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具相位控制頻率校正功能之超音波換能器驅動電路設計及應用

以壓電式超音波換能器進行發射或是接收等等的技術也廣泛應用在生活的各個領域中，例如：超音波影像、汽車倒車雷達、超音波淨水、醫學治療…等等。然而壓電材料的特性會隨著環境或是製程漂移等等因素而有所改變，使得其最佳的操作工作點也會隨之改變。因此在本論文中，將對壓電式超音波換能器的運作原理及其等效電路作詳細的探討，得知超音波換能器的最佳收發頻段，並以自動操作於此頻段為基準，提出一個電路能藉由相位控制的方式，主動尋找最佳收發頻率，並校正壓電材料偏差特性造成的頻率漂移，同時驅動超音波換能器，使之發射超音波。最後實作該電路並以驅動不同操作頻率的超音波換能器來作對應及驗證。實驗結果顯示，對於不同的超音波換能器，能將其操作在最佳收發頻率，並且其誤差小於0.15%。

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具降低偵測錯誤率之77-GHz長距離汽車雷達收發機

安全，無疑的是汽車運輸的主要議題。因為可以在白天、夜晚以及大多數的天氣狀況下良好運作，毫米波雷達有優於其他如超聲波、紅外線和雷射雷達技術的特性。毫米波長距離雷達操作在76到77 GHz，提供150公尺的自適應巡航控制範圍。自適應巡航控制系統可感測與目標的距離和相對速度，以保持足夠制動距離。由於具有比頻移鍵控式和脈衝式雷達較高的效能成本比，長距離汽車雷達最常使用的訊號類型是連續波頻率調變。隨著CMOS製程技術的發展，因為其低成本且高整合度的特性，使得CMOS毫米波電路變得更具有優勢。這使得汽車雷達可能更加普及。因為越來越多的汽車雷達在同一個鄰近區域裡操作，干擾將成為一個問題。這提高了偵測錯誤率，導致虛假目標偵測。在本論文中，我們設計了一個具有降低互相干擾之全積體化77 GHz長距離汽車雷達收發機。和直接數位頻率合成器比較，使用分數型頻率合成器產生連續波頻率調變訊號，具有小面積以及低功耗的優點。採用跳頻隨機掃頻連續波頻率調變，可以降低因互相干擾所導致的偵測錯誤率。調變使用跳頻、改變頻寬以及掃描時間的方式，使得干擾訊號在降頻之後，有如同雜訊般的響應，主要訊號得以辨認。電路使用TSMC 65奈米製程研製。晶片面積為，長1030 μm寬940 μm。接收機增益以及雜訊指數分別為23 dB以及14.8 dB。發射機的輸出功率為6.4 dBm。在1/64的輸出頻率下，多變的連續波頻率調變使用訊號分析儀的類比解調功能測試。電路總功率消耗為275毫瓦。

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具高能源效率寬操作範圍之靜態隨機存取記憶體設計與實現

嵌入式記憶體在現今高效能低功耗晶片中有很重要的地位，隨著資料需求量的上升，佔據了處理器相當大比例的面積與功率消耗，如果能針對記憶體這部分進行設計，提供高能源效率、低功耗及低電壓操作的記憶體，即可以大幅度減少處理器的整體功率消耗。在許多的半導體記憶體技術中，靜態隨機存取記憶體因為具有高速及低功耗的優點，更是扮演著不可或缺的角色。 本論文提出一具有寬廣操作範圍的靜態隨機存取記憶體，使用TSMC TN40G的製程工作，電壓範圍為0.35v~0.9v，能根據性能要求來調節系統供應電壓源，可操作於低電壓下幫助降低整體晶片的功率消耗，也可工作於較高電壓達到效能上的需求。此一靜態隨機存取記憶體使用合併資料線的八電晶體靜態記憶細胞元，並且利用階層式架構的讀寫資料線以降低負載和增加讀寫速度。利用可隨著工作電壓動態調整的爆發式讀寫字元線技術(adaptive boosting WL/RWL)，增加記憶體的讀取與寫入能力；同時也提出隨著工作電壓動態調整的低擺幅讀取資料線技術(adaptive low-swing RBL)，減少讀取時的功率消耗與降低讀取延遲。在對抗製程變異的設計技巧上，虛擬記憶體控制單元(dummy row/column control)可有效的模擬全域性製程變異所帶來的影響。而對於減緩區域性製程變異所帶來的影響，則是提出了區域性額外爆發式讀寫字元線技術(extra-boosting WL/RWL)，針對特定記憶體區塊提供更高電位的爆發式字元線。利用上述所提到的架構，我們完成一個具有寬廣操作範圍、高效能與高能源效益的64Kb靜態隨機存取記憶體。

