TWI611659B - 可調阻值式虛擬電阻 - Google Patents

Abstract

一種可調阻值式虛擬電阻，包括第一電晶體以及第二電晶體。第一電晶體具有第一端、第二端以及控制端。第一電晶體的第一端用以作為可調阻值式虛擬電阻的第一端。第一電晶體的控制端用以接收控制電壓。第一電晶體受控於控制電壓而操作在弱反轉區。第二電晶體具有第一端、第二端以及控制端。第二電晶體的第一端耦接第一電晶體的第二端。第二電晶體的第二端與第二電晶體的控制端相耦接以作為可調阻值式虛擬電阻的第二端。第二電晶體操作在弱反轉區。

Description

可調阻值式虛擬電阻

本發明是有關於一種虛擬電阻，且特別是有關於一種可調阻值式虛擬電阻。

在醫療電子的技術領域中，醫療設備所接收的信號乃是音頻的生理信號。醫療設備接收端的音頻帶通濾波器須確實地濾除所接收的信號中的低頻雜訊，方能精確地擷取出生理信號以進行後續的分析及處理。一般來說，音頻帶通濾波器須採用高阻抗的電阻，才能實現其對頻寬的要求。而常見的作法是在具音頻帶通濾波器的晶片外部配置高阻值的電阻器，然而此種高阻值的電阻器通常具有較大的體積而會佔據較大的空間。

因此，近年來開始採用金氧半場效電晶體來實現具高阻值的虛擬電阻，其主要是利用金氧半場效電晶體操作於弱反轉區(weak inversion region)的微小電流，搭配其兩端的固定跨壓，來實現近似高阻抗的電阻。同時，也因為使用了金氧半場效電晶體實現虛擬電阻，讓整體電路可以完全晶片化設計。如圖1所示，虛擬電阻900可包括彼此串接的金氧半場效電晶體910及920，其中金氧半場效電晶體910及920乃同時受控於控制電壓Vctrl而操作在弱反轉區，並可透過控制電壓Vctrl來調整虛擬電阻900的電阻值。但也因金氧半場效電晶體910及920必須操作於弱反轉區的緣故，故在使用上需限制虛擬電阻900的兩端(即第一端N1及第二端N2)的信號振幅，以避免虛擬電阻900的電阻值變化過大。由於虛擬電阻900的兩端的信號振幅受到限制，導致虛擬電阻900的應用受到侷限。

有鑑於此，本發明提供一種可調阻值式虛擬電阻，可降低虛擬電阻兩端的信號振幅對虛擬電阻的電阻值的影響，以讓虛擬電阻的應用更加廣泛。

本發明的可調阻值式虛擬電阻包括第一電晶體以及第二電晶體。第一電晶體具有第一端、第二端以及控制端。第一電晶體的第一端用以作為可調阻值式虛擬電阻的第一端。第一電晶體的控制端用以接收控制電壓。第一電晶體受控於控制電壓而操作在弱反轉區。第二電晶體具有第一端、第二端以及控制端。第二電晶體的第一端耦接第一電晶體的第二端，且第二電晶體的第二端與第二電晶體的控制端相耦接以作為可調阻值式虛擬電阻的第二端。第二電晶體受限於導通電流極小，同樣地操作於弱反轉區。

