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無線雷達收發機與有線發射機之設計

在現代，資料傳輸系統被廣泛應用在我們的生活中，而隨著資料傳輸量需求提升，通訊系統也快速地演進，並在科技進步中扮演舉足輕重的角色。本論文基於無線傳輸與有線傳輸的需求，分別設計一無線收發機與一有線發射機。 (一) 無線收發機 無線收發機與有線資料收發機之最大差別於在於其頻寬之限制。無線傳輸為射頻之應用屬於窄頻帶操作，且針對不同應用，頻帶的選擇上必須依照ISM 頻帶規範，也因此收發機的設計上必須加以考量以符合使用上規範。本論文提出應用於24-GHz 頻帶內之車用雷達收發機。系統為一發四收之架構，且具備一頻率合成器用以提供系統所需時脈。發射端採用二級功率放大器，而整體接收端包含二級低雜訊放大器、威爾金森功率分配器、混波器、可變增益放大器以便取出中頻訊號得以透過後段之數位訊號處理單元分析特定目標之距離與相對速度資訊。此雷達系統之發射端在消耗120 mW 下能提供6 dBm 的輸出功率；單一接收端在消耗30 mW下能提供26 dB 的增益，頻率產生器功耗為120 mW 且能提供250 MHz 的FMCW調變範圍。此雷達系統在40 nm CMOS 製程實現之面積為3.3 mm2. (二)有線發射機 為有效利用製程頻寬，有線資料傳輸基於傳統的NRZ 資料格式，發展出了脈衝振幅調變資料格式。本論文提出一奠基於脈衝振幅調變技術之PAM-8 有線發射機。設計包含高速類比前端電路用以驅動產生PAM-8 輸出訊號，並加入包含2 個抽頭的前饋等化器以補償通道損失。在測試方面，系統內建數位電路之偽亂數產生器(PRBS-7, PRBS-15, PRBS-23, PRBS-31)，且資料序列可透過多工器產生高速資料。針對不同操作速率，電路皆針對其資料頻寬及功耗進行考量。另外為解決高速多工器因實體布局及製程變異所造成的資料取樣點偏移的問題，系統內建一時脈調節電路用以動態確保資料取樣位置。此系統支援 NRZ, PAM4, PAM8 三種資料型態之輸出，且能在451 mW 的功率消耗下能以單通道傳輸每秒高達八百億位元之資料量，此發射端晶片在40 nm CMOS 製程實現下面積為1.3 mm2.

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24-GHz 多調變模式車用雷達系統

現今人們對於汽車主動、被動的安全防護措施越來越重視，以致許多的新車已將車用防撞雷達作為標配，而目前正極力發展的無人駕駛/自動駕駛功能，這也需要多顆車用雷達來支援，隨著科技的進步與環保意識的抬頭，汽車產業將朝零污染和智慧化的方向來發展，未來汽車的電子化程度將會越來越高，車用雷達勢必也會整入為高度電子化汽車的一部分。本論文提出了一個利用40奈米互補式金屬氧化半導體製程之24GHz包含頻率調變連續波與多頻移鍵控模式的一發四收車用雷達，此雷達包含低雜訊放大器、功率放大器、混波器、頻率合成器、帶隙參考電壓電路，本碩文著重在射頻電路設計與雷達系統的分析，低雜訊放大器使用兩級共源極疊接共閘極架構並配合可變增益中頻放大器使得整體接受器增益為37.98分貝，以及發射器提供13.4分貝毫瓦的功率。

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25-Gb/s不歸零碼接收器之設計

隨著通訊系統對資料傳送速率的要求越來越高，100-Gb/s乙太網路系統將開始全面普及，作為乙太網路的重要組成部分，高速接收器電路顯得尤為關鍵，本論文中提出25-Gb/s NRZ接收端，包含了可變增益放大器、限幅放大器、連續時間等化器、自適應的四抽頭決斷反饋等化器、基於相位內插器的全數位時脈資料恢復電路，以及具有三個抽頭前饋式等化器的輸出級電路。 25-Gb/s NRZ接收器在量測上達到在奈奎斯特頻率有11.5dB損耗的輸入資料下仍能恢復出無誤碼(BER<〖10〗^(-12))的全速資料，以及具有輸入資料為50mV擺幅時輸出仍能達到無誤碼的靈敏度，全數位時脈資料恢復電路的抖動容忍度也優於IEEE 802.3的標準，時脈資料恢復電路的迴路頻寬在量測上達到了2MHz到10MHz可調，並且在輸入資料具有100MHz的正弦抖動時電路仍能有0.48UIp-p的抖動振幅容忍度(BER<〖10〗^(-12))，另外基於相位內插器的時脈資料恢復電路具有-720ppm ~ +1120ppm的頻差容忍度，而三個抽頭的前饋式等化器在量測上也達到了將近8dB的補償量，輸出級可將輸出訊號擺福在200mV~800mV之間透過控制碼進行調整，量測上電路即便到28Gb/s、以及30Gb/s的輸入仍能正常運作順利恢復出資料。