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一個十位元高速的子範圍類比數位轉換器

本論文提出一個基於相位偵測的低雜訊比較器使用在子範圍類比數位轉換器。可以減低熱雜訊並且有較低機率發生亞穩態的特性。一個十位元的子範圍類比數位轉換器由3.9位元的快閃類比數位轉換器和7位元的循序漸近式類比數位轉換器組成。本論文提出的類比數位轉換器使用台積電的40奈米低功耗製程製做完成。此類比數位轉換器達到54.41dB訊號雜訊失真比，操作在160MHz的取樣頻率。在1.1V的電源供應下消耗2.7mW。品值因素達到39.4fJ/convertion-step。核心電路面積佔據0.0475平方毫米。

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小腦皮質層神經元的震盪放電降低其資訊含量

震盪放電(oscillatory firing)在大腦訊息處理上被認為在遠距離腦區間的訊息溝通上扮演重要的角色，然而其功能在小腦(cerebellum)中仍不清楚。小腦皮質(cerebellar cortex) 為小腦結構中重要之訊息中心且分佈著多種的神經細胞，其中Golgi細胞與Purkinje細胞則是兩個重要神經元。Purkinje 細胞是小腦皮質中唯一的輸出神經元，而Golgi細胞則與小腦皮質輸入級的信息調節有關。此兩類神經細胞皆具有較大的細胞本體 (soma) 與樹突結構 (dendrite) 可產生較大的影響也具有震盪放電的表現。基於探討此二類小腦神經元的震盪放電行為，本論文主要使用Long-Evans大鼠 (rat) 作為實驗的模式動物，以電生理記錄方式記錄小腦皮質中的Purkinje 與Golgi細胞之放電型態，使用自相關分析 (auto-correlogram) 與快速傅立葉轉換 (Fast-Fourier Transform, FFT) 處理所記錄到之神經元放電信號。另一方面也估算其震盪程度並以訊息熵 (Shannon Information Entropy)估計此兩類神經元在動物清醒與麻醉下之信息含量。本論文開始先探討其相關背景，而後分成三個部分實驗探討：首先，以比較於此二類神經元在清醒及以urethane深層麻醉下的差異，以對其神經元基本放電特性作探討；第二部分將使用酒精誘發之運動失調症 (ataxia) 做為動物模式於實驗中，研究小腦神經元在行為功能異常下之表現。因為酒精在世界各國都被廣泛飲用，小腦也是酒精影響的一個主要區域，然而其詳細的作用機制與對中樞神經系統的影響仍尚待研究。此外酒精亦可類比作一個較淺層麻醉效果，可與深層的urethane麻醉作比較，探討在不同程度麻醉下其神經元之放電特性。最後以自然生理的表現下之非清醒行為 (即睡眠) 作為動物模式比較藥物作用下的Purkinje細胞放電表現。實驗結果顯示此二類神經元的震盪性放電多發生於深層的麻醉狀態，且在震盪放電的表現下，其信息含量較低。在清醒動物的酒精實驗方面，酒精會提高小腦中的GABAergic中間神經元 (Golgi cell)，但會降低Purkinje細胞的放電頻率，此外也發現酒精會誘發Golgi細胞與Purkinje細胞產生震盪放電的行為。由於Golgi 細胞會抑制mossy fiber-granule cell系統的活性，給予酒精所造成之Golgi 細胞的放電頻率上升可能會增強抑制小腦皮質的訊息輸入，進而影響Purkinje細胞內的信息量。因此，由以上的實驗結果顯示，麻醉與酒精處理之大鼠，其小腦皮質內之Golgi與Purkinje 細胞會產生震盪性放電，且於震盪性放電下由Shannon Information Entropy所估計的信息含量較低。進一步比較在睡眠下的Purkinje 細胞的活性亦顯示類似的結果，其放電率有下降的趨勢且同樣表現震盪性放電。藉由比較不同狀態下的神經元放電模式得到，震盪的程度在非清醒狀態顯著高於清醒狀態，且訊息量亦隨震盪程度下降而增加。故小腦皮質神經元震盪性放電下，有較少的處理信息量。

