臺灣博碩士論文加值系統

在類比濾波器電路設計中，利用運算轉導放大器(Operational Transconductance Amplifier，簡稱OTA)與電容器(C)做類比電路設計是一個值得研究的方向，其主要原因為運算轉導放大器(OTA)可以等效為一個主動元件及一個電阻器，使得其所設計的電路具備以下優點: (1)使用單端輸入的OTA(可免除寄生電容的Feed-through效應)，(2)使用接地電容(可直接吸收寄生電容)，(3)使用最少的主動元件，且所有外加電容位置恰好與所有寄生電容的位置相同，吸收了寄生電容，並減少寄生效應對整體電路的影響。
雖然OTA-C的電路結構已經簡化了，由於寄生電容效應種類繁多與內部的非理想效應，會使得輸出訊號與理倫訊號產生一定的誤差，尤其電路操作在高頻時，這些寄生的效應會越明顯，所以電路在高頻時，所產生的寄生效應的探討就變得非常重要
本論文是以OTA-C的二階萬用濾波電路作為研究，先是求出電路的轉移函數，選擇合適的輸入及輸出端點，實現低通、高通、帶通、帶拒及全通的五種輸出訊號 ，接著使用Butterworth理論的二階濾波器，利用H-spice摸擬電路，比較電路的輸出波形是否與理論相符。接著對電路做敏感度的模擬與分析，討論電路因系統參數的改變對整個電路輸出訊號造成的影響，以敏感度模擬得出的結果，使得電路的輸出訊號誤差有合理的調整依據，最後利用tuning的動作來消除輸出訊號的誤差。接著以OTA的可調性調整OTA的偏壓電流(Ibias)，使得電路可在不改變C值的情況下應用在其它的頻率上。
接著討論非理想效應對電路所造成的影響。最後，本論文以H-spice軟體進行電路模擬，所使用製程參數為TSMC0.35μm，並於實際模擬結果與理論之間相互得到驗證。

Abstract

It is worthy of research to do the analogue circuit using Operational Transconductance Ampplifiers (OTAs) and Capacitors , because an OTA with the property of an active element can replace a resistor such that no resistors will be needed in the integrated circuit. In addition, the equivalent resistor value can be electronically tuned by varying the bias current.

At present, OTA circuit is designed the best circuit with minimum error generally acknowledgedly, and possessed three following advantages at the same time: (i) using single-ended-input OTAs (overcoming the feed-through effect due to the use of differential-input OTAs), (ii) using grouded capacitors (absorbing the shunt parasitic capacitance), and (iii) using the minimum components and all the parasitic capacitances have the same places as those of all the given capacitors in the realized circuits.

目錄
摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 XIII
第一章 緒 論 1
第二章 運算轉導放大器(OTA) 5
2-1 等效Nullor Model模型 5
2-2 運算轉導放大器基本特性 9
2-3 單一運算轉導放大器開迴路之特性 12
2-4 運算轉導放大器之非理想轉導值 16
2-5 運算轉導放大器之基本應用電路 20
2-6 結論 23
第三章 文獻回顧 24
3-1 濾波電路文獻回顧 26
3-2 結論 41
第四章 以OTA設計電壓式萬用濾波器 42
4-1 電壓式萬用濾波器之設計與實現 43
4-2 電路之模擬結果 51
4-2-1 電壓式二階濾波電路低通濾波訊號之模擬結果圖 52
4-2-2 電壓式二階濾波電路高通濾波訊號之模擬結果圖 53
4-2-3 電壓式二階濾波電路帶通濾波訊號之模擬結果圖 54
4-2-4 電壓式二階濾波電路帶拒濾波訊號之模擬結果圖 55
4-2-5 電壓式二階濾波電路全通濾波訊號之模擬結果圖 56
4-3 非理想電路分析 59
4-4 敏感度分析 62
4-4.1 操作頻率為50MHz時之調整情形 68
第五章 結論與未來研究方向 78
參考文獻 82

