臺灣博碩士論文加值系統

使用OTA來設計全波和半波整流器，論文中將介紹OTAs（
Operational Transconductance Amplifiers）電流式類比積體電路主動元件的特性、並設計建立運算轉導放大器（OTA）元件電路模型結構，接著使用TSMC 0.35µm CMOS製程中的N-MOSFET和P-MOSFET 架構出一顆OTA元件，並將此OTA元件串聯上整流器單元，經整流單元，形成電流輸出波形，再經輸出電阻RL，將其電流波形轉換為電壓輸出波型之設計。

在此論文中使用一顆OTA，可產生正半波和負半波輸出。使用二顆OTA，可產生正全波和負全波輸出。在全波整流方面可利用最後介紹BOTA（Bidirectional Operational Transconductance Amplifier）來表示全波整流電路之等效電路。

在此整流器中所使用的二極體，亦使用TSMC 0.35µm CMOS製程中的二極體元件來建立，在實驗中將全程使用H-spice來模擬驗證輸出波形理論。

The thesis is to discuss with the design of precision full-wave and half-wave rectifiers using OTAs（ Operation Transconductance Amplifiers ）. This paper will introduce the characteristic of the active OTA current-mode analog integrated circuit, and discuss the marking of OTA’s circuit structure. The OTA is designed by N-MOSFET and P-MOSFET of TSMC 0.35μm CMOS technology. Then, the output of the OTA is connected to the rectifier, thus forming rectified current waveform at the output of the rectifier. Then, through the output resistor RL, the current waveform is transformed into voltage waveform.

In this paper, the design of positive and negative half-wave rectifier uses one OTA, and the design of positive and negative full-wave rectifier uses two OTAs. In the design of the full-wave rectifier, BOTA ( Bidirectional Operational Transconductance Amplifier ) can also be used to represent the equivalent circuit of such rectifier.

The diodes used by the full-wave and half-wave rectifier also belongs to TSMC 0.35μm CMOS technology. Throughout the experiment, the H-spice is used to simulate the output waveform to confirm the waveform theory.

誌謝 I
中文摘要 II ~ III
英文摘要 IV ~ V
目錄 VI
圖表索引 VII

第一章 序論
1-1 簡介 …………………………………………………………P1-1 ~ P1-3
1-2 研究動機與目的 ……………………………………………P1-4 ~ P1-6
1-3 研究方法與步驟 ……………………………………………P1-7 ~ P1-8
第二章 電流式元件介紹
2-1 等效Nullor模型 ……………………………………………P2-1 ~ P2-3
2-2 電流傳輸器（CC）………………………………………… P2-4
2-2.1 第一代電流傳輸器（CCI+/-）………………… P2-5 ~ P2-6
2-2.2 第二代電流傳輸器（CCII+/-）…………………P2-7 ~ P2-8
2-2.3 第二代電流傳輸器應用 …………………………P2-9 ~ P2-10
2-3 電流回授放大器（Current feedback Amplifier, CFA）P2-11 ~ P2-12
2-4 運算轉導放大器…………………………………………… P2-13 ~ P2-16
2-4.1 OTA之應用 ………………………………………….… P2-16 ~ P2-17
2-5 BOTA電流式元件簡述 …………………………………… P2-18 ~ P2-19
第三章 半波全波整流器運用OTA元件設計原理
3.1 OTA原理運用在正負半波整流器……………………………P3-1 ~ P3-1
3-2 兩顆OTA等效BOTA元件之原理運用在半波全波整流器 P3-2 ~ P3-3
3-3 OTA元件原理說明、OTA model 電路設計與H-spice .LIB元件庫敘述
………………………………………………………… P3-4 ~ P3-8

第四章 二極體正負半波整流簡述
4-1 二極體正負半波整流簡述 ………………………...……P4-1 ~ P4-2
4-2 二極體正負全波整流簡述 ………………………….……P4-2
4-2.1 中心抽頭正負全波整流 ………………………………..P4-3 ~ P4-4
4-2.2 改良式中心抽頭正負全波整流 ………………………..P4-5 ~ P4-8

第五章 模擬波形驗證與結果討論
5-1 OTA元件Model電路使用H-spice 模擬驗證…………… P5-1 ~ P5-2
5-2 OTA正負半波整流………………………………………… P5-1 ~ P5-4
5-2.1 正半波整流實驗………………………………………..P5-3 ~ P5-3
5-2.2 負半波整流實驗………………………………………..P5-4 ~ P5-4
5-3 中心抽頭正負半波整流……………………………….……P5-5 ~ P5-7
5-3.1 中心抽頭正半波整流實驗……………………………..P5-5 ~ P5-6
5-3.2 中心抽頭負半波整流實驗……………………………..P5-6 ~ P5-7
5-4 改良式中心抽頭正負半波整流……………………………P5-8 ~ P5-10
5-4.1 改良式中心抽頭正半波整流…………………………..P5-8 ~ P5-9
5-4.2 改良式中心抽頭負半波整流…………………………..P5-9 ~ P5-10
5-5 中心抽頭正負全波整流……………………………………P5-11 ~ P5-13
5-5.1 中心抽頭正全波整流實驗……………………………..P5-11 ~ P5-12
5-5.2 中心抽頭負全波整流實驗……………………………..P5-12 ~ P5-13
5-6 改良式中心抽頭正負全波整流……………………………P5-14 ~ P5-17
5-6.1 改良式中心抽頭正全波整流…………………………..P5-14 ~ P5-15
5-6.2 改良式中心抽頭負全波整流…………………………..P5-15 ~ P5-16
5-6.3 改良式中心抽頭正負全波整流等效BOTA元件…….. P5-16 ~ P5-17
第六章 總結論與展望
總結論與展望…………………………………………………...P6-1 ~ P6-1