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以人因分析為基礎之立體影像觀看舒適度最佳化及 雙視角轉多視角方法

在此篇論文中，我們提出了一個可將雙視角立體數位內容轉為多視角立體數位內容的方法。此方法是以人因實驗之結果作為基礎，對輸入之立體數位內容做深度方面的最佳化，以保證觀測者觀看時不感到視覺疲勞、頭暈等負面感受。 隨著立體電影再次在面板業間引起熱潮，兩個關鍵因素仍然抑制著立體電視蓬勃發展。第一個因素為人在觀測立體數位內容時，常感到視覺疲勞或頭暈等症狀，而另一個因素為觀測立體內容時必須配戴專用的立體眼鏡的不方便性。第一個問題已由此篇論文所敘述之方法解決，而隨著面板製造業的廠商正努力於解決第二個問題，此篇論文同時提出了可由雙視角立體數位內容轉換出多視角立體數位內容的方法，防止未來裸眼立體電視大量生產時相應的多視角立體數位內容供不應求。此套方法所涉及的相關技術包含視差計算、影像分割、深度調整法、深度傳播以及影像濾波等。 此方法各個步驟中包含了多個新提出的演算法，其中包含了高精確度的視差計算方法、加速視差計算的方法、改善經深度調整後之影片連續性的方法、避免調整深度時產生嚴重變形的方法，以及最終目的－改善觀看立體內容時視覺疲勞或不適的問題。為了檢測這些新方法的效果，我們設計了幾項實驗。針對視差計算的方法，我們與其他已公佈之方法比較精確度與速度。至於可相容於其他系統的幾種加速或改善方法，我們以自己建立的系統測試使用了這些方法的前後結果。實驗結果顯示這些新提出之方法確實有效並可改善整個立體數位內容處理系統。

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應用於SATA-III且具有自我調變以Δ-Σ鎖相迴路為基底之6 GHz展頻時脈產生器

在這份研究中，採用台積電90奈米混和訊號製程，實現一個應用於SATA-III且具有自我調變以Δ-Σ鎖相迴路為基底的6 GHz展頻時脈產生器。 　　首先我們採用鎖相迴路來產生中心頻率為6 Ghz 的時脈訊號。為了能對抗製程、電壓和溫度的變異，我們設計12個操作頻帶的電壓控制震盪器，使其具有足夠大的頻率調控，以及低增益的優點；為了使鎖相迴路能自動的選擇其操作頻帶，採用一個負回授，具有自動偵測鎖定頻率的調變系統。在展頻時脈的設計方面，採用一個二階23位元Δ-Σ調變器來調變多模除數除頻器，使鎖相迴路具有展頻的功能。Δ-Σ調變器的輸入端採用一個頻率為31.9 KHz的三角波來調控鎖相迴路的展頻範圍。以上兩者皆採用標準單元的方式來實現。 　　在實驗結果方面，測得其向下展頻量為5000 ppm，亦即操作頻率為6 GHz至5.97 GHz；其電磁干擾（EMI）的功率衰減量為15.46 dB。在鎖相迴路操作模式下，測得其峰對峰值與均方根值抖動量分別為3.3403 ps和26.2 ps；在展頻時脈產生器操作模式下，測得其峰對峰值與均方根值抖動量分別為3.7843 ps和32.9 ps。此晶片的核心電路面積為0.085 mm2，當操作頻率為 6 GHz 的時候，其功率消耗為15 mW。

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寬頻有線通訊之快速穩定及高線性度自動增益控制設計

有線通訊因其高資料頻寬及可靠性在多媒體資訊傳輸上催生了許多研究發展。在數位家庭中，電力線通訊在多通道訊號傳輸中使用正交分頻多工調變達成高資料速率。接收器在前綴訊號期間透過自動增益控制評估通道特性，在有線通訊中，此機制扮演調整接收訊號敏感度的重要角色。 本論文旨在接受器前端高線性度以及快速穩定自動增益控制之分析與設計。兩個關鍵類比電路在此提出：一個高線性度、重構基礎可變增益放大器以及一個快速穩定前饋式自動增益控制。在可變增益放大器中，藉由可適性偏壓電路改善互補式放大器之線性度；採用二進制加權切換虛指數逼近技巧達成對數線性化的增益控制；另外也採用重構式可變增益放大器以減少寄生效應及電路複雜度。在自動增益控制中，提出一個適用於正交分頻多工接收器之前饋式架構達到快速迴路反應效果，其電路架構分析以及實務考量將在本論文中詳述。 藉由90-nm互補式金氧半導體製程實作本專題。實驗結果顯示，可變增益放大器之線性度可適用於正交分頻多工解調1024 正交振幅調變；在1.2伏特電源供應下，自動增益控制消耗3.7毫瓦，收斂時間小於0.1 微秒。