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應用於24-GHz車用雷達具多種調變機制之頻率合成器

長久以來，車輛的行車安全一直是人們關心的議題，而近年來交通量的增加，加上自動車的技術逐漸開發，使得在無線通訊領域上，車輛的雷達系統感應及防撞機制又成為了市場關切的需求。 本論文提出了一使用40奈米互補式金屬氧化半導體製程之48GHz多種調變波形之頻率合成器，此頻率合成器與帶隙參考電壓電路、功率放大器、低雜訊放大器、混頻器組成一一發四收之雷達晶片系統。此論文著重於頻率合成器的設計，針對小數型鎖相迴路中的重要電路模組做嚴謹的噪聲分析，並且內建產生各種調變波形之數位電路，以滿足後端雷達系統在不同偵測距離下所需的數位訊號處理資訊。 其頻率合成器的量測結果為在消耗功率為90毫瓦下，其23GHz的時鐘之1MHz偏移頻率下的相位雜訊為-100dBc/Hz，10MHz偏移頻率下的相位雜訊為-115dBc/Hz，並且從100Hz至1GHz積分之方均根時脈抖動為365fs，小數頻率刺小於-59dBc，頻率解析度為119Hz，展頻頻率範圍為250MHz；在雷達系統的量測上，在沒有外部的Sallen-Key濾波器及後端數位訊號處理，僅透過外部收發端天線之增益，並且晶片中的功率放大器提供6分貝毫瓦的功率以及接收器為26分貝的增益情形下，雷達可偵測到之範圍為5公尺以內之目標。

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二硫化鎢薄膜電晶體與二硫化鎢-二硒化鎢異質接面特性探討

本論文使用機械剝離法分離出擁有奈米級厚度的二硫化鎢並利用二氧化矽基板製作出薄膜電晶體。利用光學顯微鏡及原子力顯微鏡的搭配，篩選出較佳厚度範圍的二硫化鎢。二硫化鎢薄膜電晶體的歐姆接觸可以通過高功函數金屬鎳代替低功函數金屬鉻來實現。很明顯地，通過使用鎳金屬電極代替鉻金屬電極，可以將二硫化鎢薄膜電晶體的接觸電阻從231Ω.mm減小到79Ω.mm。為了進一步提高遷移率和降低遲滯特性，二氧化矽基板被六方氮化硼基板取代，因為六方氮化硼具有原子級光滑的表面，相對沒有懸浮鍵，電荷陷阱並且是自然平坦的，可以改善二硫化鎢和氧化層界面之間的性質。對於二氧化矽基板上的薄膜電晶體，其遷移率為38.4cm2 / V-sec，對於六方氮化硼基板上的薄膜電晶體，其遷移率為68.6cm2 / V-sec。對於二氧化矽基板上的薄膜電晶體，遲滯為106V，對於六方氮化硼基板上的TFT，遲滯為12V。二硫化鎢薄膜電晶體在六方氮化硼基板上的最高遷移率為103.4 cm2 / V-s，遲滯為23 V。 除了薄膜電晶體之外，p-n接面是二硫化鎢的另一種應用。為了製造p-n接面，可以用異質接面實現。採用雙極性的二維材料二硒化鎢作為p型，並與n型二硫化鎢結合以製造二硫化鎢-二硒化鎢異質接面。其整流比為4.48×104，理想因子為1.83，代表二硫化鎢-二硒化鎢異質接面是一個真正的p-n接面。最後，使用窄頻的雷射光作為光源測量光學特性。其外部量子效率為3.3％，填充因子為34.8％。

