滤波放大器的制作方法

本发明涉及一种放大器电路，尤其涉及一种滤波放大器。

背景技术：

在现有滤波放大电路架构中，由于搭配于放大器的传统电阻元件面积较大，且无法做到极大或极小的电阻值，导致滤波放大器的滤波频段有限，因此通常会利用晶体管的特定工作特性作为虚拟电阻(pseudo-resistor)应用在滤波放大器的电阻元件。然而，一般利用晶体管作为虚拟电阻的方式仍无法准确的控制电阻值，以精确地控制滤波放大器的滤波频段。有鉴于此，如何扩展滤波放大器的滤波频段，并且可有效提高滤波放大器的精确度，为业界致力解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种滤波放大器，可扩展滤波放大器的滤波频段，并且可有效提高滤波放大器的精确度。

本发明的滤波放大器包括放大器电路以及控制电路。放大器电路包括第一放大器以及第一晶体管。第一晶体管的第一端耦接第一放大器的第一输入端。控制电路包括第二放大器、第二晶体管以及电阻。第一晶体管的第一端耦接第一放大器的第一输入端。第二晶体管的第一端耦接第二放大器的第一输入端。第二晶体管的控制端耦接第二放大器的输出端以及第一晶体管的控制端。电阻的一端耦接第二放大器的第一输入端。

在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管与第二晶体管的所有相应端为等电位。第一晶体管与第二晶体管的宽长比为n：m。电阻的电阻值为r。第一晶体管的等效电阻值为r*m/n。

在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管的第一端与第二晶体管的第一端为相同电位。第一晶体管的第二端与第二晶体管的第二端为相同电位。

在本发明的一实施例中，上述的第一放大器的第二输入端以及第二放大器的第二输入端耦接相同电位。

在本发明的一实施例中，上述的控制电路还包括截波器以及比较器。截波器耦接第二放大器的第一输入端以及第二输入端。截波器用以交换第二放大器的第一输入端以及第二输入端的电压输入路径。比较器耦接截波器。比较器用以比较第一放大器的输出端以及电阻的另一端的电压，以产生切换电压至截波器。

在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管的第二端耦接第一放大器的输出端。第二晶体管的第二端耦接第一放大器的输出端。

在本发明的一实施例中，上述的电阻的另一端耦接对应于第一放大器的输出端所提供的输出电压的另一输出电压。

在本发明的一实施例中，上述的第一放大器的第一输入端经由第一晶体管的第二端接收输入电压。

在本发明的一实施例中，上述的电阻的另一端耦接对应于第一放大器的第一输入端经由第一晶体管的第二端所接收的输入电压的另一输入电压。

在本发明的一实施例中，上述的放大器电路还包括第三晶体管以及第二控制电路。第三晶体管的第一端耦接第一放大器的第二输入端。第二控制电路耦接第三晶体管的控制端，并且提供控制电压以决定第三晶体管的等效电阻值。

基于上述，本发明的滤波放大器可利用应用主动式虚拟电阻(activepseudo-resistor)的控制架构下的晶体管，来等效为滤波放大器的电路架构当中的电阻，以提供较广的滤波频段及精确的滤波功能。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1是依照本发明的一实施例的滤波放大器的电路示意图；

图2是依照本发明的一实施例的控制电路的电路示意图；

图3是依照本发明的另一实施例的滤波放大器的电路示意图；

图4是依照本发明的另一实施例的控制电路的电路示意图；

图5是依照本发明的一实施例的差动滤波放大器电路的电路示意图；

图6是依照图5实施例的控制电路的电路示意图；

图7是依照本发明的实施例的反向放大器电路的电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，代表相同或类似部件。

图1是依照本发明的一实施例的滤波放大器的电路示意图。参考图1，滤波放大器100包括放大器电路110以及控制电路120。放大器电路110包括放大器111、晶体管112以及电容113。晶体管112的第一端耦接放大器111的输入端，并且晶体管112的第二端耦接放大器111的输出端。电容113的第一端耦接放大器111的第一输入端，并且电容113的第二端耦接放大器111的输出端。放大器111的第一输入端接收输入电压vin，并且放大器111的输出端提供输出电压vout。晶体管112的控制端接收控制电压vg。在本实施例中，晶体管112用于实现一种主动式虚拟电阻(activepseudo-resistor)的控制架构。当晶体管112的三端电压被控制电路120固定时，晶体管112的虚拟电阻(pseudo-resistor)值可通过电阻123调整，以使放大器电路110对输入电压vin稳定地进行滤波。

