臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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由於石墨烯優越的物理性質，因此被認為是新一代電子材料，而且石墨烯目前已經應用於各領域的元件，包括光電元件、電子元件以及復合式材料等，然而，功能化的石墨烯不僅可以改善石墨烯的物理特性，並且可進一步提高石墨烯元件的性能，因此，對於改質石墨烯之研究主題，顯示出其重要性和潛力。 本研究是利用低損傷電漿系統，對石墨烯進行改質，探討其改質後的材料鍵結組成、電性與物理特性的變化、以及對濕度感測的應用。使用低損傷氫氧電漿對雙層石墨烯改質後，由拉曼光譜量測結果得知，可以藉由增加改質的時間，穩定地調控石墨烯改質的程度，而且低損傷電漿系統中的互補式遮版架設，阻擋了大部分的離子轟擊與此外光輻射，因此大大降低對石墨烯的改質傷害，由XPS光譜量測結果分析顯示，雙層石墨烯進行氫氧改質後，可以有效增加羧基與羥基的組成比例，特別是石墨烯表面C-OH+COOH的組成比例，最高有著67%增加，而且經由水仰角量測結果得知，雙層石墨烯表面的水仰角減少了75.3%，這是由於C-OH+COOH的組成比例增加所導致，使得雙層石墨烯表面由疏水性轉變為親水性。 我們再以氫氧改質成效，應用於濕度感測元件，然而因C-OH+COOH的組成比例增加，是提升石墨烯表面親水性之重要因素，使得改質後的雙層石墨烯表面，可以吸取更多的水氣，結合石墨烯表面的π電子，最高增強30%石墨烯感測元件對濕度的靈敏度，而且在溼度、酒精與IPA的選擇性上，也由於形成C-OH+COOH在石墨烯表面的鍵結，導致其表面π電子的比例減少，因此對其他氣體分子靈敏度降低，使得選擇性也有35%的改善，成功藉由氫氧低損傷電漿改質，提升了石墨烯感測元件對於濕度的感測效能。 再藉由低損傷電漿系統，進行氮改質雙層石墨烯，氮氣本身活性小，難在石墨烯表面進行鍵結，且低損傷電漿系統中有互補式遮版的架設，阻絕伴隨改質的離子轟擊與此外光輻射，因而氮原子僅藉由擴散機制，對石墨烯進行改質，這降低氮改質石墨烯的成效，但我們再氮改質製程中發現，在石墨烯的基板上加熱，利用溫度的效應，可以促使氮改質石墨烯的形成，並且藉由加熱溫度的調整，可以穩定控制氮改質石墨烯的程度，成功在基板加熱125°C時，有著10.4%的氮氣改質鍵結比例，最後我們再相較先前文獻中，傳統電漿氮改質石墨烯的成果，結果顯示，我們氮改質的製程，是個優質且卓越的改質製程，對於氮改質石墨烯的製程上，是相當大的研究突破。 因此，經由低損傷電漿系統，可以精準且穩定地對雙層石墨烯，進行表面改質，並且成功提高了石墨烯濕度感測元件之性能，對於未來石墨烯材料改質的研究探討，以及石墨烯元件上的應用與開發，有著相當高的潛力與價值。
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本篇論文提出了一個操作在大範圍且變異性具有彈性的物理不可被複製函數來提供一個可靠的安全元件，所提出基於環形震盪器的物理不可被複製函數採用多種穩定技術來保持對環境變異的穩定性，此物理不可被複製函數使用可調整訊號斜率的延遲單元來放大元件的變異性對延遲不匹配的影響。此外使用校正系統提取物理不可複製函數內延遲資訊並將重新配置內部結構來放大頻率的不匹配及增加穩定性。採用28nm CMOS 技術製作之晶片的測試結果顯示，所提出的物理不可被複製函數在廣泛的工作條件上實現了高度穩定的性能，在0.4 到1.3 V 和-40 到125°C 下，最差的位元錯誤率為0.55 %。對於電源電壓的位元錯誤率敏感性為(0.0546%/0.1 V) 和溫度位元錯誤率敏感性為(0.0052%/10°C) 與當前最先進的結果相比分別增進了2.38 倍和28.84 倍。
