清華大學電機工程學系所學位論文
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這篇論文提出一個固定複雜度的晶格縮減方法運用於多天線廣播系統的TH預編碼器[1]中。晶格縮減方法運用於TH預編碼器中能達到最大多樣性秩序。但晶格縮減演算法的複雜度非固定，不適合用於硬體實現。在固定複雜度的晶格縮減演算法中，我們考慮固定複雜度的LLL-deep演算法[2]用於TH預編碼器中。固定複雜度的LLL-deep演算法在原始基底做SQR排序和長度減縮。然而我們發現在排序TH預編碼器中，在對偶基底做SQR排序會比在原始基底做SQR排序有更好的效能。所以這篇論文提出一個修改版本的固定複雜度LLL-deep演算法，是在對偶基底做SQR排序和長度減縮，不同於原本固定複雜度LLL-deep在原始基底做SQR排序和長度減縮。另外，因為複雜度是固定的，所以適合做硬體的實現。模擬結果顯示在固定複雜度的晶格縮減方法中，對於固定數目的長度減縮次數，本篇論文提出的方法和固定複雜度的LLL[3]演算法以及固定複雜度的LLL-deep演算法比起來會有較低的錯誤率。LLL[4]的平均長度減縮次數為21，在4-正交幅度調變、四發四收通道中，固定長度減縮次數為24，效能能逼近LLL。在16-正交幅度調變、四發四收通道中，固定長度減縮次數為18，效能能逼近LLL。而且有幾乎和LLL演算法一樣的錯誤率和多樣性秩序。
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由於手持式無線通訊電子產品需求量的增加，為了延長電子產品使用的時間，最直接的方式就是降低操作電壓，使系統達到低功率消耗。而且為了減少電池在電子產品中所占的體積和重量，太陽能將成為另一種提供能源的方式，由於太陽能電池所能供應的電壓約為0.5伏特，因此我們以藍芽( Bluetooth )做為參考規範，設計一個操作在0.5伏特高斯頻移鍵控( GFSK )的解調器。 在這個研究當中包含了兩個部分，一個是將訊號拉到軌對軌( rail to rail )的限幅放大器( Limiting Amplifier )，另一個則是用延遲鎖相迴路為架構的解調器。限幅放大器主要的目地是提供足夠的增益，讓類比的信號轉換成數位信號，為了避免電路本身的雜訊影響訊號，也會對這一個部分進行分析。而解調方面則是將拉到軌對軌的數位信號延遲一段固定的時間，之後將延遲的信號對原來的信號去做取樣，藉由判斷相位的超前和落後，來達到解調的目的。而延遲鎖相迴路( DLL )就是利用回授的方式準確的鎖定我們所需要的延遲時間( 1/3MHz )。 由於大部分電路都是偏數位方面的電路，比較適合操作在較低的工作電壓，此外，數位電路並不消耗直流電流，可以進一步減低功率的消耗。晶片的製作採用台積電0.18um 1P6M 製程來實現，晶片面積為1.54mm2，在此設計當中，選擇以3 MHz作為居中頻率( Intermediate Frequency, IF )，在0.5伏特的操作電壓下，功率消耗為0.2mW。
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自然界的許多神經大多成對出現，例如人的大腦結構多為左右成對出現，但其功能多且雜，除了取得信號的難度性，其神經網絡的複雜性大大增加了分析的變異性以及困難度。將系統劃分，各部分反應各自分析，建立模組，將這些小系統組織時，其變數可縮減為系統與系統間的連結，不失為分析神經網絡的一種方式。 