TWI596895B - 具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法 - Google Patents

具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法 Download PDF

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Description

具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法
本發明係與濾波器(Filter)有關，特別是關於一種具有超級源極隨耦器(Super source follower)的低通濾波器(Low-pass filter,LPF)及傳輸零點控制方法。
一般而言，傳統的低通濾波器通常需在高頻操作下才會在頻率響應圖上出現傳輸零點(transmission zero)，在低頻操作下頻率響應圖上並不會有傳輸零點存在。
若要傳統的低通濾波器在低頻操作下也在頻率響應圖上出現傳輸零點，很可能就要將其電路中接收輸入電壓的金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)的寬度(Width)及長度(Length)設計得相當大，才能讓該金氧半場效電晶體之閘極與源極間的寄生電容值(Cgs)隨之變大，才有機會達到類似的效果。
然而，若需要特地將低通濾波器中之接收輸入電壓的金氧半場效電晶體的長寬尺寸設計得相當大，不僅會導致元件體積變大，亦會增加額外的設計及製造成本，不利於低通濾波器之市場競爭力。
因此，本發明提出一種具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法，以解決先前技術所遭遇到之上述問題。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種具有超級源極隨耦器之低通濾波器。於此實施例中，低通濾波器包含複數個雙二階單元。每一雙二階單元包含超級源極隨耦器、第一電容、第二電容及零點控制電容。超級源極隨耦器包含第一金氧半場效電晶體及第二金氧半場效電晶體。第一金氧半場效電晶體之閘極耦接至輸入電壓、其源極耦接至第一電容與第二電容之間且其汲極耦接至第二金氧半場效電晶體之閘極。零點控制電容耦接於第一金氧半場效電晶體之閘極與源極之間，並且零點控制電容之電容值遠大於第一金氧半場效電晶體之閘極與源極間的寄生電容值，以在低頻操作下產生一對可控制的傳輸零點。
於一實施例中，該對可控制的傳輸零點相對應之零點頻率係與零點控制電容之電容值的根號值成反比。
於一實施例中，該複數個雙二階單元係彼此串接。
於一實施例中，第一金氧半場效電晶體之源極與第二金氧半場效電晶體之汲極均耦接至一輸出電壓。
於一實施例中，彼此串接的第一電容與第二電容之一端係耦接於第一金氧半場效電晶體之汲極與第二金氧半場效電晶體之閘極之間，另一端則耦接至接地端。
根據本發明之另一較佳具體實施例為一種傳輸零點控制方法。於此實施例中，傳輸零點控制方法應用於一低通濾波器。低通濾波器包含一超級源極隨耦器、一第一電容、一第二電容及一零點控制電容。 超級源極隨耦器包含彼此串接的一第一金氧半場效電晶體及一第二金氧半場效電晶體。第一金氧半場效電晶體之閘極耦接至一輸入電壓、第一金氧半場效電晶體之源極耦接至第一電容與第二電容之間且第一金氧半場效電晶體之汲極耦接至第二金氧半場效電晶體之閘極。傳輸零點控制方法包含：將零點控制電容耦接於第一金氧半場效電晶體之閘極與源極之間；以及控制零點控制電容之電容值遠大於第一金氧半場效電晶體之閘極與源極間的一寄生電容值，使得低通濾波器操作於低頻時能產生一對可控制的傳輸零點。
相較於先前技術，根據本發明之具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法能夠在不改變接收輸入電壓的金氧半場效電晶體的長寬尺寸之前提下，實現低通濾波器在低頻操作下亦能在頻率響應圖上出現傳輸零點之具體功效，並可藉由調整零點控制電容之電容值的方式來改變出現傳輸零點之零點頻率。因此，根據本發明之具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法不僅能夠在高頻及低頻操作下均能產生傳輸零點，使其在不影響截止頻率(corner frequency)之前提下能擁有更大的衰減幅度，亦可有效改善先前技術之元件體積變大及增加額外的設計及製造成本等缺點，有助於低通濾波器之市場競爭力。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧低通濾波器
10、12‧‧‧雙二階單元
SSF‧‧‧超級源極隨耦器
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
Cz‧‧‧零點控制電容
M1‧‧‧第一金氧半場效電晶體
M2‧‧‧第二金氧半場效電晶體
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
N1‧‧‧第一接點
N2‧‧‧第二接點
L1~L3‧‧‧頻率響應曲線
f1~f3‧‧‧零點頻率
S10~S12‧‧‧步驟
圖1係繪示於一實施例中之低通濾波器包含兩個雙二階單元的示意 圖。
圖2係繪示於一實施例中之雙二階單元內之電路結構的示意圖。
圖3係繪示當零點控制電容之電容值改變時出現傳輸零點的零點頻率亦隨之改變的頻率響應圖。
圖4係繪示根據本發明之另一較佳具體實施例的傳輸零點控制方法的流程圖。