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本論文主要研究毫米波頻段相關功率量測電路，操作頻率在28 GHz，為第五代通訊系統所適用之Ka頻段。首先將介紹傳統功率量測電路架構以及毫米波頻段功率量測系統相關文獻，接著介紹其中電路之架構、原理及應用目的，最後介紹本論文所提出兩種訊號偵測系統。 本論文提出之第一個電路為透過開關切換兩路平行式的 Ka頻段功率量測系統，使用台積電90nm CMOS製程，晶片面積為0.9mm x 0.49 mm，系統將輸入射頻訊號轉為輸出直流電壓。利用兩路平行架構，第一路搭載可變增益放大器串接共閘極功率偵測器，可量測到較小功率。第二路搭載單一共閘極功率偵測器，可量測到較大功率，並藉由開關控制訊號路徑，提升功率量測範圍及靈敏度，並偵測更小功率訊號。本偵測系統於28GHz下及線性誤差為1dB以下時，可量測-33.6 dBm至7.4 dBm訊號，頻寬為2GHz，靈敏度最高為46.8 mV/dB，靜態直流功耗為34 mW。 本論文提出之第二個電路為應用自動增益控制放大器之Ka頻段功率量測系統，使用台積電180nm CMOS製程，晶片面積為1.05mm x 0.685 mm，系統將輸入射頻功率轉為輸出直流電壓，利用單一共閘極整流器串接三態可變增益放大器，並藉由兩組比較器根據輸入訊號控制可變增益放大器之增益，實現自動切換輸入輸出轉移曲線，提高實用性、偵測範圍及靈敏度，並偵測更小輸入訊號。本偵測系統於28GHz下及線性誤差為1dB以下時，可偵測-47.2 dBm至-5.7 dBm訊號，頻寬為2 GHz，靈敏度最高為41.4 mV/dB，靜態直流功耗為35 mW。 本論文採用Keysight Advanced Design System (ADS)軟體進行電路模擬，被動走線及其他元件之電磁響應模擬則使用Sonnet軟體。晶片量測與模擬結果大致吻合，模擬修正及結果討論將分別於第四章及第五章探討。
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本論文提出了兩項作品。第一項作品是原型發射機，具有內置的PRBS-7測試模式和三抽頭前饋均衡器。 在14 GHz時可提供大約8 dB的最大增強。為了通過復用器將不同相位的四個四分之一速率的PRBS序列合成為半速率數據序列，提出了一種改進的2-to-1復用器。沿時鐘路徑使用佔空比控制電路，並充當電平轉換器。它的最大調整範圍足以抵禦可能的眼睛變形，約為40％至60％。此外，在這項作品中描述了基於傳統CML拓撲的改進的PAM-4組合器，可產生乾淨的56 Gb/s PAM-4訊號。測試晶片在1 V電源電壓下消耗200 mW的功率，並佔用1×0.8 mm$^2$的面積。在差分輸出下，它提供大約600 mV的輸出擺幅，每個電平之間間隔約200 mV。 第二項作品是突發模式應用程序的接收器。該系統可以分別在有效負載和保護時間內在CDR模式和PLL模式之間切換。整個系統可以25.78125 Gb/s或28.05 Gb/s的速度運行，鎖定時間小於100 ns。 CID容限遠遠超過132位。測試晶片在1.2 V和2.5 V電源電壓下的功耗為335 mW，佔用面積為1200 μm x 850 μm。它可以恢復差分輸出的全速率時鐘和數據。
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本論文為一個省面積且基於延遲鎖相迴路之除小數頻率合成器並利用在週期內重複使用延遲單元之方式實現。現今常用的中央處理器和圖形處理器皆採用多個頻率合成器分別給不同核心單元獨立使用，針對不同核心的工作狀態，動態地調整時脈頻率來提供不同的輸出頻率，同時隨著製程的演進，單位面積的製程成本持續成長，因此頻率合成器的面積必須小型化，並且維持同樣的效能。 傳統常見的頻率合成器像是鎖相迴路，一般由相位比較器、電流幫浦、濾波器、振盪器、除頻器所構成。另一種實現方式是倍頻式延遲鎖相迴路，在倍頻的觀念上和鎖相迴路是大同小異的，但其有的特點是用每週期的參考時脈訊號重載於延遲線中去運作，相比鎖相迴路，參考時脈訊號就能夠直接的壓制頻率振盪器的雜訊，結果就會有較佳相位雜訊的表現。而有鑑於傳統的倍頻式延遲鎖相迴路往往需要很大的面積來實現高倍率的輸出頻率，所以在這裡我們提出了在週期內重複使用延遲單元之實現方式，以有效達到減少面積及高倍率輸出頻率的效果，同時也作到除小數的功能，使輸出頻率能有更高解析度的應用。 本晶片使用台積電90奈米互補式金氧半製程，主動區域面積約0.068mm2，在供應電源1.2V下，參考頻率為10MHz，輸出0.6GHz-0.8GHz的頻率範圍，參考突波達到-34dBc，從10kHz積分至10MHz的有效抖動值為7.319ps，在偏移輸出頻率1MHz的相位雜訊為-109.81dBc/Hz，消耗20.4mW功率。
