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適用於Zigbee系統之整數/分數型低功率頻率合成器

在本論文中，我們在台積電零點一八微米金氧半製程下，實現了兩個符合Zigbee應用規範的頻率合成器。其分別為整數型和分數型之頻率合成器，且操作頻率皆涵蓋2.4GHz~2.48GHz(Zigbee應用頻段)。Zigbee是一種類似藍芽的通訊協定，其具有低功率消耗、較慢傳輸速度需求、低成本等特色。電路實作的內容概要如下: 第一塊電路是一個符合Zigbee規格的整數型頻率合成器。為了降低其功率消耗，整塊電路都是操作於低電壓1.2伏特，並採用基極偏壓方法和短通道效應降低系統所需之操作最高電壓。從實驗結果可知，整顆頻率合成器只消耗12.62毫瓦。 第二塊電路為一個符合Zigbee規格的分數型頻率合器。和第一顆頻率合成器一樣皆操作在1.2伏特的低電壓。此電路使用三角積分調變器來實現分數型頻率合成器，因為它的分數突波較小，且其具有將量化雜訊移往高頻去的特性。另外，我們利用兩點調變的技巧，在壓控震盪器的輸入端加入一條具高通特性的調變路徑，減少頻率合成器跳頻鎖定所需的時間，進而降低整個無線收發器系統的功率消耗。由實驗結果可知，其鎖定時間減少為36微秒 最後，我們將根據實驗結果比較此兩顆頻率合成器的優劣，並作個總結。

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整合多項改善電路表現技巧之2.4GHz接收前端設計

本篇論文設計了兩個無線接收前端。為在電路特性與電流消耗間達成平衡，分析並整合多項電路技巧，最後提出一系列創新的電路架構。 在第三章中，結合電流重複利用與多閘級電晶體的概念，提出節省電流同時增加線性度的架構。並將整個接收前端視為一體納入考量設計，最後驗證了其提升線性度技巧在系統中亦能有效工作。 在第四章中，為了進一步改善電路特性，提出整合單端轉雙端與電流重複利用及多閘級電晶體的架構。並進一步分析單端轉雙端架構在本設計中，電流不平衡情況下，對於增益、雜訊指數與線性度的影響與取捨。對於單端轉雙端架構不平衡的輸出，則由結合雙端平衡架構來改善。最後提出一個表現更進一步的接收前端。

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平行化無預掃H.264解碼器

Fine grain methods for parallelization of the H.264 decoder have good latency perfor- mance and less memory usage. However, they could not reach the scalability of coarse grain approaches although assuming a well-designed entropy decoder which can feed the increasing number of parallel working cores. We would like to introduce a GOP (Group of Pictures) level approach due to its high scalability, mentioning solution approaches for the well-known memory and latency issues. Our design revokes the need to a scanner for GOP start-codes which was used in the earlier methods. This approach lets all the cores work on the decoding task. Our experiments showed that the memory initialization op- erations may degrade the scalability of parallel applications substantially. The multicore cache architecture appeared to be a critical point for getting the desired speedup. For FHD resolution video, we observed a speedup of 7.51 with 8 processors having separate caches, and a speedup of 14.46 using 15 processors when a cache is shared by 2 processors.

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使用繪圖處理器加速之即時全球衛星定位系統軟體基頻接收機實作

近年來，隨著個人導航設備的普及化，市場對於各種形式的GPS接收機需求也越來越大。而基頻軟體接收機，隨著處理器計算效能的進步，使用軟體來進行GPS接收機開發的時機已經逐漸成熟。 軟體接收機相較於傳統硬體架構，對於開發模組的移植，相似系統的整合，系統升級以及計算演算法之更新，皆較具有較高彈性的優勢。因此在處理器計算效能已可負荷接收機之基頻訊號處理的當下，使用軟體接收機來進行系統的開發無疑是能節省研發成本和研發週期之最佳的選擇。 本論文將會對於GPS軟體接收機進行更進一步的改進。在程式穩定性上，會加入動態衛星增減之機制，使接收機能夠不斷對於外在的衛星訊號強弱變化進行調整，進而提升接收機的環境適應性。於程式執行效能上，將接收機較耗時的計算移至GPU中，以達到降低CPU負載對於程式執行效率的影響，並且使用GPU進行平行運算的加速，可同時達到降低計算時間以及降低系統耗能的目標。另外，為了改善接收機的定位精準度，本論文使用較精確的計算精確接收時間的方法，使其加強接收機位置之精確度。

