器可自由選擇需要使用的轉導電容濾波器加以串接，沒 有使用的轉導電容濾波器並不會產生功耗，且該些轉導電容濾波器均可由本發明所改良之可調整轉導值的低功率高動態範圍轉導放大器所組成。藉由調整轉導放大器之轉導值即可改變轉導電容濾波器以及上述高階濾波器之輸出增益、中心頻率以及品質因素。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Vi+、Vi-‧‧‧差動輸入電壓
Vo+、Vo-‧‧‧差動輸出電壓
118‧‧‧轉導放大器
120‧‧‧全差動放大電路
122‧‧‧驅動偏壓電路
124‧‧‧共模回授電路
225、226、227‧‧‧擴散差動對電路
125a、125b‧‧‧擴散差動對單元
228‧‧‧差動對電路
128a、128b‧‧‧差動對單元
130、132、138、142‧‧‧P型金屬氧化半導體場效電晶體
134、136、146、150‧‧‧N型金屬氧化半導體場效電晶體
140、144、148、152‧‧‧擴散對單元
Ib1‧‧‧第一偏壓電流
Ib2‧‧‧第二偏壓電流

Claims (10)

  1. 一種轉導放大器，包含：一全差動放大電路，用以接收一差動輸入電壓並提供一差動輸出電壓，其中該全差動放大電路包含複數組擴散差動對電路；一驅動偏壓電路，電性連接於該全差動放大電路，該驅動偏壓電路用以提供至少一第一偏壓電流以驅動該全差動放大電路並調整該轉導放大器之轉導值；以及一共模回授電路，電性連接於該全差動放大電路，該共模回授電路用以穩定該差動輸出電壓。
  2. 如請求項1所述之轉導放大器，其中該全差動放大電路更包含一差動對電路。
  3. 如請求項1所述之轉導放大器，其中該驅動偏壓電路包含一第一懸浮閘電晶體，該第一懸浮閘電晶體用以調整該第一偏壓電流。
  4. 如請求項1所述之轉導放大器，其中該些擴散差動對電路每一者包含一第一擴散差動對單元，其中該第一擴散差動對單元包含：一第一擴散對單元，其中該第一擴散對單元係由一第一P型金屬氧化半導體場效電晶體與一第二P型 金屬氧化半導體場效電晶體對接所組成；一第二擴散對單元，其中該第二擴散對單元係由一第三P型金屬氧化半導體場效電晶體與一第四P型金屬氧化半導體場效電晶體對接所組成；以及一第一差動對單元，其中該第一差動對單元與該第一擴散對單元以及該第二擴散對單元電性連接。
  5. 如請求項4所述之轉導放大器，其中該共模回授電路包含一第二懸浮閘電晶體以及一第三懸浮閘電晶體，該第二懸浮閘電晶體以及該第三懸浮閘電晶體用以穩定該差動輸出電壓。
  6. 如請求項4所述之轉導放大器，其中該些擴散差動對電路每一者更包含一第二擴散差動對單元，且該第二擴散差動對單元與該第一擴散差動對單元疊接，其中該第二擴散差動對單元包含：一第三擴散對單元，其中該第三擴散對單元係由一第一N型金屬氧化半導體場效電晶體與一第二N型金屬氧化半導體場效電晶體對接所組成；一第四擴散對單元，其中該第四擴散對單元係由一第三N型金屬氧化半導體場效電晶體與一第四N型金屬氧化半導體場效電晶體對接所組成；以及一第二差動對單元，其中該第二差動對單元與該第三擴散對單元以及該第四擴散對單元電性連接；以 及該共模回授電路更用以依據該差動輸出電壓調整該全差動放大電路之至少一第二偏壓電流，以穩定該差動輸出電壓。
  7. 如請求項6所述之轉導放大器，其中該共模回授電路包含一第四懸浮閘電晶體，該第四懸浮閘電晶體用以調整該第二偏壓電流。
  8. 一種轉導電容濾波器，包含複數個電性連接之轉導放大器以及複數個電容器，其中該些轉導放大器中每一者包含：一全差動放大電路，用以接收一差動輸入電壓並提供一差動輸出電壓，其中該全差動放大電路包含複數組擴散差動對電路；一驅動偏壓電路，電性連接於該全差動放大電路，該驅動偏壓電路用以提供至少一第一偏壓電流以驅動該全差動放大電路並調整該轉導放大器之轉導值；以及一共模回授電路，電性連接於該全差動放大電路，該共模回授電路用以穩定該差動輸出電壓。
  9. 如請求項8所述之轉導電容濾波器，其中該全差動放大電路更包含一差動對電路。
  10. 一種高階濾波器，包含：複數個可串接之轉導電容濾波器，其中該些轉導電容濾波器中每一者包含複數個電性連接之轉導放大器以及複數個電容器，其中該些轉導放大器中每一者包含：一全差動放大電路，用以接收一差動輸入電壓並提供一差動輸出電壓，其中該全差動放大電路包含複數組擴散差動對電路；一驅動偏壓電路，電性連接於該全差動放大電路，該驅動偏壓電路用以提供至少一第一偏壓電流以驅動該全差動放大電路並調整該轉導放大器之轉導值；以及一共模回授電路，電性連接於該全差動放大電路，該共模回授電路用以穩定該差動輸出電壓；以及一控制模組，用以依據一外部訊號控制該些轉導電容濾波器選擇性地串接。
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