本文將於2024/08/05開放下載。若您希望在開放下載時收到通知，可將文章加入收藏。
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這篇論文的主題主要分為兩個部分，第一部分實現了一個具背景頻率校正之基於時域積分器之鎖相迴路。利用單個時域積分器，頻寬內的相位雜訊以及功率效能均能提升；使用背景頻率校正方法可以使鎖相迴路容忍製程、供應電壓、溫度的變異。引進時序錯綜的方法可以讓參考突波有效下降。量測到的相位雜訊在距離主頻100 kHz、1 MHz、10 MHz下分別為-100 dBc/Hz、-108 dBc/Hz、-110 dBc/Hz。方均根值抖動量為1.5 ps。此鎖相迴路的有效面積與功耗分別為0.0011 mm2以及1.22 mW，雜訊的品質因數為-235.6 dB。 第二部分實現了一個數位鎖相迴路。提出的自動迴路增益校正電路使用頻譜平衡的方法，利用偵測數位相位頻路偵測器輸出的高頻與低頻的成分來調整迴路頻寬使得整體的數位鎖相迴路有最小的方均根雜訊。在沒有供應電壓雜訊的情況下，量測到的相位雜訊在距離主頻100 kHz、1 MHz、10 MHz下分別為-90 dBc/Hz、-95 dBc/Hz、-101 dBc/Hz，其方均根雜訊為3.64 ps。在有5 mVPP 及300 kHz的供應電壓雜訊下，使用提出的自動迴路增益電路可以使方均根雜訊值從8.5 ps降到5.1 ps。此數位鎖相迴路的面積與功耗分別為0.016 mm2以及1.5 mW。
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針對解決在無線協作式網路中支援增強型行動寬頻網路所遇到的挑戰，本論文提出創新的演算法。其中，我們特別針對三個主要的研究挑戰提出我們的演算法，這三個挑戰分別是網路稠密化(network densification)、自干擾消除(self-interference cancellation)和維持營運商利潤 (maintain profitability)。 網路稠密化提升了網路的容量，但也造成干擾限制效能(interference-limited performance)的問題。因此，我們考慮使用廣線性預編碼器(widely-linear precoder)來解決無線協作式網路中干擾限制效能(interference-limited performance)的問題。其中，對於如何在干擾限制效能的網路中最大化速率，improper Gaussian signaling (IGS)已經被證實可以達到比proper Gaussian signaling (PGS)更好的效能。因此，在論文的第一部份，我們研究在多重輸入輸出的干擾廣播通道中使用IGS的權重速率總和最大化問題。在干擾廣播通道中，權重速率總和最大化問題是一個非凸(nonconvex)且NP-hard的問題。因此，為了有效率的計算出最佳解，我們提出了一個共變異數矩陣和虛擬共變異數矩陣分別最佳化演算法。在共變異數矩陣最佳化的部分，我們使用權重最小均方誤差(WMMSE)演算法；在虛擬共變異數矩陣最佳化的部分，我們提出一個可以保證收斂到靜態點的交替式最佳化(alternating optimization, AO)演算法。除此之外，我們提出的AO演算法也可以保證使用IGS的權重速率總合一定比使用PGS的權重速率總合還高。 最近，在協作式傳輸中使用全雙工中繼站受到重視，因為它可以延伸服務覆蓋和提高網路容量。然而，全雙工中繼站的自干擾會嚴重降低端到端速率。因此，如何消除自干擾是全雙工中繼站能否實用化的關鍵問題。另一方面，考慮到中繼站常常被不屬在偏遠區域，我們假設中繼站是透過無線電波能源採集技術來供電。為了有效的利用全雙工技術提升頻譜效率的能力，在本論文中我們使用功率分配(power-splitting, PS)架構來實現無線電波能源採集技術。