TW200922117A - Low-noise amplifier circuit including band-stop filter - Google Patents
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Description
200922117 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種放大器電路,特別是有關於一種 低雜訊放大器電路。 Ϊ先前技術] 在無線通訊中’由新標準及規範所指定的頻譜變得越 來越寬。例如,超寬帶(ultra_wide band,UWB)技術利 用3.1〜10.6GHz的頻寬範圍,於其中具有三倍最高/最低 頻寬比;手持式數位視訊廣播標準(Digital Video
Broadcasting-Handheld,DVB-Η)利用 474〜862MHz 頻寬 範圍’於期間具有近乎雙倍最高/最低頻寬比;以及地面式 數位視訊廣播標準(Digital Video Broadcasting· Terrestria卜DVB-T)則利用50〜580MHz頻帶寬度,於其 中具有17倍最南/最低頻頻寬。 廣播通訊在RF接收器設計方面具有重要的挑戰,而這 些挑戰不會出現在窄頻通訊中,例如行動電話系統(G1〇bal
System for Mobile Communications,GSM)以及寬頻多重 分碼存取(Wideband Code Division Multiple Access )。相 鄰頻道干擾的比例隨者接收頻帶變寬而增加,使得接收琴 對在此頻帶内每一通訊頻道之接收品質的保證,變為更加 困難。 頻譜配置之新標準重疊於或相對接近於現存通訊標準 之頻譜。當具有複數重疊頻譜之數個標準應用在相同的平 200922117 台環境時,特別是當分別與相異標準相關連之相異***同 日夺操作時,接收器則可能面對干擾的問題。 為了保證更可靠的系統操作,一個外部的RF濾波器可 加在接收器的前端,以抑制頻帶外干擾信號之強度,以避 免影像信號接收靈敏度。 第1A圖係表示習知共閘放大器100’其具有輸入端102 及金氧半(Metal 0xide Semiconductor,MOS )電晶體 104, M0S電晶體104包括閘極106。電晶體104之閘極106直 接連接炱接地端108。共閘放大器在接收端102接收 將被放大之輸入電壓信號Vin,且於輸出端110提供被放 大的信號。將閘極106直接連接接地端108在廣播頻率上 讦提供均/的增益。 【發明内容】 根據本發明之技術提供一低雜訊放大器電路範例,其 包括金氧半(Metal〇xide Semic〇nductor,MOS)電晶體以 及共振腔濾波器電路。MOS電晶體在共閘放大器結構内。 M〇S電晶體具有本體、閘極、源極、以及汲極。M〇s電 晶體之源極與汲極分別作為低雜訊放大器電路之單一輸入 端及單/輸出端。共振腔濾波器電路耦接MOS電晶體之閘 極。 根據本發明之技術更提供一低雜訊放大器電路範例, 用以將一單一輸入端轉換為一雙輸出端,其包括第一放大 器電路、第二放大器電路、以及共振腔濾波器電路。第一 放大器電路包括在共閘放大器結構之内之第—金氧半 200922117 ί i (Metal Oxide Semiconductor 5 M〇c\ ^ a 」%日日體。第一^ 電晶體與第二MOS電晶體平接。第-妨丄 不〜放大1§電路由 四MOS電晶體平接之第三MOS電晶體。第〜匕括與第 三、及第四MOS電晶體中之每一者具有閘極、、、第二、第 汲極。共振腔濾波器電路耦接第一 Μ〇 藏核、以及 ύ %曰日體之叫 一放大器電路及第二放大器電路串聯耦接以形^核 大器架構。第一 MOS電晶體之源槐作為單—於 推: 出端為一差動輸出端’且差動輸出端跨越第三^。雙輪 之汲極與第四M0S電晶體之汲極。 〇S電晶麗 根據本發明之技術又提供一種低雜訊電略 將一單一輸入端轉換為一雙輸出端,包括第&例,用以 路、第二放大器電路、以及共振腔濾波器電袼故 益電路包括在共閘放大器結構之内之第一金&篥〜玫大 Oxide Semiconductor,M0S )電晶體。