本發明係利用外加一零點控制電容使得具有超級源極隨耦器的二階低通濾波器能夠產生一對可控制的傳輸零點，藉以在不影響截止頻率之前提下能夠擁有更大的衰減幅度，並且能夠有效改善先前技術之種種缺點，提升具有超級源極隨耦器的低通濾波器之市場競爭力。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種具有超級源極隨耦器之低通濾波器。於此實施例中，低通濾波器可包含複數個雙二階單元。舉例而言，如圖1所示，低通濾波器1包含兩個雙二階單元10及12，並且兩個雙二階單元10及12係彼此串接，但不以此為限。傳送至低通濾波器1的訊號係從雙二階單元10輸入，最後係從雙二階單元12輸出。
接著，請參照圖2，圖2係繪示於一實施例中之雙二階單元10內之電路結構的示意圖。
如圖2所示，雙二階單元10可包含超級源極隨耦器SSF、第一電容C1、第二電容C2及零點控制電容Cz。其中，超級源極隨耦器SSF包含第一金氧半場效電晶體M1及第二金氧半場效電晶體M2。
於此實施例中，第一電容C1與第二電容C2係彼此串接於 電壓Vg與接地端之間；彼此串接的第一電容C1與第二電容C2之一端(亦即第一接點N1)係耦接於第一金氧半場效電晶體M1之汲極與第二金氧半場效電晶體M2之閘極之間，另一端則耦接至接地端。第一金氧半場效電晶體M1之閘極耦接至輸入電壓Vin；第一金氧半場效電晶體M1之源極耦接至第一電容C1與第二電容C2之間的第二接點N2；第一金氧半場效電晶體M1之汲極耦接至第二金氧半場效電晶體M2之閘極。第一金氧半場效電晶體M1之源極與第二金氧半場效電晶體M2之汲極均耦接至一輸出電壓Vout(亦即第二接點N2)。
需特別說明的是，第一金氧半場效電晶體M1係被設計為小尺寸，亦即並未加大其長度及寬度之尺寸。零點控制電容Cz係耦接於第一金氧半場效電晶體M1之閘極與源極之間，並且零點控制電容Cz之電容值需遠大於第一金氧半場效電晶體M1之閘極與源極間的寄生電容值(Cgs)，以使得第一金氧半場效電晶體M1之閘極與源極間的等效電容值會大致等於零點控制電容Cz之電容值。
接下來，將開始計算圖2所繪示之電路結構的轉移函數。假設電流源之阻值相當大可忽略不計，其中f為零點頻率，gm1及gm2分別為第一金氧半場效電晶體M1及第二金氧半場效電晶體M2之轉導值。
第一接點N1：(Vg-Vout)fC1+gm1(Vin-Vout)=0-------式(1)
第二接點N2：fCz(Vin-Vout)+gm1(Vin-Vout)+(Vg-Vout)fC1+gm2Vg=fC2Vout--------式(2)
根據式(1)：Vg=[-gm1Vin+(gm1+fC1)Vout]/fC1----式(3)
根據式(2)：Vg=[(gm1+fC1+fCgs1+fC2)Vout-(gm1+fCz)Vin] /(gm2+fC1)------式(4)
由於式(3)=式(4)=Vg，故可得：Vg=[-gm1Vin+(gm1+fC1)Vout]/fC1=[(gm1+fC1+fCz+fC2)Vout-(gm1+fCz)Vin]/(gm2+fC1)---式(5)
由於此處欲計算的是傳輸零點，亦即Vout=0，所有與Vout相關之項均可忽略不計，故根據式(5)可得：gm1gm2+gm1fC1=f2C1Cz+gm1fC1
由式(6)可知：傳輸零點相對應之零點頻率f係與零點控制電容Cz之電容值的根號值成反比。
請參照圖3，圖3係繪示當零點控制電容Cz之電容值改變時出現傳輸零點的零點頻率亦隨之改變的頻率響應圖。
如圖3所示，舉例而言，L1~L3分別代表零點控制電容Cz之電容值為1pF、2pF、4pF時之頻率響應曲線，其相對應之出現傳輸零點的零點頻率分別為f1~f3。由於當零點控制電容Cz之電容值由1pF變為2pF，亦即放大兩倍時，零點頻率會由f1變為f2，並且f2：f1大致等於(亦即0.707)。因此，本發明即可藉由調整零點控制電容Cz之電容值的方式來改變出現傳輸零點之零點頻率。
根據本發明之另一較佳具體實施例為一種傳輸零點控制方法。於此實施例中，該傳輸零點控制方法可應用於一低通濾波器。低通濾波器可包含一超級源極隨耦器、一第一電容、一第二電容及一零點控 制電容。超級源極隨耦器包含彼此串接的一第一金氧半場效電晶體及一第二金氧半場效電晶體。第一金氧半場效電晶體之閘極耦接至一輸入電壓、第一金氧半場效電晶體之源極耦接至第一電容與第二電容之間且第一金氧半場效電晶體之汲極耦接至第二金氧半場效電晶體之閘極。
請參照圖4，圖4係繪示此實施例中之傳輸零點控制方法的流程圖。
如圖4所示，傳輸零點控制方法可包含下列步驟： 步驟S10：將零點控制電容耦接於第一金氧半場效電晶體之閘極與源極之間；以及 步驟S12：控制零點控制電容之電容值遠大於第一金氧半場效電晶體之閘極與源極間的一寄生電容值，使得低通濾波器操作於低頻時能產生一對可控制的傳輸零點。
相較於先前技術，根據本發明之具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法能夠在不改變接收輸入電壓的金氧半場效電晶體的長寬尺寸之前提下，實現低通濾波器在低頻操作下亦能在頻率響應圖上出現傳輸零點之具體功效，並可藉由調整零點控制電容之電容值的方式來改變出現傳輸零點之零點頻率。因此，根據本發明之具有超級源極隨耦器的低通濾波器及傳輸零點控制方法不僅能夠在高頻及低頻操作下均能產生傳輸零點，使其在不影響截止頻率之前提下能擁有更大的衰減幅度，亦可有效改善先前技術之元件體積變大及增加額外的設計及製造成本等缺點，有助於低通濾波器之市場競爭力。
由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述 本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
10‧‧‧雙二階單元
SSF‧‧‧超級源極隨耦器
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
Cz‧‧‧零點控制電容
M1‧‧‧第一金氧半場效電晶體
M2‧‧‧第二金氧半場效電晶體
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
N1‧‧‧第一接點
N2‧‧‧第二接點