在PS架構中，一個關鍵的問題是如何設計PS係數，使得中繼站能更有效率的利用採集到的能源來提升端到端速率。為了同時解決自干擾消除和PS係數設計問題，我們提出使用IGS來降低自干擾對於效能的影響並提升端到端速率。其中，為了在全雙工中繼站中使用IGS，我們首先推導出全域最佳的虛擬共變異數和PS係數的關係式。接著，根據這個關係式，我們提出了一個能保證收斂到靜態點的AO演算法。最後，透過模擬結果，我們可以驗證我們提出的AO演算法具有較高的端到端速率。 能源使用效率(energy efficiency, EE)是設計移動網路常見的效能指標，因為網路營運商除了要滿足用戶的需求而且必須降低營運成本(主要是電費)以維持長期競爭力。然而，對於以使用者微中心的服務，使用者體驗品質(quality of experience, QoE)是一個更合適的效能指標。因此，在論文的第三部分，我們提出了一個新的效能指標，也就是quality-energy efficiency (QEE)。QEE結合了QoE和EE，能同時考慮使用者體驗品質和能源使用效率。另一方面，針對如何運用QEE來設計以使用者為中心的節能移動網路，我們提出了一個設計框架。在我們的設計框架中，我們利用大型網路中傳輸的稀疏特性來簡化問題，並利用區塊座標下降法 (block-coordinate descent, BCD)來設計一個保證收斂的演算法。最後，透過模擬結果，我們可以驗證我們提出的演算法可以達到接近全域最佳的效能，並且在各種網路參數下都可以有優異的表現。
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本論文主要研究毫米波接收訊號強度指示系統之功率偵測相關電路，操作頻率為V頻段及Q頻段，應用於無線通訊系統接收端之即時功率偵測。首先回顧各功率偵測相關電路之文獻，並介紹其架構、原理及應用目的，其中包括一低雜訊放大器及兩種功率偵測電路。 本論文第一個電路提出一V頻段低雜訊放大器，利用源極退化電感及雙重耦合變壓器架構達到低雜訊且高增益的目標，並搭配共源極放大器維持良好線性度，量測最高增益為21.5 dB，最低雜訊指數5.7 dB，於60 GHz下IP1dB為-21.4 dBm，IIP3為-10.6 dBm，直流功耗為16.3 mW。 第二個電路則提出一V頻段功率偵測電路，以單一電路將射頻訊號轉為輸出直流電壓，利用串接多個毫米波放大器及並聯整流器的連接系統，完成電路設計，使用變壓器共閘極放大器搭配共源級放大器加上疊接整流器，配合開關切換提高動態範圍，於55 GHz下功率偵測範圍由-33至5 dBm以上，動態範圍一共為38 dB以上，靈敏度最高為14.5 mV/dB，靜態直流功耗為8.8 mW。 最後提出一Q頻段功率偵測電路，因應功率偵測晶片後端的電路解析，將靈敏度作為首要考量，提供更廣的電壓範圍，以變壓器共閘極放大器搭配共閘極整流器實現，搭配開關切換提高靈敏度，於34 GHz下功率偵測範圍由-20至8.5 dBm，動態範圍一共為28.5 dB，靈敏度最高為46 mV/dB，靜態直流功耗為13.2 mW。
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本論文提出了一個快速鎖定延遲鎖定迴路應用於暫態調變固定導通時間控制之四相位降壓型轉換器，並且提出了一個新穎的電感電流均流校正技術，稱為脈衝寬度縮減技術，其可同時校正多相位轉換器中各相位脈衝寬度調變信號的責任週期與相位差。 為了達到更快速的負載暫態響應，我們在延遲鎖定迴路中，採用改良式的雙緣觸發之相位偵測器，亦即自動切換單／雙緣觸發之相位偵測器，藉以達成快速鎖定的機制。 本研究使用之降壓型轉換器，操作於一千萬赫茲之切換頻率，並使用三百三十奈米亨利之電感與二十二微米法拉之電容。輸入電壓為三點三伏特，輸出電壓為一點八伏特，而負載電流範圍為零點四安培到一點四安培。本作品在台積電零點一八微米互補式金屬氧化物半導體製程下，佔晶片面積六點一七毫米平方公尺。
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