第 _ M二半(Metal 第一 M〇S電晶體平接。第二放大器電路包括電曰曰曰體與 雷…一一 一…… '第四M〇s 第 致 故大器電 電晶體平接之第三M0S電晶體。第、罘二、★ 四M0S電晶體中之每一者具有本體、閘極、场^、、及第 極。共振腔濾波器電路耦接第一 M〇s電晶體之袅、R及及 放大器電路及第二放大器電路串軸接以形成。第、 态架構。單一輸入端位於第一 M〇s電晶體之溽”%憂效大 端為一差動輸出端’且差動輸出端跨越第三乂,。雙輪 、 一.. ·*.τ4.\ι ^ ', iij 二極與第四M0S電晶體之汲極。第—放大器電電曰% 第-M〇s電晶體交叉_接,其中,第—从如 體輕接第二M0S電晶體之源極,且第:MQs &賤文束 200922117 體耦接第一 MOS電晶體之源極。第二放大器電路之第三及 第四M0S電晶體交叉耦接,其中,第一電容耦接於第三 M0S電晶體之閘極與第四M〇s電晶體之源極之間,且第 一電容耦接於第四M〇s電晶體之閘極與第三撾〇8 之源極之間。 日日瑕 為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂, 下文特舉依據本發明技術之實施例,並配合所附圖式,作 詳細說明如下。 【實施方式】 為了緩和RF濾波器之拒絕要求以及RF前端電路之限 性要求,本發明之一實施範示例揭露一種低雜訊放大器, 其包括帶停濾波器(band-stop filter)。單晶片RF濾波器 可改善接收器對干擾的堅強度。濾出干擾信號的功能可合 併在低雜訊放大器電路中。此合併可增進可靠的接收器操 作i減少外部RF舰社拒絕要求、以及減少低雜訊放 ( 大盗電路之物料清單(bill-〇f-materials )。 第1B圖表示共閘放大器112,其包括輪入端114以及 具有閘極m之mos電晶體116。一個被動元件,例如電 阻zg,耦接於電晶體116之閘極118與接地端之間。 t閘放大器112在輸人端m接收將要被放大的輪入電壓 仏號Vm’且在輸出端124提供被放大之信號¥_。輕接 上述共閘放大器121之電阻120作為一帶停渡波器。將電 阻120耦接至閘極118且選擇適當的值給電阻12〇嗖定了 —特定解’而共閘放大H 112在此特定解中將發生货 8 200922117 益凹陷(gain notch)。電阻12〇之值可被選擇,以使得增 益凹陷發生在干擾所在之特定頻率。 第1C圖表示共閘放大器126,其包括輸入端128以及 具有問極132之MOS電晶體130。共振腔濾波器(res〇nant cavity filter)電路134耦接於電晶體13〇之閘極i32與接 地端140之間。舉例來說,共振腔濾波器電路134包括彼 此亚聯之電容136與電感138。共閘放大器126在接收器 =8接收將要被放大之輸入電壓信號vin,且在輸出端⑷ 提供被放大之錢V_。如上述耦接於共閘放大器以之 共振腔滤J皮器電路134可作為帶停濾波器。 將共振腔濾波器電路134耦接至電晶體13〇之閘極i j選,適當的值給電容136及電感138,如此,將可設定 “特疋頻♦且共閘放大器i 26在此特定頻率中將發生择 放凹陷:下述之式⑴表示電容136及電⑤138之值與^ 發生增益凹陷之頻率f_間之關係。電容136及電感138 之值可被選擇,以使得增益凹陷發生在干擾所在之 率。 只 f _ 1
Jn°tch =7W 式(1) 第2A圖係表示在第1A圖之共問放大胃ι〇〇中 ===示。…說明-電壓轉換增益: ,、证明了在頻帶頻率範圍上的均一增益。 、'第2B圖係表示在第1β目之共閑放大器ιΐ2中 〜益對輸入頻率的圖示。第2B圖說明在特定頻率上具有 增益凹陷之電壓轉換增益曲線146。電壓轉換增益曲線、146 200922117 表示出增益凹陷發生在於輸入端114所接收之電壓俨號 V,in之頻率接近於10〇1^時的例子。然而,如電壓轉換^ 益曲線146所示,由被動元件(例如電阻})所實現的 增益凹陷不會陡直到將干擾剔除限制在接近於期望=號之 範圍内。 ' 第2C圖係表示在第1C圖之共閘放大器126中,電壓 增益對輸入頻率的圖示。第2C圖說明在特定頻率上具有 增益凹陷之電壓轉換增益曲線148。電壓轉換增益曲線/'148 ( 表示出增益凹陷發生在於輸入端128所接收之電壓信號 Vm之頻率接近於1GHz,同時低於7〇〇MHz之頻帶,具固 定的頻率響應特性。藉由比較電壓轉換增益曲線146及 148,共閘放大器126使用共振腔濾波器電路134而實現的 增益凹陷陡直於共閘放大器112使用電阻12〇而實現的增 益。 第3A圖係表示根據本發明一實施範示例之低雜訊放 大器電路200。放大器電路2〇〇包括並聯之共閘放大器電 ( 路202及共源放大器電路204。放大器電路202包括金氧 半(Metal Oxide Semiconductor,MOS)電晶體 Ml 210, 其具有閘極212、源極214、以及汲極216。電晶體Ml 210 也包括基底端218。放大器電路204包括MOS電晶體M2 220 ’其具有閘極222、源極224、以及汲極226。電晶體 M2 220也包括基底端228。 低雜訊放大器電路200也包括放大器電路206及208。 放大器電路206包括MOS電晶體M3 230,其具有閘極 10 200922117 232、源極234、以及汲極236。放大器電路2〇8包括M〇s 電晶體M4 238 ’其具有閘極240、源極242、以及汲極2料。 放大益電路202也包括電阻器250及電容号252,其 各自之第一端耦接在一起且耦接至M〇s電晶體之 閘極212。放大器電路204更包括電阻器254及電容器 256其各自之第一端搞接在一起且搞接至]y[〇§電晶體 M2 220之閘極222。放大器電路206更包括電阻器258及 電容器260,其各自之第一端耦接在一起且耦接至M〇s電 晶體M3 230之閘極232。放大器電路208更包括電阻器 262及電容器264,其各自之第一端耦接在一起且耦接至 MOS電晶體M4 238之閘極.240。
藉由將MOS電晶體Ml 210之汲極216耦接至M0S 電晶體M3 230之源極234 ’共閘放大器電路202串聯(堆 疊)耦接放大器電路206。藉由將MOS電晶體M2 220之 >及極226輕接至MOS電晶體M4 238之源極242 .,共源放 大器電路204串聯(堆疊)搞接放大器電路2〇8。 低雜訊放大器電路200也包括偏壓端266及268,用 以分別接收偏壓VB1及VB2。偏壓端266搞接電阻器250 及254之各自第二端。偏壓端268耦接電阻器258及262 之各自第二端。 低雜訊放大器電路200更包括輸出端270及272,分 別耦接電晶體M3 230及M4 238之汲極236及244。輸出 端270更透過可變電阻276耦接至供電端274。輸出端272 更透過可變電阻280耦接至供電端278。 200922117 共閘放大器電路202及共源放大器電路204交錯耦 特別的是,MOS電晶體M1210之基底端218耦接M〇s 電晶體M2 220之源極224,而MOS電晶體m2 220之基底 端288耦接MOS電晶體M121〇之源極214。此外,M〇s 電晶體1^1210之閘極212透過電容器252耦接至]^〇8電 晶體]VE2 220之源極224。MOS電晶體]y[2 220之閘極222 透過電容器256耦接至M〇s電晶體Ml 21〇之源極214。 在一實施例中,低雜訊放大器電路2〇〇配置在單一積 體電路晶片上’且具有端點282及284,用以連接晶片外 兀件。端點282及284分別搞接MOS電晶體Ml 210及 M2 220之源極214及224。如第3A圖所示,端點282耦 接至一輸二端286,用以透過電容器288接收輸入電壓信 號Vm冋阻抗元件29G (例如電感器)被提供於端點282 與接地端之間H纽器特性可由共振㈣波器電路 3〇〇所提供,其輕接於端點284與接地端之間且包括並聯 之電感302及電容3〇4。 $閘放大器電路202可提供寬頻的阻抗匹配,而共源 元件2G4可提供雜訊消除功能。