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應用於生醫系統之類比數位轉換器設計

隨著人口老化、社會結構改變，生醫領域相關應用在近幾年蓬勃發展，並逐漸成為顯學。電機電子領域人才開始將研究重點從消費性電子產品轉向生醫領域，並希望對於未來將發生的老年化社會做充足的準備。本論文即順應此潮流，目標在於設計適合應用於生醫系統的類比數位轉換器。 本論文總共設計二個類比數位轉換器。首先是一個三角積分調變器，此架構在過去文獻中顯示適合用於高解析度的應用。我們使用台積電CMOS 0.35um製程，並且使用傳統切換式電容二階的架構，其具有天生良好的的穩定性。預計設計的頻寬為22.05KHz，取樣頻率為2.56MHz，代表超取樣率為56。在3伏的供應電壓操作下，我們量測到最大訊雜比為49dB，大約為7.8有效位元，並且達到54dB動態範圍，面積為0.98x0.68mm2，所消耗的功率為3mW。 第二個電路為連續漸進式類比數位轉換器，其電路特色在於有相當低的功率消耗。我們使用台積電CMOS 0.18um製程，並且操作在1伏的電源供應以達到省電。解析度設定為10位元。我們使用整數型電容橋技術，除了節省面積外，也可以有良好的電容匹配度。我們的取樣頻率為400KHz，在Nyquist rate操作情況下，我們量測結果有最大訊雜比49.3dB，大約為7.9有效位元。靜態參數INL為2/-1.9LSB、DNL為1/-0.9 LSB，功率消耗為9.5uW，達到FOM為99fJ/conv.，其快現在近年來的文獻中，有相當好的競爭力。

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操作於次十億赫茲頻帶之脈衝無線電式極寬頻傳輸器設計

本作品中實踐了兩個操作於四億赫茲且低功率消耗之脈衝無線電式極寬頻無線發送機，適用於低功率損耗且高資料傳輸量之應用。在第二章中會先介紹關於極寬頻技術的基礎及相關規範，並同時介紹幾種比較常見的脈衝無線電式極寬頻無線發送機架構。在第三章中會先介紹一個採用開關式調變之發送機、而在第四章中會介紹一個支援多種調變之無線收發機。第五章則是結論與未來可以努力的方向。 　　在提出的開關式調變脈衝無線電式極寬頻無線發送機中，採用了以有限脈衝響應系統為基礎的脈衝產生器架構。當一個很窄的脈衝進入脈衝產生器後，會產生一個具有較佳頻譜效應的輸出訊號。此發送機是使用台積電0.18微米製程設計，消耗功率為1.67 mW、最大資料傳輸速率為每秒1億位元。 　　在第四章中所提出的脈衝無線電式極寬頻無線收發機是採用波形合成的技術產生輸出脈衝。此架構省略了本地振盪器的輸出功率、但輸出波形就易受到雜訊影響，因此在此架構中，提出了一組額外的脈衝寬度校正電路做脈衝寬度的校正。此發送機在1伏特的供應電壓下消耗525.38 uW的功率，最大資料傳輸速率可以達到每秒1億位元。