控制电路120包括放大器121、晶体管122以及电阻123。晶体管122的第一端耦接放大器121的第一输入端，以形成反馈路径(例如负反馈)，并且晶体管122的第二端耦接放大器111的输出端。晶体管112与晶体管122匹配。晶体管122的控制端耦接放大器121的输出端，并且放大器121的输出端耦接晶体管112的控制端以及晶体管122的控制端。放大器121的输出端提供控制电压vg至晶体管112的控制端以及晶体管122的控制端。在一实施例中，电阻123为可调电阻(variableresistor)。电阻123的一端耦接放大器121的第一输入端，并且电阻123的另一端接收另一输出电压voutn。放大器121的第二输入端耦接放大器111的第二输入端。在本实施例中，由于晶体管112的第二端与晶体管122的第二端皆接收由放大器111输出端提供的输出电压vout，因此晶体管112的第二端与晶体管122的第二端为等电位。

晶体管112、122可为n型晶体管或p型晶体管，本发明不限制晶体管112、122的类型。在一实施例中，晶体管112、122可例如是n型金氧半导体(n-typemetaloxidesemiconductor,nmos)晶体管或p型金氧半导体(p-typemetaloxidesemiconductor,pmos)晶体管。

在本实施例中，放大器111的第一输入端具有第一电压va，并且放大器111的第二输入端具有第二电压vcm(共模电压)。放大器121的第一输入端具有第三电压vb。由于放大器111的第二输入端耦接至放大器121的第二输入端，因此放大器111的第二输入端以及放大器121的第二输入端为相同电位，例如具有第二电压vcm。对此，本实施例的滤波放大器100符合以下公式(1)～(2)，并且晶体管122与电阻123符合以下公式(3)～(5)。

va＝vcm＝vb………………………(1)

|vout-vcm|＝|vcm-voutn|………………………(2)

vr＝vds………………………(3)

ir＝ids………………………(4)

r＝rds2………………………(5)

在上述公式(1)中，第一电压va、第二电压vcm以及第三电压vb为相同。在上述公式(2)中，输出电压vout与第一电压va(等同于第二电压vcm)相减后的绝对值等于第一电压va与另一输出电压voutn相减后的绝对值。换言之，本实施例的另一输出电压voutn可经设计以使与输出电压vout相关，其电压关系例如是vout<vcm<voutn，或vout>vcm>voutn，并满足以上公式(2)。在上述公式(3)中，电阻123的跨压vr等于晶体管122的跨压vds。在上述公式(4)中，通过电阻123的电流值ir等于通过晶体管122的电流值ids。在上述公式(5)中，电阻123的电阻值r等于晶体管122的等效电阻值rds2。

基于上述公式(1)～(5)以及滤波放大器100的电路架构可进一步推知，晶体管112与晶体管122具有相同的跨压vds。因此，如以下公式(6)，晶体管112的长宽比(w1/l1)与晶体管122的长宽比(w2/l2)为n：m，并且晶体管112的等效电阻值rds1与晶体管122的等效电阻值rds2的比例关系为n：m。换言之，由于晶体管112与晶体管122的宽长比为n：m，因此晶体管112的等效电阻值为r*m/n。在本实施例中，电阻123的电阻值r、晶体管112以及晶体管122之间的等效电阻关系将符合以下公式(7)。

据此，本实施例的晶体管112的虚拟电阻值与电阻123的电阻值以及晶体管112与晶体管122的宽长比相关。换言之，使用者可通过设计电阻123的电阻值r、晶体管112的长宽比n以及晶体管122的长宽比m，以获得任意所需的晶体管112的等效电阻值rds1，以使晶体管112经设计后可等效于极大或极小的电阻值，并且通过控制晶体管122的三端电压以达到精准控制晶体管112的等效电阻值rds1的效果。

图2是依照本发明的一实施例的控制电路的电路示意图。参考图2，图2的控制电路220为适用于图1的滤波放大器100的另一种控制电路的实施方式。在本实施例中，控制电路220包括放大器221、晶体管222、电阻223、截波器(chopper)224以及比较器225。图1的晶体管112与晶体管222匹配。晶体管222的第一端耦接放大器221的第一输入端，并且晶体管222的第二端耦接如图1的放大器电路110的输出电压vout。晶体管222的控制端耦接放大器221的输出端，并且放大器221的输出端耦接如图1的放大器电路110的控制电压vg以及晶体管222的控制端。放大器221的输出端提供控制电压vg至晶体管222的控制端。电阻223的一端耦接放大器221的第一输入端，并且电阻223的另一端接收另一输出电压voutn。放大器221的第二输入端耦接如图1的第二电压vcm。放大器221的第一输入端以及第二输入端为等电位，例如具有第三电压vb。