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具備仿射間隙評分法回溯功能之序列映射器平行架構設計

序列排序(sequence alignment)是生物資訊學中一個非常重要的問題，而基於動態規劃的序列映射器可以保證其排序結果為數學上的最佳解，因此有其應用上的不可取代性。然而動態規劃的時間複雜度使相關演算法在面對大量生物資訊時會耗費相當多的時間。過去有許多研究針對動態規劃設計硬體平行加速映射器，但由於記憶體上的限制，通常只提供排序最高分的結果，較少研究強調映射器的回溯(traceback)功能。 本論文提出一專用積體電路(Application-Specific Integrated Circuits, ASIC)設計之硬體加速器，此設計具備仿射間隙評分法(Affine Gap Penalty)的回溯功能。本論文提出兩個方向可以減少序列回溯時的記憶體使用量，並能幫助映射器更好的管線化(pipeline)時序。 本加速器使用台積電40奈米製程實作一個能夠排序兩條最長1024 x 992序列的動態規劃映射器，映射器可以輸入使用不同的蛋白質計分表。電路運作頻率為357 MHz，晶片大小$6.879 mm^2$，功率438.5 mW。在硬體模擬實驗中，我們使用硬體映射器加速MAFFT G-INS-1演算法中最耗費時間的配對排序(pairwise alignment)步驟，包含動態規劃與回溯所花費的時間比起軟體約加速570倍。

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針對機率電路之高效率且低誤宰測試

機率電路是一種極低功耗電路設計的未來走向，機率電路可以在正確率以及功耗當中做出良好的取捨，尤其適合用在一些能容錯的應用像是影像處理以及機器學習。然而機率電路的行為模式比傳統電路來得更加複雜，因為前者在給定相同的輸入圖樣下，有可能會產生不同的輸出結果，我們需要重複很多次測試才能獲得一個輸出的機率分布來描述機率電路，在這篇論文當中，我們提出了一個測試方法特別針對具有機率行為的電路，我們使用了多變數假設檢定來減少測試圖樣的重複次數，我們同時也使用斷層測試來判斷一個接受測試電路的好壞藉此達成減少誤宰的情形，實驗結果顯示我們的總測試圖樣長度比過去技術平均少了82%的長度，我們的誤宰機率也比過去技術平均減少了99%。

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於現場可程式化邏輯閘陣列設計與實現數位積體電路測試器

自動測試機台(ATE)被使用來測試積體電路(Integrated Circuit, IC)的性能與功能，避免缺陷的IC流入市場。格式器(Formatter)在自動測試機台裡是相當重要的核心模組，其負責讀取使用者定義的符號資料(Symbol Data)，以產生待測電路所需的測試波形。接收器(Receiver)是自動測試機台裡重要的核心模組，其將使用者定義的符號資料、探測時序(Strobe Timing)、理想響應(Golden Response)等資訊組合，以接收待測電路響應(DUT Response)。 在本論文裡，我們提出新的低資源延遲線，並使用特殊的布局方式，將多通道測試器實作於Xilinx Spatan-6 FPGA中，利用約束(Constraint)來輔助設計，我們能大幅降低資源使用量並提高面積使用效率。 最後，本論文實作的16個通道數位積體電路測試器，其具有100 Msps符號產生頻率、積分非線性誤差小於0.5 LSB的高精確度與200 ps邊緣擺置解析度。

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窄頻中紅外光於鉤端螺旋體病免疫反應與黑色素癌之效應暨奈米力學在腸病毒檢測之研究