在本發明的一實施例中，上述的第一電晶體及第二電晶體的每一者為P型金氧半場效電晶體。

在本發明的一實施例中，上述的控制電壓的電壓值為可調整的，且大於0伏特。

在本發明的一實施例中，上述的第一電晶體的基體端耦接第一電晶體的第一端。

在本發明的一實施例中，上述的第二電晶體的基體端耦接第二電晶體的第二端。

在本發明的一實施例中，上述的第一電晶體及第二電晶體的每一者為N型金氧半場效電晶體。

在本發明的一實施例中，第一電晶體的第一端為信號輸入端，而第二電晶體的第二端為信號輸出端，且第二電晶體的第二端的信號變化量大於第一電晶體的第一端的信號變化量。

在本發明的一實施例中，上述的控制電壓的電壓值為0伏特。

在本發明的一實施例中，上述的第一電晶體的基體端耦接第一電晶體的第一端，且第二電晶體的基體端耦接第二電晶體的第二端。

基於上述，本發明實施例所提出的可調阻值式虛擬電阻的設計不僅具有高阻值與可調阻值之特點，還可降低虛擬電阻兩端的信號變化對虛擬電阻的電阻值的影響，因此在應用上無須限制虛擬電阻兩端的電壓大小，可讓虛擬電阻的應用更加廣泛。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為了使本發明的內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件，是代表相同或類似部件。

以下請參照圖2，圖2是依照本發明一實施例所繪示的可調阻值式虛擬電阻100(下稱虛擬電阻100)的電路架構示意圖。虛擬電阻100可包括第一電晶體110以及第二電晶體120。第一電晶體110具有第一端111、第二端112以及控制端113。第一電晶體110的第一端111可用以作為虛擬電阻100的第一端N1。第一電晶體110的控制端113用以接收控制電壓Vctrl。第一電晶體110可受控於控制電壓Vctrl而操作在弱反轉區。

第二電晶體120具有第一端121、第二端122以及控制端123。第二電晶體120的第一端121耦接第一電晶體110的第二端112。第二電晶體120的第二端122與第二電晶體120的控制端123相耦接以作為虛擬電阻100的第二端N2。其中第二電晶體120同樣操作在弱反轉區。

在圖2所示的實施例中，第一電晶體110及第二電晶體120為P型金氧半場效電晶體，但本發明並不以此為限。

在圖2所示的實施例中，第一電晶體110的基體端114耦接第一電晶體110的第一端111，且第二電晶體120的基體端124耦接第二電晶體120的第二端122，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，第一電晶體110的基體端114也可耦接第一電晶體110的第二端112，而第二電晶體120的基體端124可耦接第二電晶體120的第一端121，端視實際應用或設計需求而定。

在實際的運作上，在此假設虛擬電阻100的第一端N1為信號輸入端，而虛擬電阻100的第二端N2為信號輸出端，且第二端N2的信號變化量大於第一端N1的信號變化量。由於第二電晶體120的控制端123與其第二端122相耦接以作為虛擬電阻100的第二端N2(即信號輸出端)，故第二電晶體120的控制端123及其第二端122可同時隨著信號輸出端的信號變化而改變。也就是說，無論信號輸出端的信號如何變化，第二電晶體120的控制端123及其第二端122之間的電壓差將保持不變(即0伏特)，故第二電晶體120可操作在弱反轉區，且可降低信號輸出端的信號變化對第二電晶體120的第一端121與第二端122之間阻值的影響。

另一方面，控制電壓Vctrl的電壓值為可調整的，且大於0伏特，致使第一電晶體110可根據控制電壓Vctrl而操作在弱反轉區，並可根據控制電壓Vctrl來調整第一電晶體110的第一端111與第二端112之間的電阻值，從而達到調整虛擬電阻100的電阻值的目的。

總的來說，藉由第一電晶體110與第二電晶體120的組合，可讓虛擬電阻100具有高阻值以及可調阻值之特點，還可降低信號輸出端的信號變化對虛擬電阻100的電阻值的影響，因此可讓虛擬電阻100的應用範圍更加廣泛。

以下請同時參照圖1~圖3，圖3繪示了虛擬電阻100、900的兩端的電壓變化對虛擬電阻的電阻值100、900的影響示意圖，其中圖3的橫軸為虛擬電阻100、900的第二端N2的電壓值VN2，圖3上半部的縱軸為虛擬電阻100、900兩端的電壓差值VE，而圖3下半部的縱軸為虛擬電阻100、900的電阻值R_PSE。詳細來說，於圖3中，波形301為圖1的虛擬電阻900的第一端N1的電壓以及控制電壓Vctrl分別為0.9伏特以及1.8伏特的情況下，虛擬電阻900的第二端N2的電壓值VN2由0伏特變化至1.8伏特所對應的虛擬電阻900的電阻值；波形302為圖2的虛擬電阻100的第一端N1的電壓以及控制電壓Vctrl分別為0.9伏特以及1.8伏特的情況下，虛擬電阻100的第二端N2的電壓值VN2由0伏特變化至1.8伏特所對應的虛擬電阻100的電阻值；而波形303則為虛擬電阻100的兩端(即第一端N1與第二端N2)的電壓差或是虛擬電阻900的兩端的電壓差。