Claims (9)

  1. 一種具有超級源極隨耦器之低通濾波器，包含：複數個雙二階單元，每一雙二階單元包含：一第一電容；一第二電容，與該第一電容彼此串接；一超級源極隨耦器，包含一第一金氧半場效電晶體及一第二金氧半場效電晶體，其中該第一金氧半場效電晶體之閘極耦接至一輸入電壓、該第一金氧半場效電晶體之源極耦接至該第一電容與該第二電容之間且該第一金氧半場效電晶體之汲極耦接至該第二金氧半場效電晶體之閘極；以及一零點控制電容，耦接於該第一金氧半場效電晶體之閘極與源極之間，並且該零點控制電容之電容值遠大於該第一金氧半場效電晶體之閘極與源極間的一寄生電容值，以使得該具有超級源極隨耦器之低通濾波器操作於低頻時能產生一對可控制的傳輸零點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有超級源極隨耦器之低通濾波器，其中該對可控制的傳輸零點相對應之零點頻率係與該零點控制電容之電容值的根號值成反比。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有超級源極隨耦器之低通濾波器，其中該複數個雙二階單元係彼此串接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具有超級源極隨耦器之低通濾波器，其中該第一金氧半場效電晶體之源極與該第二金氧半場效電晶體之汲極均耦接至一輸出電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具有超級源極隨耦器之低通濾波器，其中彼此串接的該第一電容與該第二電容之一端係耦接於該第一 金氧半場效電晶體之汲極與該第二金氧半場效電晶體之閘極之間，另一端則耦接至接地端。
  6. 一種傳輸零點控制方法，應用於一低通濾波器，該低通濾波器包含一超級源極隨耦器、一第一電容、一第二電容及一零點控制電容，該超級源極隨耦器包含彼此串接的一第一金氧半場效電晶體及一第二金氧半場效電晶體，該第一金氧半場效電晶體之閘極耦接至一輸入電壓、該第一金氧半場效電晶體之源極耦接至該第一電容與該第二電容之間且該第一金氧半場效電晶體之汲極耦接至該第二金氧半場效電晶體之閘極，該傳輸零點控制方法包含下列步驟：將該零點控制電容耦接於該第一金氧半場效電晶體之閘極與源極之間；以及控制該零點控制電容之電容值遠大於該第一金氧半場效電晶體之閘極與源極間的一寄生電容值，使得該低通濾波器操作於低頻時能產生一對可控制的傳輸零點。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之傳輸零點控制方法，其中該對可控制的傳輸零點相對應之零點頻率係與該零點控制電容之電容值的根號值成反比。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之傳輸零點控制方法，其中該第一金氧半場效電晶體之源極與該第二金氧半場效電晶體之汲極均耦接至一輸出電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之傳輸零點控制方法，其中彼此串接的該第一電容與該第二電容之一端係耦接於該第一金氧半場效電晶體之汲極與該第二金氧半場效電晶體之閘極之間，另一端則耦接至接地端。
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