- 學位論文
電流式OTA-C二階低通濾波電路寄生效應之研究
Parasitic Effect of the Current-Mode Second-Order OTA-C Low Pass Filter Structure
摘要
當一電路設計在完美的狀況下，其應具備寄生效應低、性能佳、主動元件及被動元件數量少、價格低廉..等優點，故針對本論文所探討之電路則極具符合上述之條件。 在一般電路當中，寄生效應往往被學者認為是不希望存在的，因為過去學者評析寄生效應是造成電路的精準度造成誤差的主要原因，所以在電路設計當中，讓電路設計者認為寄生效應是不被考量在電路設計當中；在一般IC電路中，因IC電路中金屬線與金屬線之間所產生之電容，既為寄生電容；然而在IC電路中金屬線與金屬線之間非絕對絕緣，所以有傳導存在，既為寄生電導。本論文藉由敏感度分析結果，在一電路中操作頻率於高頻至超高頻時理論頻率與操作頻率之間的誤差值進行分析，發現寄生電容與寄生電導即有相互牽引之現象。 以現階段電路設計者而言，電路主動元件的使用格外嚴謹，目前在電路設計中不使用電阻器之主動元件有運算轉導放大器（OTA）、第二代電流控制傳輸器﹙CCCII﹚；不使用存有電阻之主動元件具有体積小、精準度高等優點；因為電阻在IC面板當中，體積大，電阻越高體積則越大，且在電阻製作過程中，尚無法製作至很精準。然而因為運算轉導放大器（OTA）具有下列優點： 1. 轉導值gm可調：轉導值gm可由偏壓電流Ibias來做調整，容易製作成電子可調(Electronic Tuning)電路，適合電路積體化。 2. 頻寬較大：尤其在OTA-C濾波器的設計中，使用運算轉導放大器可設計出更高頻率維持固定增益的電路。 3. 輸入阻抗大：因為輸入電流為零，容易與其他電路串接，電路容易設計。 4. 輸出阻抗大：故沒有負載效應。 5. 可取代電阻器使用：在電路設計時就可利用此特性取代實質的電阻器，適合積體電路上的製作。 也因為運算轉導放大器具有許多優點，故以運算轉導放大器來設計各種主動電路是非常的普遍，尤其是只使用運算轉導放大器及電容器的方式(OTA-C)來設計濾波電路，可適用在高階、高頻的應用，更常被電路設計者所使用，也是目前學者公認為最佳之主動元件，故對運算轉導放大器基本特性的了解對電路的設計或分析研究上，有很大的幫助。 OTA電路的設計主要區分成兩大項優點，本論文也將此兩大項優點做出逐一的說明與表示： (1)性能佳(High performance)： 首先代表輸出的誤差值要達到最小(Lowest output errors)，而OTA電路本身更具備其優點；除了取代電阻(resistor)之外更取代了一個個的主動元件(active element)。在這份研究中，之所以將電阻被取代是因為電阻除了製作上精準度不足之外，大電阻所佔積體電路的面積區域也是不可被忽視的，所以為了要達到電路輸出更精準的呈現，元件的使用與考量是項重要的依據。 電路中因為取代電阻只使用到電容的緣故，所以要考慮到是電容最低的寄生效應問題(Lowest total parasitic)。也因為在高頻時電導的寄生效應低，所以可以暫時不考慮寄生電導的影響。 為了達到最低寄生效應的目的，電路設計時需要針對做出以下考量： [1]採用單端輸入，以避免當雙端輸入產生更多的寄生效應而影響了輸出的穩定性與表現 [2]元件數目越少越好，因為在OTAC電路只使用電容不用電阻的條件下，光是寄生電容就會產生圖形訊號的扭曲(Distortion)，所以寄生效應要降至最低的情況下，元件數目一定要將數量降低減少。當元件數目減至最少時可呈現以下論述項目的優點： (a)總體寄生效應降低(Total Parasitic) (b)電源功率消耗減少(Power Consumption) (c)可減少雜訊(Noise) (d)積體電路的面積可以減少(IC Area) (2)價格低(Low cost)： 當元件數目減少，積體電路的設計成本也會隨之降低，而在輸出精準度提高的同時，研究開發所消耗的時間也會呈現正比的表現，因此成本消耗也就大幅降低。 上述優點除了可使電路操作在較高頻率外，部分電路由於所給的外加電容位置恰巧與電路本身的寄生電容位置相同，將有效的吸收寄生電容所產生的寄生效應，使訊號更加精準。 OTA-C為主要架構之濾波電路同時具備了以下三項優點：(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。 OTA-C的電路中，由於寄生電容效應種類繁多與內部的非理想效應，造成輸出信號高頻部分產生失真，故利用所求得OTA與頻率變化有關的轉導函數並針對其非理想效應做深入研究，主要目的希望提升OTA-C濾波電路操作頻率範圍，實驗結果也證實非理想效應的確對輸出信號產生影響。 在電路設計當中，寄生效應影響電路最少之因素：(一)採用單端輸入；(二)OTA數量少；(三)電容接地；(四)電容數量少；(五)節點數目越少越好。 在了解非理想效應對輸出信號之影響後，為有效改善非理想轉導值對電路產生的影響，故提出利用可調運算轉導放大器(Tunable OTA)並利用調整的方式改善OTA之非理想效應，解決因為非理想效應與寄生效應所產生的問題，使電路準確性提高，本論文以H-spice軟體進行電路模擬，所使用製程參數為TSMC035，並於實際模擬結果與理論之間得到寄生電容與寄生電導在電路於高頻狀態下所產生之變化得到驗證。
關鍵字
寄生效應並列摘要
It is worthy of research to do the analogue circuit using Operational Transconductance Ampplifiers (OTAs) and Capacitors (Cs), 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. Recently, owing to the appearance of “Analytical Synthesis Method”, the circuit with third-order OTA-C elliptic filters has achieved the three following important advantages: (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. The output signals will be distorted in the high frequency as a result of the varieties of parasitic capacitances and the non-ideal effect. Therefore, taking the non-ideal effect of OTAs into consideration, we analyze the ratio of the output current to the input voltage of OTAs, which is called frequency dependent transconduce, for the purpose of increasing the switching frequency in the filter structure. The experimental results also show that the non-ideal effect indeed influences the output signal. Based on the non-ideal effect upon the output signal and the improvement on the frequency dependent transconduce, we propose a method that adopts tunable OTA to improve the non-ideal effect of OTA to solve the problems resulted from the non-ideal effect and parasitic effect. Accordingly, the signal can be output more precisely. Finally, the H-spice simulation with Tsmc35.l process verifies the theoretical predictions.