圖目錄
圖 2- 1 Nullator模型 6
圖 2- 2 正型之Norator 7
圖 2- 3 負型之Norator 7
圖 2- 4 Nullator與Norator模型 8
圖 2- 5 OTA元件符號圖 9
圖 2- 6 OTA Nullor等效模型 9
圖 2- 7 OTA之內部電路 11
圖 2- 8多輸出端之OTA內部電路 12
圖 2- 9 OTA在開迴路(open loop)下測量電路圖 13
圖 2- 10 OTA 轉導值隨頻的變化關係圖 14
圖 2- 11 OTA Ibias-Gm曲線圖 14
圖 2- 12偏壓電流大小對應轉導值與頻率關係圖 16
圖 2- 13 OTA非理想轉導模型 17
圖 2- 14電阻器轉換電路 21
圖 2- 15電壓放大電路 21
圖 2- 16電流放大電路 21
圖 2- 17電壓積分器 22
圖 2- 18電流積分器 22
圖 3- 1先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(1) 26
圖 3- 2先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(2) 28
圖 3- 3先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(3) 30
圖 3- 4先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(4) 31
圖 3- 5先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(5) 32
圖 3- 6先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(6) 33
圖 3- 7先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(7) 35
圖 3- 8先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(8) 37
圖 3- 9先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(9) 38
圖 3- 10先前學者所提出之OTA-C二階濾波電路(8) 39
圖 4- 1 電壓式二階濾波電路示意圖 42
圖 4- 2 實現式4-8之電路 46
圖 4- 3 實現式4-9之電路 46
圖 4- 4實現式4-10之電路 47
圖 4- 5 圖4-2、圖4-3及圖4-4電路結合之電路 47
圖 4- 6實現之二階萬用濾波電路 48
圖 4- 7 50MHz時低通（Low-pass）響應 52
圖 4- 8 50MHz時低通響應理論與模擬值比較 53
圖 4- 9 50MHz時高通（High-pass）響應 53
圖 4- 10 50MHz時高通響應理論與模擬值比較 54
圖 4- 11 50MHz時帶通（Band-pass）響應 54
圖 4- 12 50MHz時帶通響應理論與模擬值比較 55
圖 4- 13 50MHz時帶拒（Notch）響應 55
圖 4- 14 50MHz時帶拒響應理論與模擬值比較 56
圖 4- 15 50MHz時全通（All-pass）頻率對相角響應 56
圖 4- 16 50MHz時全通（All-pass）頻率對電壓響應 57
圖 4- 17 50MHz時全通相角理論與模擬值比較 57
圖 4- 18 50MHz時全通響應理論與模擬值比較 58
圖 4- 19主動元件之非理想模型 59
圖 4- 20 加入OTA非理想模形後之電路 60
圖 4- 21在High pass 50MHz時各OTA轉導值與頻率的關係圖 61
圖 4- 22 Lowpass g1、g2、ga、gb、C1與C2＋5%輸出頻率響應局部放大 63
圖 4- 23 Highpass g1、g2、ga、gb、C1與C2＋5%輸出頻率響應局部放大 63
圖 4- 24 Bandpass g1、g2、ga、gb、C1與C2＋5%輸出頻率響應局部放大 64
圖 4- 25 Notch g1、g2、ga、gb、C1與C2＋5%輸出頻率響應局部放大 64
圖 4- 26 Allpass g1、g2、ga、gb、C1與C2＋5%輸出頻率響應局部放大 65
圖 4- 27低通敏感度對3dB頻率關係圖 65
圖 4- 28高通敏感度對中心頻率關係圖 66
圖 4- 29帶通敏感度對3dB頻率關係圖 66
圖 4- 30帶拒敏感度對中心頻率關係圖 67
圖 4- 31全通敏感度對中心頻率關係圖 67
圖 4- 32 50MHz時經過調整（Tuning）後的低通響應與調整前(Nominal)比較 70
圖 4- 33 50MHz時經過調整（Tuning）後的高通響應與調整前(Nominal)比較 72
圖 4- 34 50MHz時經過調整（Tuning）後的帶通響應與調整前(Nominal)比較 74
圖 4- 35 50MHz時經過調整（Tuning）後的帶拒響應與調整前(Nominal)比較 75
圖 4- 36 50MHz時經過調整（Tuning）後的全通響應與調整前(Nominal)比較 77

表目錄
表 2- 1 OTA內部電路之模擬結果表 15
表 4- 1 50MHz時各參數設定值 51
表 4- 2 50MHz時低通模式下各參數值 52
表 4- 3 50MHz時高通模式下各參數值 54
表 4- 4 50MHz時帶通模式下各參數值 55
表 4- 5 50MHz時帶拒模式下各參數值 56
表 4- 6 50MHz時全通模式下各參數值 57
表 4- 7 50MHz時低通模式下各電阻值與頻率及最大值關係 68
表 4- 8 50MHz時調整（Tuning）後的低通響應設定參數值及響應量測參數值 69
表 4- 9 50MHz時高通模式下各電阻值與頻率及最大值關係 70
表 4- 10 50MHz時調整（Tuning）後的高通響應設定參數值及響應量測參數值 71
表 4- 11 50MHz時帶通模式下各電阻值與中心頻率及最大值關係 72
表 4- 12 50MHz時調整（Tuning）後的帶通響應設定參數值及響應量測參數值 73
表 4- 13 50MHz時帶拒模式下各電阻值與中心頻率及最小值關係 74
表 4- 14 50MHz時調整（Tuning）後的帶拒響應設定參數值及響應量測參數值 75
表 4- 15 10MHz時全通模式下各電阻值與中心頻率關係 76
表 4- 16 50MHz時調整（Tuning）後的全通響應設定參數值及響應量測參數值 77

參考文獻

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