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矽基奈米結構太陽能電池

本篇論文使用奈米複合物，發展數個可應用於太陽能電池和光二極體之提高效率的方法。伴隨這些概念，這些含有不同功能的奈米複合物被證明有些特殊的特性在太陽能電池的應用上。在第一個部份，我們探究一個方法，利用結合一維的矽奈米角錐和零維的硫化鋅量子點改善單晶矽太陽能電池的轉換效率。第二個部份，我們探求由矽奈米角錐和硫化鉛混成的奈米複合物系統，以達到有效的載子傳輸路徑和寬頻的光捕獲特性。第三個部份，我們將證明插入一個超薄的二氧化矽層可使n型氧化鋅/p型矽奈米線光二極體的光響應大大的改善。第四個部份，一個簡潔且低廉的技術被提出用來製造排列整齊的二氧化銦奈米圖釘，在矽太陽能電池上當抗反射層。 1. 利用光頻降轉換和光捕捉以達成有效的光收穫在硫化鋅/矽奈米角錐混成系統 膠體硫化鋅奈米粒子/矽奈米角錐p-n接面主動層的混成系統已經被證明有 極高的潛力有效的利用太陽光譜在矽基的太陽能電池上。和沒有結合硫化鋅的系統相比，這個混成系統展現了20%的增加在短路電流上和大約10%的改善在轉換效率上，利用外部量子轉換效率、光激螢光光譜、反射等量測，我們確立了硫化鋅在增加光收穫的腳色。硫化鋅不僅僅充當了紫外線區域光頻降轉換的中心，也可以充當一個光捕獲的寬頻抗反射層。我們這個方法可以推展到其他的材料系統作為高效率的光伏特元件。 2. 有效的光收穫和載子傳輸在硫化鉛/奈米矽角椎的異質接面 本主題利用矽奈米角錐和硫化鉛量子點作為光轉換效率的研究，我們證明矽奈米角錐提供直接的載子傳輸路徑、增加表面接觸面積和光捕獲。比較平面塊材的矽基板和矽奈米角錐結構，我們觀察到一個巨大的增益在短路電流(從9.34到14.17 mA/cm2)。此外、多加一層電子阻擋層，光伏特性可以進一步的增加。量子點結合矽奈角錐的奈米複合物開啟了一個新的途徑在於有效的光收穫從可見光到紅外光，進而改變轉換效率。 3. p型矽奈米線/二氧化矽/n型氧化鋅異質接面光二極體 超薄的二氧化矽層在n型氧化鋅/p型矽奈米線光二極體的效應為本部份之主要探討對象。有一層超薄二氧化矽，二極體特性在逆偏壓的情況下被大幅的改善並展現高的光響應。根據電子轉換效率的量測，我們證明了超薄二氧化矽曾不止充當了電子阻擋層，它所帶的束縛正電荷也可以幫助電子穿燧過能障。此外、二氧化矽層可以有效的鈍化因濕蝕刻所產生的缺陷。我們所提出的方法期望可以應用在其他奈米尺度的異質接面元件上。 4. 利用排列整齊的二氧化銦奈米圖釘作為抗反射層已達到有效的光收穫在矽太陽能電池 本主題提出利用二氧化銦奈米圖釘作為抗反射層以達到有效的光轉換效率，我們研究了二氧化銦奈米圖釘的在矽太陽能電池的成長，利用不需前驅物之雙區化學氣相沉積提供一個低溫高成長速率的環境，以利實際的應用。根據反射光譜和電池的光響應量測，我們證明了二氧化銦奈米圖釘提供了一個有效的光捕捉特性。和純塊材的矽太陽能電池相比，我們觀察到具有二氧化銦奈米圖釘的矽太陽能的電池有一個大幅增加的短路電流(從19.65 到 24.73 mA/cm2)。因此、太陽能電池整合二氧化銦奈米圖釘，提供了另一種作為抗反射層的替代方式，可以增加光捕捉和電池的轉換效率。

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考慮光學之實體層系統性短路缺陷診斷

在先進奈米製成技術下，利用大量診斷來找出系統性缺陷來提高良率是一件很重要的課題。隨著設計越來越複雜與製成越來越先進，光學微影的影響對於良率有越來越大的影響，儘管布局沒有違反設計規則，在經過光學模擬之後，還是會有機會發現造成光學微影上的缺陷，過去大量診斷技術並未將光學模擬加入考慮。因此，本篇論文提出了一個考慮光學微影的大量診斷技術。在診斷的過程中考慮光學微影，並在最後利用統計分析方法 (Z-test) 找出是否有系統性的短路缺陷 (Layer of Systematic Defect for bridging fault) 。實驗結果在使用3次偵測測試向量時，在單一與多重缺陷皆成功找出系統性缺陷，實驗結果也指出利用多次偵測測試向量有助於提高診斷系統性缺陷的精準度。