在本实施例中，截波器224耦接放大器221的第一输入端以及第二输入端。截波器224用以交换放大器221的第一输入端以及第二输入端的电压输入路径。比较器225耦接截波器224。比较器225用以比较如图1的放大器电路110的输出电压vout(即放大器111的输出端)以及电阻223的另一端的电压，以产生切换电压sel至截波器224。在本实施例中，由于输入电压vin为随时间变化的电压信号，例如是弦波信号，因此如图1的放大器电路110的输出电压vout可能高于或低于第二电压vcm。对此，截波器224可对应切换放大器221的第一输入端以及第二输入端的电路路径。

具体而言，如图1的放大器电路110所接收的输入电压vin可例如取自心电图(electrocardiogram,ecg)信号，因此比较器225可依据如图1的放大器电路110输出的输出电压vout来实时切换放大器221的第一输入端以及第二输入端，以维持反馈路径。并且，本实施例的控制电路220与图1的放大器电路110结合后，符合上述公式(1)～(7)，因此关于公式(1)～(7)的详细说明可参考并类推上述图1实施例的教示，在此不再赘述。

图3是依照本发明的另一实施例的滤波放大器的电路示意图。参考图3，滤波放大器300包括放大器电路310以及控制电路320。放大器电路310包括放大器311、晶体管312以及电容313。晶体管312的第一端耦接放大器311的输入端，并且晶体管312的第二端接收输入电压vin。电容313的第一端耦接放大器311的第一输入端，并且电容313的第二端耦接放大器311的输出端。电阻314的第一端耦接放大器311的第一输入端，并且电阻314的第二端耦接放大器311的输出端。放大器311的第一输入端经由晶体管312接收输入电压vin，并且放大器311的输出端提供输出电压vout。晶体管312的控制端接收控制电压vg。在本实施例中，晶体管312用于实现一种主动式虚拟电阻的控制架构。当晶体管312的三端电压被控制电路120固定时，晶体管312的虚拟电阻值可通过电阻323调整，以使放大器电路310对输入电压vin稳定地进行滤波。

控制电路320包括放大器321、晶体管322以及电阻323。晶体管322的第一端耦接放大器321的第一输入端，以形成反馈路径，并且晶体管322的第二端耦接放大器311的第一输入端。晶体管312与晶体管322匹配。晶体管322的控制端耦接放大器321的输出端，并且放大器321的输出端耦接晶体管312的控制端以及晶体管322的控制端。放大器321的输出端提供控制电压vg至晶体管312的控制端以及晶体管322的控制端。在一实施例中，电阻323为可调电阻。电阻323的一端耦接放大器321的第一输入端，并且电阻323的另一端接收另一输入电压vinn。本实施例的另一输入电压vinn可经设计以使与输入电压vin相关，其电压关系例如是vin<vcm<vinn，或vin>vcm>vinn，并满足以下公式(8)。放大器321的第二输入端耦接放大器311的第二输入端。在本实施例中，由于晶体管312的第二端与晶体管322的第二端皆接收由放大器311输出端提供的输出电压vout，因此晶体管312的第二端与晶体管122的第二端为等电位。

|vin-vcm|＝|vcm-vinn|………………………(8)

在本实施例中，放大器311的第一输入端具有第一电压va，并且放大器311的第二输入端具有第二电压vcm(共模电压)。放大器321的第一输入端具有第三电压vb。由于放大器311的第二输入端耦接至放大器321的第二输入端，因此放大器311的第二输入端以及放大器321的第二输入端为相同电位，例如具有第二电压vcm。对此，本实施例的滤波放大器300可同样类推如上述公式(1)～(7)的结果，因此滤波放大器300的相关电性特性可参考上述图1实施例的说明，在此不再赘述。据此，使用者可通过设计电阻323的电阻值、晶体管312的长宽比以及晶体管322的长宽比，以获得任意所需的晶体管312的等效电阻值，以使晶体管312经设计后可等效于极大或极小的电阻值，并且通过控制晶体管322的三端电压以达到精准控制晶体管312的等效电阻值rds1的效果。