並聯轉接之共閘放 大益電路搬與共源放大器元件204可實質上減少且可消 ^共閘放大器電路2〇2冑低雜訊放大器電路的熱雜訊 貝、’且可提向低雜訊放大器電路之增益。在—實施例中, 並聯耦接可增加6dB之增益。 抑共振腔遽波器電路3〇〇之共振頻率可控制在㈣傳送 ^呆作頻帶内(89〇〜915mHz)。在此方法中,其原有操 12 200922117 作頻帶接近於GSM傳送器操作頻帶之低雜訊放大器,將具 有帶停濾波器特性,且有效地去除Gsm傳送器干擾。在此 干擾信號鍵入至接收電路前,此干搔信號變小,有效地增 加接收器對干擾信號之免疫力。 卜在低雜訊放大器電路200内的帶停濾波器特性更根據 第3B及3C圖來說明。第3B圖說明核心低雜訊放大器電 路306’其可表示帶停濾波器特性。更參閱下述之第3c圖, 核心電路306包含在低雜訊放大器電路2〇〇内共閘放大器 電路202之基本配置以及相連接之共振腔濾波器電路。^ 入信號可透過輸入端286而提供至核心低雜訊放大器電路 3〇6。然而,非期望的干擾也會透過輪入端286而提供至核 心低雜訊放大器電路306。共振腔濾波器電路3〇〇包括並 聯之電感器302及電容器304,且介於M〇s電晶體M21〇 之閘極212與接地端之間。共振腔濾波器電路3〇〇可在期 望頻率上共振,以阻擋或減少在期望頻率或接近期待頻率 之干擾。第3C圖說明在低雜訊放大器電路2〇〇内之核心 低雜訊放大器電路306之實現。藉由此實現,核心低雜^ 玫大器電路306可在低雜訊放大器電路2〇〇内提供帶停濾 波裔特性。 ’’ 第4圖係說明由電壓增益對輸入頻率所繪製的電壓轉 換曲線400’係由第3A圖所示之低雜訊放大器電路2〇〇之 择作所產生。電壓轉換曲線400顯示出在GSM接收器干擾 頻道中(例如在範圍800〜915MHz之頻帶),藉由第3A 圖中包括共振腔濾波器電路300低雜訊放大器電路2〇〇, 200922117 可達到多於2_ _外絲 架構但沒有妓扭敝、者必^ 丁…之下具有相冋電路 法提心 慮波$電路3GG之低雜訊放大器電路無 ==去除。此額外的去除增加了具有 放大盗之接收器的穩定操作。 圖係表示根據本發明—實施範示例,單-輪入端- 又輸出端之低雜訊放大器電路2〇 电纷ζυυ如何可作為接收器電路 之第1之方塊示意圖_。低雜訊放大器電路200包括 =以接收輸入電壓信號Vin之輸入端286,以及用以分別 提供差動輸出信號Vout+及vout_之兩輸出端27〇及^。 來自低雜訊放大器電路200之輪出端270及272的電壓作 號可分別作為差動輸入信號Vin+及Vin-,以提供至接收: 電路602。 °° 本發明雖以若干實施例揭露如上,然其並非用以限定 本發明的範圍’任何所屬技術領域中具有通常知識者,在 不脫離本發明之精神和範圍内’當可做些許的更動與潤
飾’因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界 定者為準。 200922117 【圖式簡單說明】 第1A圖表示習知共閘放大器,其包括耦接於接地端之 閘極; 第1B圖表示共閘放大器,其包括在閘極之電阻。 第1C圖表示根據本發明實施例之共閘放大器,其在閘 極具有共振腔濾波器; 第2A圖表示在第1A圖之習知共閘放大器中,電壓增 益對輸入頻率的圖示; 第2B圖表示在第1B圖之共閘放大中,電壓增益對輸 入頻率的圖示; 第2C圖表示在第1C圖之共閘放大器中,電壓增益對 輸入頻率的圖示; 第3A圖表示根據本發明一實施範示例之低雜訊放大 器電路; 第3B圖表示根據本發明另一實施範示例之低雜訊放 大器電路; 第3C圖表示在第3A圖之低雜訊放大器電路内,第3B 圖之低雜訊放大器電路的配置; 第4圖表示第3A圖之低雜訊放大器電路中,電壓增益 對輸入頻率的圖示;以及 第5圖係表示表根據本發明一實施範示例,單一輸入 端-雙輸出端之低雜訊放大器電路作為接收器電路之第一 階之方塊示意圖。 