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利用遞迴運算的泰勒級數來計算初始值及初始值加上邊界值的問題

泰勒級數自從被發表以來已經有超過兩百年的時間，但是它到現在依然很少被利用在解微分方程上，這是因為他在解題上有一些缺點，本文將會說明泰勒級數在利用電腦運算解微分方程上面比較不好的地方，詳細解釋這些缺點會帶來怎樣的錯誤，以及為什麼我們幾乎不用泰勒級數來解微分方程，。 基於泰勒級數在利用電腦運算上的缺點，我們想了許多辦法去尋求解決的方法，在最後找出了改進這些缺點的方法，就是利用遞迴運算的泰勒展開，而且在解題的過程中，發現這個方法可以用在大部分可解析的初始值題目，以及初始值加上邊界值的題目，也就是說在解題的時候，不需要像平常解微分方程，遇到特定題目就需要用特別的方法去尋求解答，只要用遞迴運算的泰勒級數，就可以直接解出大部分的問題。

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引入數位微分器之連續時間三角積分調變器與無帶隙參考電壓之電阻式溫度感測器設計

本篇論文分為兩個部分：第一部分是提出一個引入數位微分器的連續時間型三角積分調變器架構，其目的是為了解決延遲迴路效應，以及減少數位類比轉換器數量，進而解決數位類比轉換器的非線性問題；第二部分是提出一個無帶隙參考電壓的電阻式溫度感測器，其目的是為了解決前端類比電路設計的複雜度，進而實現一操作在高速、低功率之溫度感測器。 連續時間型三角積分調變器目前普遍提出的架構以低通三角積分調變器為主，已被廣泛的被研究和使用，而提高訊號雜訊比的方法，第一，可提高超取樣速率，減少頻寬內量化雜訊的能量，然而，超取樣速率的提升會造成操作速度的增加，如此一來便會增加積分調變器的能量消耗；且在連續時間型三角積分調變器中，取樣頻率過高也會造成延遲迴路，影響整個系統的穩定性；第二，增加電路階數，但相對的系統穩定度還有功率消耗都會是個問題。另外一個可以提升訊號雜訊比的辦法即是增加量化器的位元數，但是對於多位元的三角積分調變器中，數位類比轉換器間的非線性問題會是一項挑戰。 總結上述，我們提出一個多位元的三角積分調變器來提高訊號雜訊比，並引入一個數位微分器的機制使得回授的數位類比轉換器數量大幅減少，解決DAC非線性問題，同時也可針對延遲迴路效應做補償，使整個系統更趨穩定。使用台積電0.18微米互補式金氧半製程，實現一個二階四位元連續時間型三角積分調變器，經過電路層次的模擬，使用64 MHz的取樣頻率，在1 MHz的頻寬下，可得到74 dB的訊號雜訊比，在1.8伏特的供應電壓下，消耗6 mW的功率。 由於先進製程的趨勢，使電路密集整合在中央處理器內，容易產生過熱的問題，因此需要一個快速偵測的溫度感測器，及時反映當時的溫度，並且做回授控制。本論文第二部分的核心概念是使用電阻來當作溫度感測的元件，並提出一個無帶隙參考電壓的類比數位轉換器之架構，有別於傳統上所使用雙載子接面電晶體為主體的溫度感測器，我們使用一個不規則阻值間距之電阻串來產生參考電壓與輸入訊號做比較，此架構所帶來的好處是可以減少前端類比電路的複雜度，以及降低功率消耗。使用台積電0.18微米互補式金氧半製程，實現一可達到0.125°C的解析度，溫度感測範圍是-40°C~120°C，核心面積為0.23 mm2，在1.8伏特的供應電源下，消耗36 uW的功率。