螯蝦的感光細胞就像大多的主要神經細胞一般，為左右成對出現，會自發性的送出神經訊號，當有刺激傳入時，亦有相對應的反應出現；不同的是，CPR為單一細胞，神經網絡較為單純，目前已知在自發性反應之外，CPR還會接受光的刺激以及來自尾扇所感測到的機械型(水流的擾動)刺激，希望藉由先分析CPR的光反應，找出其神經的光反應模式，希冀若能完成光反應的模組，甚至在未來能找到機械型刺激的反應機制，將兩種刺激所形成的交互影響合成，相信將有助於了解神經元多功性作方式；甚至，若在其他複雜的系統有類似的反應機制（處理多型態刺激），試著套用該模型，可簡化系統劃分後的分析步驟。 此論文針對CPR的光反應機制，透過Wiener kernel 的初步分析得知，若能找出第二或第三階的核心反應曲線，即可大致找出CPR的光反應頻率曲線，在未來會做更多的延長測試時間的實驗，讓輸入信號更加的各態經歷，找出的核心曲線更具通測性，使得在預測CPR光反應更加準確。
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在本篇研究中，我們設計了一個類比中頻電路應用於一單路徑低中頻的FSK接收機，整個接收機則是適用在藍芽低功耗的通訊系統當中。在此接收機當中，包含了射頻前端電路，可變增益放大器，以及一個FSK解調器。藍芽低功耗無線通訊系統使用了高斯頻率鍵控(GFSK)做為調變方式，比起傳統的藍芽無線通訊，藍芽低功耗降低了系統規格的需求，並希望借此讓整理電路達到更低的功率消耗。利用此一寬鬆的系統規格，我們提出了一個單一路徑架構的低中頻接收機來達到較低的直流功率消耗。其中單一路徑接收機架構是借由在藍芽低功耗的特殊頻譜特性中選擇適當的中頻頻率來達成，在本研究中此一中頻頻率為0.5MHz。 在射頻前端電路中，我們使用了一個被動組態的低雜訊放大器以及混頻器來提供電壓增益以及完成降頻的功能，並且不需要直流功率的消耗。但是比起傳統的主動式元件，此一方法將會增加後級電路的雜訊表現之需求，為了降低雜訊表現以及直流功率消耗之間的抵換(trade-off)，我們在射頻電路後級的可變增益放大器中使用了雜訊抑制的電路技巧，比起傳統以增加直流功率消耗來換取雜訊表現的方式，此一技巧可在功率消耗與雜訊表現中取得更好的平衡。在解調器方面，由於我們所選擇的中頻頻率(0.5MHz)比資料傳輸速率(1MHz)還要低，這將會使得傳統文獻中常用的限幅式(limter-based)解調器無法使用。因此我們提出了一個相位領域的解調器專門為了解決在中頻頻率比資料傳輸率低的情況。此一相位領域解調器在電路實現上採用了三角比率的量化器，將接收到的訊號轉成相位資訊並在相位上做FSK的解調。如此一來即使中頻頻率低於資料傳輸率解調器仍然可以正常動作。這三個電路設計在0.18um的製程之下，操作電壓為1.8V，消耗功率則為1.71毫瓦。
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近幾年來，生醫電子已經越來越受到大家的注意以及重視，許多研究報告顯示，生醫電子可以用來治療許多已知的疾病，並且改善病人的生活品質，因此，有許多研究開始討論如何製作植入式生醫系統，然而要設計一個植入式生醫系統必頇面臨許多挑戰，其中一些必要的條件是安全、小體積和低功耗，現今，隨著科技進步，融合離散電路的生醫晶片正符合植入式生醫系統的要求，也因此受到廣泛的研究討論。對於生醫晶片而言，很重要的一部分是神經電刺激系統，神經電刺激系統可經由充放電的機制，用來模擬並觸發神經細胞的動作電位，如此一來即可建構出電子系統與生物體本身的溝通橋樑，將電子信號轉換成生物體能接收的神經訊號，藉以輔助或者取代生物體本身喪失功能的部分。 本論文所主要研究的內容即是關於神經刺激電路的設計，一個好的神經刺激電路，必頇能輸出高對稱性的Bi-Phase波形，以及精準的控制刺激電流的強度與持續時間，還要考慮到維持電荷的平衡。