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可重複利用基板的單晶矽晶圓薄化技術與矽奈米結構/有機混成型太陽能電池的效率提升

能源短缺以及由石化燃料產生排放的溫室效應氣體已成為近十年全球重要的議題。因此，太陽能電池成為極佳的石化燃料替代能源。然而以目前主流的晶矽太陽能電池來看，它的成本依舊很高，且大部分來自矽晶圓與電池製造的成本。一些可能的替代方案如薄膜太陽電池由於相較起晶矽太陽能電池效率仍然很低，因此現階段仍無法取代晶矽電池的地位。所以，我們的目標便是降低晶矽的成本以及製作較便宜的高效率太陽能電池，以期能超越現今的市電同價成本。 在本論文中，我們著重兩部份的改進。第一，我們嘗試用薄化與重複利用矽晶圓來降低材料成本。我們並以溶液為本的金屬輔助化學蝕刻法 (MacEtch) 來制備矽奈米結構與薄膜。透過這個晶圓薄化技術，原則上一片單一的矽晶圓可以被使用來製作超過70片以上的薄膜。有了矽奈米結構的輔助，矽薄膜在很薄的矽材料中呈現出非常突出的光捕捉效應。實驗結果顯示我們的薄膜在經X光繞射(XRD)量測後有單晶特性，並且6μm得厚度就可以擁有超過98%的吸收率(此吸收率是經由積分球量測出來的穿透率和反射率計算而得)。 再者，我們的薄膜在經過矽晶圓重複使用後仍能達到高效率的光吸收。透過蝕刻加熱法或增加雙氧水/氫氟酸的體積比例來拋光晶圓，矽晶圓可以再重複使用。我們的結果顯示雙氧水/氫氟酸的體積比在1:1時，薄膜的材料利用率可達93%以便減少材料損耗。 第二，我們可以藉由使用有機材料來降低晶矽太陽能電池的製程成本。矽與有機混合的太陽能電池具有低溫製程的優勢，且使用薄又透明的有機材料可以使矽材料有更多的吸光。在實驗過程中，我們透過不同催化劑銀的分佈來改變矽奈米結構的填充率，可以有效降低奈米結構的反射率。實驗結果顯示52.2%高填充率的矽奈米緞帶有7.7%的低平均反射率及8.7%的功率轉換效率(η)。這裡和矽奈米結構搭配的是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/ITO結構。當奈米結構的填充率增加到60%以上時會形成奈米洞的結構。從結果來看，用深度淺的矽奈米洞可以達到高短路電流(Jsc)以及高功率轉換效率是因為奈米洞極佳的光捕捉。最佳的矽奈米洞/PEDOT:PSS元件表現為37.8 mA/cm2的短路電流與10.8%的效率。在開路電壓(Voc)與等效少數載子生命周期(τ)的研究上顯示在矽表面上的載子複合與元件表現有很緊密的關係，並經由分析找出奈米洞光捕捉與表面載子複合的平衡。在未來可以透過我們可重複利用晶圓的薄化技術與矽奈米洞/有機材料搭配的結構來達成具有前瞻性的高效率低成本太陽能電池！

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使用校正技巧於電荷泵與頻寬的CMOS寬頻鎖相迴路

本論文提出了採用0.18微米和90奈米CMOS互補式金氧半導體製程的低突波寬頻鎖相迴路，電荷泵電流校準技術使得鎖相迴路在寬頻率範圍內保持恆定的迴路頻寬，並實現較低的參考突波。第一級電荷泵電流校準和機制與自動頻帶跳頻控制整合一起，校正迴路頻寬同時確保足夠的負電導提供電壓控制的振盪器在整個頻率範圍內發揮作用。第二級電荷泵電流校準電荷泵電流不匹配與脈衝寬度的縮放技術相結合。CMOS 0.18微米PLL操作在4.7-6.1GHz，參考突波低於68.5分貝，在1MHz偏移情況下相位雜訊為-116dBc/Hz。CMOS 90 奈米PLL操作在39.5-47.1GHz，參考突波低於57.6分貝，在1MHz偏移情況下相位雜訊為-92.35dBc/Hz。