隨著傳染性疾病與癌症導致之抗藥性威脅與日俱增，傳統的治療方法面臨著巨大的挑戰。因此，開發替代性之療法是當前無法避免的趨勢。此外，近年來研究發現紅外光可以調節細胞生理機能，例如影響基因表達、調節粒線體之機制及刺激免疫反應，進而可以調控細胞之生長與代謝。本論文之目的是設計一套可以結合可攜式窄頻中紅外光發射器之細胞培養箱，並進一步研究受到窄頻中紅外光照射後之鉤端螺旋體病的免疫反應與黑色素癌細胞之反應機制。另外，除了研究窄頻中紅外光之生物效應外，本論文另外開發一種透過改良原子力顯微鏡來直接檢測腸病毒71型之技術。 先前的研究發現中紅外光照射對於癌細胞有重大影響，然而窄頻中紅外光對於免疫反應與傳染性疾病之影響仍然未知。因此，本論文之第一個主題是研究窄頻中紅外光對於已受到鉤端螺旋體感染之宿主細胞的影響。本研究中通過鉤端螺旋體外膜蛋白(LipL32)與類鐸受體(TLR2)之間的交互作用，觀察到先天免疫反應的增強。此後，近端腎小管細胞啟動了一系列增強單核球趨化蛋白-1產生之反應。利用波導型窄頻中紅外光發射器產生的六微米波長光源在抗原受體複合物產生階段誘導羰基(C=O鍵)進行拉伸振動，在低劑量抗原(LipL32)刺激下與無受到照射之組別相比，窄頻中紅外照射後的實驗組之單核球趨化蛋白-1基因表達量增加了2.5倍。此外，透過酵素免疫分析法與共軛焦熒光顯微鏡也同時發現通過窄頻中紅外光照射後，低濃度與高濃度抗原(LipL32)刺激的組別之單核球趨化蛋白-1濃度均有顯著增加之現象。另外，本研究發現到一種特殊現象，即窄頻中紅外光透過增強抗原與受體之間的交互作用可以放大微弱的免疫反應之訊號。本研究顯示了明確之證據，即窄頻中紅外光照射可以調節傳染性疾病之早期免疫反應，並且在未來開法宿主定向治療中可發揮潛在作用。 本論文之第二個主題是研究檸檬醛與窄頻中紅外光刺激下對於黑色素癌細胞之影響。實驗結果表明，檸檬醛可以有效抑制黑色素癌細胞之生長。此外，窄頻中紅外光除了可以抑制黑色素癌細胞成長外，並且進一步被發現窄頻中紅外光可以通過抑制活性氧類之產生來調節腫瘤微環境，並經由細胞骨架重新排列而影響細胞遷移。 本論文之第三個主題是開發一種直接檢測腸病毒71型的方法。手足口病是一種對於兒童具有高度傳染力之常見疾病，而腸病毒71型是引起該疾病的主要病原體之一。因此本研究之目的是提出一種快速並且有效之技術且基於生物分子間作用力之機制並通過改良式的原子力顯微鏡技術來直接檢測腸病毒71型。首先，將腸病毒71型顆粒固定至雲母表面，並通過數種化學方法將腸病毒71型抗體固定在原子力顯微鏡探針上。然後使用化學修飾過原子力顯微鏡探針並通過接觸模式測量腸病毒71型顆粒與其抗體之結合力。最後藉由使用原子力成像計算軟體，腸病毒71型之尺寸（平均值±標準差）為31.36±3.87 奈米，該結果與以前文獻一致。此外，腸病毒71型抗原與抗體之間結合力（平均值±標準差）為336.9±64.7皮牛頓，腸病毒71抗體與非特異性樣本之間的力（平均值±標準差）為47.1±15.1皮牛頓且顯著性較小。很明顯結果表明透過測量力之大小並觀察腸病毒71型顆粒/抗體之解除結合事件之發生可以在樣品之間準確地判別出是否有腸病毒71型之感染。因此，結合原子力顯微鏡系統與化學修飾之探針具有成為直接檢測腸病毒71型的快速有效方法之潛力。

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具功率後退功率附加效益提升之功率放大器的實現與應用

本論文以TSMC 90 nm CMOS製程實現兩個操作在5.2 GHz的功率放大器。第一個晶片結合了一個發射與接收的開關、一個低雜訊放大器與一個具有雙輸出功率模式的功率放大器，藉由將發射與接收開關納入功率放大器與低雜訊放大器的匹配網路，達到全積體化的共同設計，避免額外的晶片外元件與連接造成額外的損耗與成本，並且透過切換主動元件開起數目及變壓器的電壓與電流關係，可以使得兩種輸出功率模式的最佳組抗點移動到接近同一點。此晶片操作在接收模式的雜訊指數為3.8 dB，操作在傳輸模式時的輸出飽和功率分別為24.9 dBm與17.2 dBm. 第二個晶片透過一個包絡檢測器將輸入訊號轉換為一個相對應的值，並且經過比較電路後，自動調整對應的閘極偏壓，透過此一切換，在功率退後區域可以節省239毫安培的直流電流。