參考文獻
………………………………………………………………… Ref- 1 ~ Ref - 2


圖目錄

第一章 序論
圖1.1 步驟流程圖…………………………………………………..P1-7
圖1.2 步驟流程圖…………………………………………………..P1-8

第二章 電流式元件介紹
圖2.1 Nullor模型…………………………………………………..P2-2
圖2.2 Nullator模型………………………………………………..P2-2
圖2.3 Norator模型…………………………………………… P2-3
圖2.4 正型之Norator………………………………………… P2-3
圖2.5 負型之Norator …………………………………………P2-3
圖2.6 CCI之元件符號……………………………………………...P2-5
圖2.7 CCI+電路……………………………………………………..P2-6
圖2.8 CCI-電路……………………………………………………..P2-6
圖2.9 CCII之元件符號……………………………………………..P2-7
圖2.10 CCII+電路…………………………………………………..P2-8
圖2.11 CCII-電路……………………………………………………P2-8
圖2.12 CMOSFETs合成之CCII+電路圖………………………….. P2-8
圖2.13(a) 電壓－電流轉換器……………………………………….P2-9
圖2.13(b) 電流－電壓轉換器……………………………………….P2-9
圖2.13(c) 電壓放大器……………………………………………….P2-9
圖2.13(d) 電流放大器……………………………………………….P2-9
圖2.13(e) 電壓積分器……………………………………………….P2-9
圖2.13(f) 電流積分器……………………………………………….P2-9
圖2.13(g) 電壓微分器……………………………………………….P2-10
圖2.13(h) 電流微分器……………………………………………….P2-10
圖2.13(i) 電壓加法器…………………………………………… P2-10
圖2.13(j) 電壓減法器……………………………………………… P2-10
圖2.14 CFA的電路符號………………………………………….… P2-11
圖2.15 CFA和CCII+之等效關係圖……………………………….. P2-11
圖2.16 CFA內部等效電路…………………………………………. P2-12
圖2.17 OTA電路符號………………………………………………. P2-13
圖2.18 （a）OTA 標誌和它的等效電路
（b）轉導放大器理想模型………………….…………….P2-14
圖2.19 OTA真實等效模型…………………………………………. P2-15
圖2.20 OTA內部電路………………………………………………. P2-16
圖2.21 接地電阻…………………………………………………….P2-16
圖2.22 電壓放大器………………………………………………….P2-16
圖2.23 電流放大器………………………………………………….P2-17
圖2.24 電壓積分器………………………………………………….P2-17
圖2.25 電流積分器………………………………………………….P2-17
圖2.26 電壓控制浮接阻抗器……………………………………….P2-17
圖2.27 BOTA電路符號……………………………………………...P2-18
圖2.28 BOTA理想等效模型………………………………………...P2-18
圖2.29 利用兩顆OTA組成BOTA電流式元件…………….……... P2-19

第三章 半波全波整流器運用OTA元件設計原理
圖3.1 低電壓CMOS OTA整流器電路構想圖…………….……... P3-1
圖3.2 單一顆BOTA電流元件方式整流器
（a）兩顆OTA元件產生正負半波與全波整流電路
（b）BOTA符號表示………………………………………... P3-2
圖3.3 OTA積體電路內部結構……………………………………….P3-4
圖3.4 N型MOSFET 差動輸入對…………………………………....P3-5
圖3.5 OTA小訊號模型………………………………………..…….P3-6

第四章 二極體正負半波整流簡述
圖 4.1 輸入正弦波……………………………………………….… P4-1
圖 4.2 正電壓半波整流………………………………………….… P4-1
圖 4.3 負電壓半波整流…………………………………….……… P4-2
圖 4.4 正電壓中心抽頭全波整流……………………………….… P4-3
圖 4.5 負電壓中心抽頭全波整流……………………………….… P4-4
圖 4.6 High Frequency current conveyor
precision full-wave rectifier使用兩顆CCII設計…… P4-5
圖 4.7 改良式正全波中心抽頭整流電路……………………………P4-7
圖 4.8 改良式中心抽頭負全波整流電路……………………………P4-8

第五章 模擬波形驗證與結果討論
圖5.1 正弦波 1 Volt. 1 KHz交流電壓輸入…………………… P5-1
圖5.2 OTA元件之輸出電流值驗證波形…………………………….P5-2
圖5.3 正半波整流電路………………………………………………P5-3
圖5.4 H-spice正半波輸出波形………………………………….…P5-3
圖5.5 負半波整流電路………………………………………………P5-4
圖5.6 H-spice負半波輸出波形………………………………….…P5-4
圖5.7 中心抽頭正全波整流電路……………………………………P5-11
圖5.8 H-spice中心抽頭正全波整流輸出波形……………….……P5-12
圖5.9 中心抽頭負全波整流電路……………………………………P5-12
圖5.10 H-spice中心抽頭負全波整流輸出波形……………….… P5-13
圖5.11 改良式中心抽頭正全波整流電路………………………… P5-14
圖5.12 H-spice改良式中心抽頭正全波整流輸出波形……….… P5-15
圖5.13 改良式中心抽頭正全波整流電路………………………… P5-15
圖5.14 H-spice改良式中心抽頭負全波整流輸出波形……….… P5-16
圖5.15 BOTA改良式中心抽頭正全波整流電路………….…………P5-16
圖5.16 BOTA改良式中心抽頭負全波整流電路………….…………P5-17

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