15 200922117 【主要元件符號說明】 100〜 •共閘放大器; 102〜 -輸入端; 104〜 MOS電晶體; 106〜 ^閘極; 108〜 •接地端; 110〜 輸出端; Yin- •輸入電壓信號; Vout' 〜輸出信號; 112〜 共閘放大器; 114〜 '輸入端; 116〜 -電晶體; 118〜閘極; 120〜 -電阻; 122〜 /接地端; 124〜 /輸出端; 126〜 -共閘放大器; 128〜 /輸入端; 130- /MOS電晶體; 132- /閘極; 134〜 -共振腔濾波器電路; 136〜 /電容; 138- 〃電感, 140〜 /接地端; 16 200922117 144、146、148〜電壓轉換增益曲線; 200〜低雜訊放大器電路; 202〜共閘放大器電路; 204〜共源放大器電路; 206、208〜放大器電路; 210〜電晶體Ml ; 220〜電晶體M2 ; 230〜電晶體M3 ; 238〜電晶體M4 ; 212、222、232、240〜閘極; 214、224、234、242〜源極; 216、226、236、244〜没極; 218、228〜基底端; 250、254、258、262〜電阻器; 252、256、260、264〜電容器; 266、268〜偏塵端; 270、272〜輸出端; 274、278〜供電端; 276、280〜可變電阻; 282、284〜端點; 286〜輸入端; 288〜電容器; 290〜南阻抗元件; 3〇〇〜共振腔濾波器電路; 17 200922117 302〜電感; 304〜電容; VB1、VB2〜偏壓; 306〜核心低雜訊放大器電路; 600〜方塊示意圖; 602〜接收器電路;
Vout+、Vout-〜差動輸出信號; Vin+、Vin-〜差動輸入信號。 表 % 18
Claims (1)
- 200922117 十、申請專利範®: ϊ.一種低雜訊放大器電路,包括·· 金氧半(Metal Oxide Semiconductor,MOS )電晶體, 在一共閘放大器結構内,其中,該M〇s電晶體具有本體、 閘極、源極、以及汲極,該M〇s電晶體之源極與汲極分別 作為該低雜訊放大器電路之一單一輸入端及一單一輪出 端;.以及 一共振腔濾波器電路,耦接該M〇S電晶體之閘極。 2·如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器電路, 其中,該共振腔濾波器電路包括並聯之一電感及—電容。 3. 如申請專利範圍第丨項所述之低雜訊放大器電路, 更包括一阻抗電路’耦接於該M〇s電晶體之源極與一 端之間。 4. 如申明專㈣圍第3項所述之低雜訊放大器電路, 其中,該阻抗電路包括一電感。 i 5. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器電路, 更包括-電阻’耦接於該應電晶體之開極期以接 偏壓之-端點之間’其中該端點用以接收一偏壓。 6·如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器電路’ 更包括-電容,接於該單—輸人端與該μ〇 極之間。 电日日餿之源 7.-種低雜訊放大器電路,用以將—單 為一雙輸出端,包括: 碥轉換 一第一放大器電路,包括在—共閘放大器結構之内之 19 200922117 第一金氧半(Metal Oxide Semiconductor,MOS )電晶體, 其中,該第一 MOS電晶體與一第二MOS電晶體平接; 一第二放大器電路,包括與一第四M0S電晶體平接之 一第三M0S電晶體,其中,該等第一、第二、第三、及第 四M0S電晶體中之每一者具有閘極、源極、以及汲極;以 及 一共振腔濾波器電路,耦接該第一 M0S電晶體之閘 極; 其中,該第一放大器電路及該第二放大器電路串聯耦 接以形成一堆疊放大器架構; 其中,該第一 M0S電晶體之源極作為該單一輸入端; 以及 其中,該雙輸出端為一差動輸出端,且該差動輸出端 跨越該第三M0S電晶體之汲極與該第四M0S電晶體之汲 極。 8. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊放大器電路, 更包括一電容,耦接於該共振腔濾波器電路與該第一 M0S 電晶體之閘極之間。 9. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊放大器電路, 其中,該共振腔濾波器電路包括並聯之一電感與一電容。 10. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊放大器電路, 更包括一系統之一第一級,用以接收一輸入信號。 11. 一種低雜訊放大器電路,用以將一單一輸入端轉換 為一雙輸出端,包括: 20 200922117 一第一放大器電路,包括在一共閘放大器結構之内之 弟一金乳半(Metal Oxide Semiconductor,MOS )電晶體, 其中,該第一 M0S電晶體與一第二M〇s電晶體平接; 一第一放大斋電路,包括與一第四M0S電晶體平接之 一第三M0S電晶體,其中,該等第一、第二、第三、及第 四MOS電晶體中之每—者具有本體、閘極、源極、以及没 極;以及/、振腔處波器電路,輕接該第一 M〇s電晶體之閘 極; 其中,該第一放大器電路及該第二放大器電路串聯耦 接以形成—堆疊放大器架構; 其中,該單一輸入端位於該第一 M〇s電晶體之源極; 其:’該雙輸出端為-差動輸出端,且該差動輸出端 跨越該第二M0S電晶體之汲極與該第四M〇s電晶體之及 極; ▲其中,該第一放大器電路之該等第一及第二%〇§電晶 體交叉_接,該第—M0S電晶體之本體純該第二M〇s 電晶體之源極,且該第i M〇s電晶體之本體紐該第一 M0S電晶體之源極;以及 >其中’該第二放大器電路之該#第三及第四m〇s電晶 體广又轉接,-第―電容_接於該第三mqs電晶體之閑極 ^玄第=M〇S電晶體之源極之間,且—第二電容執接於該 弟四S電晶體之閘極舆該第三MqS電晶體之源極之 間。 21 200922117 12. 如申請專利範圍第11項所述之低雜訊放大器電 路,更包括: 一第一電阻,耦接於該第一 MOS電晶體之閘極與用以 接收一第一偏壓之一端點之間; 一第二電阻,耦接於該第二MOS電晶體之閘極與用以 接收該第一偏壓之該端點之間; 一第三電阻,接於該第三MOS電晶體之閘極與用以接 收一第二偏壓之一端點之間; 一第四電阻,接於該第四MOS電晶體之閘極與用以接 收該第二偏壓之該端點之間; 一第一阻抗電路,耦接於該第三MOS電晶體之汲極與 一供電端之間; 一第二阻抗電路,耦接於該第四MOS電晶體之汲極與 該供電端之間;以及 一第三阻抗電路,耦接於該第一 MOS電晶體之源極與 一接地端之間。 13. 如申請專利範圍第12項所述之低雜訊放大器電 路,其中,該第三阻抗電路包括一電感。 14. 如申請專利範圍第12項所述之低雜訊放大器電 路,其中,該第三阻抗電路包括一電阻。 15. 如申請專利範圍第12項所述之低雜訊放大器電 路,其中,該第三阻抗電路包括一電晶體。 16. 如申請專利範圍第12項所述之低雜訊放大器電 路,其中,該第三阻抗電路包括一電感、一電阻、及一電 22 200922117 晶體之任何組合。 17. 如申請專利範圍第11項所述之低雜訊放大器電 路’更包括: 一第三電容’耦接於該第一 MOS電晶體之閘極與該第 二MOS電晶體之源極之間;以及 一第四電容,耦接於該第二MOS電晶體之閘極與該第 一 MOS電晶體之源極之間。 18. 如申請專利範圍第11項所述之低雜訊放大器電 路’更包括一第三電容,耦接於該共振腔濾波器與該第一 MOS電晶體之閘極之間。 19. 如申請專利範圍第11項所述之低雜訊放大器電 路其中’該共振腔濾波器包括並聯之一電感及一第三電 容。 20. 如申請專利範圍第11項所述之低雜訊放大器電 ’、中該共振腔慮波器係以單晶片(on_chip)來實施。 ( =·如申請專利範圍第11項所述之低雜訊放大器電 /、中°玄共振腔濾波器係於晶片外(〇ff-chip )實施。 22.如申請專利範圍第u項所述之低雜訊放大器電 路更包括一系統之一第一階,用以接收一輸入信號。 23
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