隨著製程技術的演進，基於新製程能提供較高的電路集成密度，能降低製造成本，以及節省耗能的原則下，會希望使用新的製程技術取代舊有的，然而，由於生物體本身神經細胞的差異性較大，並且擁有高阻抗的輸出阻值，加上電流需要量大的緣故，導致儘管利用新製程技術，降低了功耗，免不了還是要整合高電流輸出的高壓神經刺激電路，因此，本論文即是針對高電壓的神經刺激電路做進一步的探討及研究，並提出了「浮動電壓」以及「折疊電壓」兩項創新的思考方向，並設計高壓感測電路，配合控制摺疊電壓的參考電位，如此一來可將低功耗的數位控制電路以及需要高壓環境的刺激電路整合在一塊，達成ASIC的概念，本論文最後利用TSMC 0.18μm 1P6M CMOS製程技術，將想法轉化為實際電路，製造出晶片並加以驗證，再依據量測結果與模擬比對之後並加以探討，其中特別針對高壓操作環境下，高壓對於晶片本身的影響破壞做分析討論，最後對本次的晶片設計提出改良意見，以提供後續研究做為參考資料。
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本論文旨在研製以數位訊號處理器為主具降-升壓切換式整流器前級之無位置感測切換式磁阻馬達驅動系統。為瞭解切換式磁阻馬達之驅動控制關鍵實務，首先設計建構一標準切換式磁阻馬達驅動系統，並實測評估其性能。藉由適當設計之電力電路、感測電路、電流控制脈寬調變機構及動態控制，所建驅動系統具良好之操控特性。接著，建構一降-升壓切換式整流器前級以建立可升壓及具良好調節特性之直流鏈電壓，以改善馬達驅動系統之驅控特性並具良好交流入電品質，文中並實測比較切換式整流器操作於不連續導通模式和連續導通模式下之操控性能。為達控制機構之小型化，以一共通數位訊號處理器實現切換式磁阻馬達驅動系統及其切換式整流器前級之所有數位控制法則。 最後，本文開發基於電壓窄波注入之切換式磁阻馬達無位置感測控制技巧。經由數位訊號處理器內建之脈寬調變通道，注入適當頻率及導通時間之脈波電壓於馬達之非激磁相線圈，由感測之轉子位置調幅波狀線圈電流經訊號處理獲得估測之霍耳訊號。在無位置感測操控上，馬達先以步進馬達方式起動，俟建立適當轉速後，即切換至切換式磁阻馬達操作模式。在速度迴授控制方面，馬達之轉速利用所提之估測機構由感測之四相線圈電流估算得之。此外，應用換相前移技巧以提升無位置感測切換式磁阻馬達之轉矩產生能力，亦即強化共轉矩-安培比。一些實測評估顯示所建構之無位置感測切換式磁阻馬達驅動系統具寬廣速度範圍之良好驅控性能。
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電子鼻對於氣體的監測與辨識能力是非常有價值的，它可以使用於非常多應用上，例如環境監測、食品加工、汙染測試與醫療診斷等。雖然人類的嗅覺能力是遠遠超過任何現有的儀器，但在許多應用過程不能由人類嗅覺進行偵測，例如偵測環境中的有毒或其他危險氣體時。並且與傳統氣相層析儀比較，電子鼻有體積小、更輕便與低成本的優點。 本研究的目的在發展適用於電子鼻晶片中與標準CMOS製程相容之積體化導電聚合物氣體感測器陣列及其適應介面電路。導電聚合物氣體感測器為聚合物和碳黑混合物，當其暴露於化學氣體中，聚合物會產生可逆性膨脹造成電阻值的變化，並且導電聚合物感測器的初始電阻值會受到溫濕度的影響，因此本論文提出一適應介面電路可消除溫濕度造成的基線信號漂移。另一方面隨著微機電製程的進步，關於導電聚合物氣體感測器的微小化已有相當多研究，但多是於實驗室自行後製程完成，並未達到與標準CMOS製程相容，故本論文提出使用標準CMOS製程製作感測器，此研究方向對於發展可攜式電子鼻系統相當重要，能將感測器與電路作整合，達到微小化、低功率、低雜訊與低成本。