图4是依照本发明的另一实施例的控制电路的电路示意图。参考图4，

图4的控制电路420为适用于图3的滤波放大器300的另一种控制电路的实施方式。在本实施例中，控制电路420包括放大器421、晶体管422、电阻423、截波器424以及比较器425。图3的晶体管312与晶体管422匹配。晶体管422的第一端耦接放大器421的第一输入端，并且晶体管422的第二端耦接如图3的放大器电路310的输入电压vin。晶体管422的控制端耦接放大器421的输出端，并且放大器421的输出端耦接如图3的放大器电路310的控制电压vg以及晶体管422的控制端。放大器421的输出端提供控制电压vg至晶体管422的控制端。电阻423的一端耦接放大器421的第一输入端，并且电阻423的另一端接收另一输入电压vin。放大器421的第二输入端耦接如图3的第二电压vcm。放大器421的第一输入端以及第二输入端为等电位，例如具有第三电压vb。

在本实施例中，截波器424耦接放大器421的第一输入端以及第二输入端。截波器424用以交换放大器421的第一输入端以及第二输入端的电压输入路径。比较器425耦接截波器424。比较器425用以比较如图3的放大器电路310的输入电压vin(即放大器311的输入端)以及电阻423的另一端的电压，以产生切换电压sel至截波器424。在本实施例中，由于输入电压vin为随时间变化的电压信号，例如是弦波信号，因此如图3的放大器电路310的输入电压vin可能高于或低于第二电压vcm。对此，截波器424可对应切换放大器421的第一输入端以及第二输入端的电路路径。

具体而言，如图3的放大器电路310所接收的输入电压vin可例如取自心电图信号，因此比较器425可依据如图3的放大器电路310输出的输出电压vout来实时切换放大器421的第一输入端以及第二输入端，以维持反馈路径。并且，本实施例的控制电路420与图3的放大器电路310结合后，可同样类推如上述公式(1)～(7)的结果，因此其相关电性特性可参考上述图1实施例的说明，在此不再赘述。

图5是依照本发明的一实施例的差动滤波放大器电路的电路示意图。图6是依照图5实施例的控制电路的电路示意图。先参考图5，差动滤波放大器电路510包括差动滤波放大器511、晶体管512、514、电容513、515以及输入电容516、517。晶体管512的第一端耦接差动滤波放大器511的第一输入端，并且晶体管512的第二端耦接差动滤波放大器511的第一输出端。差动滤波放大器511的第一输出端提供输出电压voutp。电容513的一端耦接差动滤波放大器511的第一输入端，并且电容513的另一端耦接差动滤波放大器511的第一输出端。晶体管514的第一端耦接差动滤波放大器511的第二输入端，并且晶体管514的第二端耦接差动滤波放大器511的第二输出端。差动滤波放大器511的第二输出端提供输出电压voutn。电容515的一端耦接差动滤波放大器511的第二输入端，并且电容515的另一端耦接差动滤波放大器511的第二输出端。输入电容516的一端耦接差动滤波放大器511的第一输入端，并且输入电容516的另一端接收第一输入电压vin。输入电容517的一端耦接差动滤波放大器511的第二输入端，并且输入电容517的另一端接收第二输入电压vip。晶体管512的控制端接收第一控制电压vg1，并且晶体管514的控制端接收第二控制电压vg2。

接着参考图6，控制电路620可适用于图5的差动滤波放大器电路510。控制电路620包括放大器621、624、晶体管622、625、电阻623、626。晶体管622与图5的晶体管512匹配。晶体管622的第一端耦接放大器621的第一输入端，以形成反馈路径，并且晶体管622的第二端耦接如图5的放大器511的第一输出端。晶体管622的控制端耦接放大器621的输出端，并且放大器621的输出端耦接如图5的晶体管512的控制端以及晶体管622的控制端。放大器621的输出端提供控制电压vg1至如图5的晶体管512的控制端以及晶体管622的控制端。在一实施例中，电阻623为可调电阻。电阻623的一端耦接放大器621的第一输入端，并且电阻623的另一端接收输出电压voutp。放大器621的第二输入接收第二电压vcm。