根據圖3可看出，當虛擬電阻900的兩端的電壓差值VE大於0.45伏特或小於-0.45伏特時，虛擬電阻900的電阻值會有驟降的情況發生，因此在需要穩定電阻值的應用情境下，虛擬電阻900的兩端電壓差值VE勢必得限制在-0.45伏特與0.45伏特之間。相較於虛擬電阻900，虛擬電阻100的電阻值則相對較為隱定，這是因為虛擬電阻100的第二電晶體120之控制端123與其第二端122之間的電壓差保持不變(亦即不受虛擬電阻100的第二端N2的電壓變化的影響)，使得虛擬電阻100的第二端N2的電壓變化對第二電晶體120的第一端121與第二端122之間的電阻值的影響相對較小，故對虛擬電阻100的電阻值的影響相對有限。也就是說，在採用虛擬電阻100的各種應用中，設計者可無須對虛擬電阻100的兩端電壓大小進行限制，故虛擬電阻100能夠應用的範圍將更為廣泛。

以下請參照圖4，圖4是依照本發明另一實施例所繪示的可調阻值式虛擬電阻200(下稱虛擬電阻200)的電路架構示意圖。虛擬電阻200可包括第一電晶體210以及第二電晶體220。第一電晶體210具有第一端211、第二端212、控制端213以及基體端214。第二電晶體220具有第一端221、第二端222、控制端223以及基體端224。第一電晶體210以及第二電晶體220的耦接方式分別類似於圖2的第一電晶體110以及第二電晶體120的耦接方式，故可參考上述圖2的相關說明，在此不再贅述。

相較於圖2的第一電晶體110以及第二電晶體120為P型金氧半場效電晶體，且控制電壓Vctrl的電壓值大於0伏特，圖4的第一電晶體210以及第二電晶體220乃是N型金氧半場效電晶體，且控制電壓Vctrl的電壓值為0伏特。在實際的運作上，圖4的第一電晶體210以及第二電晶體220皆操作在弱反轉區，且圖4的虛擬電阻200的運作及功效亦類似於圖2的虛擬電阻100，故可參酌上述的相關說明，在此不再贅述。

以下請參照圖5，圖5是採用本發明圖2或圖4的虛擬電阻100、200所實現的帶通濾波器10。帶通濾波器10可包括運算放大器OP、電容C1~C4以及電阻R1、R2。電容C1的第一端用以接收第一輸入信號VIP。電容C1的第二端耦接運算放大器OP的非反相輸入端。電容C2的第一端用以接收第二輸入信號VIN。電容C2的第二端耦接運算放大器OP的反相輸入端。第一輸入信號VIP與第二輸入信號VIN可為差動輸入信號，但本發明並不以此為限。

電容C3與電阻R1並聯連接，且耦接在運算放大器OP的非反相輸入端與反相輸出端之間，以輸出第一輸出信號VOP。電容C4與電阻R2並聯連接，且耦接在運算放大器OP的反相輸入端與非反相輸出端之間，以輸出第二輸出信號VON。第一輸出信號VOP與第二輸出信號VON可為差動輸出信號，但本發明並不以此為限。由於帶通濾波器10的運作為本領域技術人員所熟悉，故在此不再贅述。

值得一提的是，電阻R1及R2可採用圖2所示的虛擬電阻100或是圖4所示的虛擬電阻200來實現。由於虛擬電阻100及200具有穩定的高阻值的特點，致使帶通濾波器10具有穩定的低截止頻率之特性，故可應用在生醫技術領域中以對極低頻的音頻信號進行濾波處理，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，圖2的虛擬電阻100以及圖4的虛擬電阻200還可應用在任何需要穩定高阻值的類比電路中。