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本論文旨在開發一應用於冷凍空調系統之馬達驅動系統，其包含一弦波驅動無位置感測內置磁石式永磁同步馬達驅動之壓縮機、一方波驅動表面貼磁式永磁同步馬達驅動之風扇以及一單相升壓型切換式整流器前級由市電建立共通直流鏈電壓，並具有良好之交流入電電力品質。所建驅動系統之三個組成電力電路之全數位控制均由單一共同數位訊號處理器為之。 所建構弦波馬達驅動壓縮機之無位置感測控制器，利用所發展之兩種以內部模式為主反電動勢估測無位置感測方法為之，並進行性能比較評估。至於方波馬達驅動之風扇，其無位置感測控制係以感測之馬達線圈端電壓為之。對於此兩種無位置感測控制之永磁同步馬達驅動系統，均採適當之換相前移以改善不理想控制之驅動性能劣化，尤其在高速運轉情況下。另外，亦考慮較平滑且降低電流之啟動方式。 最後在本文所建構之單相切換式整流器前級方面，其具磁滯電流控制內迴路及外電壓控制迴路。利用簡易之強健控制技巧，改善電流及電壓之控制性能。此外，進一步開發隨機切換策略，應用於固定磁滯帶與正弦磁滯帶之電流控制脈寬調變機構，並由實測觀察其對電流諧波頻譜分散性及切換式整流器之操作性能影響。
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本論文旨在建構以數位訊號處理器為主具三相升壓切換式整流器前級之切換式磁阻馬達驅動系統，並對馬達驅動系統具不同電流控制脈寬調變機構及切換式整流器架構進行實測性能比較評估。首先，在探究磁阻馬達之基本實務及關鍵技術後，建構一以修正型米勒轉換器供電之切換式磁阻馬達驅動系統。在採行斜率比較電流控制脈寬調變及磁滯比較電流控制脈寬調變下比較評估其操作特性，含電流波形、振動及速度紋波等。此外，亦觀察使用隨機切換及換相前移之馬達操控特徵。 接著，在切換整流器之開發方面，首先設計需實現一個三相單開關升壓型切換式整流器，其操作在不連續導通模式而無電流控制，可獲得提升之直流輸出電壓及良好之交流入電電力品質。接著應用零電流轉移軟式切換技術以避免主開關因硬式切換具有之缺點。另外亦提出一個三相無橋式切換式整流器以提升標準三相單開關切換式整流器之效率。最後，組立具三種三相切換式整流器前級之切換式磁阻馬達驅動系統，並以實測結果比較評估其驅動特性。
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三階中性點箝位轉換器常被用來做為高功率應用例如馬達驅動之轉換器。與二階轉換器相比，三階中性點箝位轉換器之開關元件跨壓，在相同的直流鏈電壓下只有二階轉換器的一半。三階中性點箝位轉換器可輸出三個等級的相電壓，與五個等級的線對線電壓。故能夠有效降低輸出電壓與電流的諧波成份。 三階中性點箝位轉換器的操作效能與其脈寬調變的方式有很大的關係。在常見的脈寬調變技術有兩大分類：弦波－三角波調變法以及空間向量調變法。本文選擇了弦波－三角波調變法中的相位配置脈寬調變法，較空間向量調變法簡單且易於控制器中實現，並能減少控制器運算量。利用三相電壓命令計算適當的零序注入電壓，便可以得到等效於空間向量調變法之控制應用，能提升直流鏈電壓利用率，並有效減少轉換器輸出電壓與電流的諧波失真。 中性點電位的浮動問題是三階中性點箝位轉換器的重要議題之一。在一些不平衡的負載或是非常態的切換方式下，中性點電壓可能會持續變動或是漂移到不受控制的準位。導致輸出性能的降低，甚至引起開關元件過壓而損壞。本文以空間向量調變法中的多餘切換狀態分析中性點電流，並提出以載波調變技術為基礎加入零序注入電壓控制多餘切換狀態的控制法。能依照直流鏈電容分壓的資訊選擇適當的多餘切換狀態對電容充放電，達到中性點電位控制的效果。本文所提出之控制法能透過模擬與實驗的結果驗證。
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