晶体管625与图5的晶体管514匹配。晶体管625的第一端耦接放大器624的第一输入端，以形成反馈路径，并且晶体管625的第二端耦接如图5的放大器511的第二输出端。晶体管625的控制端耦接放大器624的输出端，并且放大器624的输出端耦接如图5的晶体管514的控制端以及晶体管625的控制端。放大器624的输出端提供控制电压vg2至如图5的晶体管514的控制端以及晶体管625的控制端。在一实施例中，电阻626为可调电阻。电阻626的一端耦接放大器624的第一输入端，并且电阻626的另一端接收输出电压voutn。放大器624的第二输入接收第二电压vcm。据此，由图5的放大器电路510及图6的控制电路620所组成的滤波放大器可类推适用于上述公式(1)～(7)，因此关于公式(1)～(7)的详细说明可参考并类推上述图1实施例的教示，在此不再赘述。

本实施例的晶体管512的虚拟电阻值与电阻623的电阻以及晶体管512与晶体管622的宽长比相关。换言之，使用者可通过设计电阻623的电阻值、晶体管512的长宽比以及晶体管622的长宽比，以获得任意所需的晶体管512的等效电阻值，以使晶体管512经设计后可等效于极大或极小的电阻值，或是可对于晶体管512的等效电阻值达到精准控制的效果。同理，本实施例的晶体管514的虚拟电阻值与电阻626的电阻值、晶体管514与晶体管625的宽长比相关。换言之，使用者可通过设计电阻626的电阻值、晶体管514的长宽比以及晶体管625的长宽比，以获得任意所需的晶体管514的等效电阻值，以使晶体管514经设计后可等效于极大的电阻值，并且通过控制晶体管514的等效电阻值达到精准控制的效果。

更进一步而言，差动滤波放大器电路510的第一输出端以及第二输出端的两端点与共模电压可为完全相对应的电压。换言之，相较于上述图1实施例的控制电路120的放大器121的第一输入端所耦接的电阻123所接收的输出电压voutn可经设计以使与输出电压vout相关，而本实施例的控制电路620的放大器621的第一输入端所耦接的电阻623可直接接收由晶体管511的第二输出端所提供的输出电压voutn，并且本实施例的控制电路620的放大器624的第一输入端所耦接的电阻626可直接接收由晶体管511的第一输出端所提供的输出电压voutp，以产生控制电压vg1、vg2。在本实施例中，输出电压voutn与输出电压voutp的电压关系例如是voutn<vcm<voutp，或voutn>vcm>voutp。

图7是依照本发明的实施例的反向放大器电路的电路示意图。参考图7，反向放大器电路710包括放大器711、晶体管712、713以及电容714。在本实施例中，晶体管712的第一端耦接放大器711的第一输入端，并且晶体管712的第二端耦接放大器711的输出端。晶体管712的控制端接收控制电压vg1’。晶体管713的第一端耦接放大器711的第一输入端，并且晶体管713的第二端接收输入电压vin。晶体管713的控制端接收控制电压vg2’。电容714的第一端耦接放大器711的第一输入端，并且电容714的第二端耦接放大器711的输出端。放大器711的第二输入端接收第二电压vcm(共模电压)，并且，放大器711的输出端提供输出电压vout。

本实施例的晶体管712的控制方式以及电路连接方式可搭配于图1以及图2实施例的控制电路120、220的电路架构，并且本实施例的晶体管713的控制方式以及电路连接方式可搭配于图3以及图4实施例的控制电路320、420的电路架构。换言之，本实施例的反向放大器电路710的反馈电阻(通过控制晶体管712来等效为反馈电阻)以及输入端的输入电阻(通过控制晶体管713来等效为输入电阻)的至少其中之一可适用于本发明的上述各实施例所提出的主动式虚拟电阻的控制架构，以实现使晶体管712、713经设计后皆可等效于极大的电阻值，或是可对于晶体管712、713的等效电阻值达到精准控制的效果。对此，关于放大器电路710的各电路组件的耦接方式以及实施细节可参考上述图1至图6实施例的说明来类推，以可获致足够的教示、建议以及实施说明，因此在此不再赘述。

综上所述，本发明的滤波放大器可利用晶体管来等效为放大器电路当中的反馈电阻以及输入电阻的至少其中之一，通过调整控制电路当中的电阻以及另一晶体管的宽长比，来决定经控制的晶体管的等效电阻值，并且通过控制控制电路当中的另一晶体管的三端电压以达到精准控制放大器电路当中的虚拟电阻的等效电阻值。因此，本发明的滤波放大器可以获得任意所需的电阻值，并且可提供精确的电压信号，以提供较广的滤波频段及精确的滤波功能。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。