綜上所述，本發明實施例所提出的虛擬電阻的設計不僅具有高阻值與可調阻值之特點，還可降低虛擬電阻兩端的信號變化對虛擬電阻的電阻值的影響，因此在應用上無須限制虛擬電阻兩端的電壓大小，可讓虛擬電阻的應用更加廣泛。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧帶通濾波器
100、200、900‧‧‧虛擬電阻
110、210、910‧‧‧第一電晶體
111、121、211、221、N1‧‧‧第一端
112、122、212、222、N2‧‧‧第二端
113、123、213、223‧‧‧控制端
114、124、214、224‧‧‧基體端
120、220、920‧‧‧第二電晶體
301、302、303‧‧‧波形
C1、C2、C3、C4‧‧‧電容
OP‧‧‧運算放大器
R1、R2‧‧‧電阻
R_PSE‧‧‧電阻值
VE‧‧‧電壓差值
VIN‧‧‧第二輸入信號
VIP‧‧‧第一輸入信號
VN2‧‧‧電壓值

VON‧‧‧第二輸出信號

VOP‧‧‧第一輸出信號

Vctrl‧‧‧控制電壓

下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。 圖1是習知的一種虛擬電阻的電路架構示意圖。 圖2是依照本發明一實施例所繪示的可調阻值式虛擬電阻的電路架構示意圖。 圖3繪示了虛擬電阻的兩端的電壓變化對虛擬電阻的電阻值的影響示意圖。 圖4是依照本發明另一實施例所繪示的可調阻值式虛擬電阻的電路架構示意圖。 圖5是採用本發明圖2或圖4的虛擬電阻所實現的帶通濾波器。

100‧‧‧虛擬電阻

110‧‧‧第一電晶體

111、121、N1‧‧‧第一端

112、122、N2‧‧‧第二端

113、123‧‧‧控制端

114、124‧‧‧基體端

120‧‧‧第二電晶體

Vctrl‧‧‧控制電壓

Claims (8)

1. 一種可調阻值式虛擬電阻，包括：一第一電晶體，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第一電晶體的該第一端用以作為該可調阻值式虛擬電阻的第一端，且該第一電晶體的控制端用以接收一控制電壓，其中該第一電晶體受控於該控制電壓；以及一第二電晶體，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第二電晶體的該第一端耦接該第一電晶體的該第二端，且該第二電晶體的該第二端與該第二電晶體的該控制端相耦接以作為該可調阻值式虛擬電阻的第二端，其中該第一電晶體操作在一弱反轉區(weak inversion region)。
2. 如申請專利範圍第1項所述的可調阻值式虛擬電阻，其中該第二電晶體操作在該弱反轉區。
3. 如申請專利範圍第1項所述的可調阻值式虛擬電阻，其中該第一電晶體及該第二電晶體的每一者為一P型金氧半場效電晶體。
4. 如申請專利範圍第1項所述的可調阻值式虛擬電阻，其中該控制電壓的電壓值為可調整的，且大於0伏特。
5. 如申請專利範圍第1項所述的可調阻值式虛擬電阻，其中該第一電晶體的一基體端耦接該第一電晶體的該第一端。
6. 如申請專利範圍第1項所述的可調阻值式虛擬電阻，其中該第二電晶體的一基體端耦接該第二電晶體的該第二端。
7. 如申請專利範圍第1項所述的可調阻值式虛擬電阻，其中該第一電晶體及該第二電晶體的每一者為一N型金氧半場效電晶體。
8. 如申請專利範圍第1項所述的可調阻值式虛擬電阻，其中該第一電晶體的該第一端為信號輸入端，而該第二電晶體的該第二端為信號輸出端，且該第二電晶體的該第二端的信號變化量大於該第一電晶體的該第一端的信號變化量。