中央大學電機工程學系學位論文
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本論文利用微小化之超寬頻帶通濾波器為主軸，以應用於ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) Band-1無線電波天文望遠鏡接收機。此帶通濾波器為接收系統內混波器後端之中頻濾波器，濾除雜訊干擾後將訊號傳遞至低雜訊放大器。電路製作上，以橋式T 線圈作為基本組件，採用積體被動元件(Integrated passive device,IPD)製程實現，以縮小電路尺寸利於系統封裝。 電路設計上，首先介紹以積體被動元件實現之橋式T 線圈，橋式T 線圈能夠寬頻地等效傳輸線並達成電路面積微型化。微小化之超寬頻帶通濾波器，系採用多模態與分散式兩種傳輸線濾波器為架構，配合橋式T 線圈使用，能維持電路表現，並電路面積遠小於傳統濾波器所需。其中多模態寬頻帶通濾波器中心頻為8.5 GHz，電氣尺寸僅為中心頻率下之0.044λ0×0.052λ0；分散式寬頻帶通濾波器中心頻為8.2 GHz，電氣尺寸僅為中心頻率下之0.055λ0×0.063λ0。 ALMA Band-1接收機系統之中頻帶通濾波器規格要求：通帶內植入損耗越平坦越好或是通帶內低頻損耗能略大於高頻損耗。本論文使用被動等化器串接於微小化多模態帶通濾波器之後，以消除集膚效應(skin effect)造成損耗隨頻率變大的現象。此改良植入損耗之多模態寬頻帶通濾波器電路面積為1.6923 mm×1.931 mm，而電氣尺寸在中心頻率8.5 GHz下為0.048λ0×0.052λ0。 本論文所實現微小化之超寬頻帶通濾波器，透過橋式T 線圈的技術能有效縮小電路面積，並加入等化器以增加通帶平坦度，皆使用積體被動元件(IPD)製程，如此實現ㄧ易整合於ALMA Band-1接收機中微小化之帶通濾波器。
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本論文著重在ALMA(Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) 第一頻帶(Band-1) 無線電波望遠鏡接收機前端之被動電路設計。接收機前端架構為由圓形號角天線(Horn Antenna) 再接至正交模態轉換器(OMT, Orthomode Transducer)，經由OMT將接收到的電磁波訊號拆解成兩正交之訊號，交由後級低雜訊放大器先經過濾掉鏡像訊號之帶通濾波器，在接至解決LO-to-RF訊號之吸收式帶止濾波器，最後傳遞到混頻器將訊號降至中頻。 首先，延續過去的研究，帶通濾波器部分選用Trisection為主體架構，此架構能在低頻側提供一傳輸零點提高選擇度，且有電路面積較小的優點，實作在砷化鎵製程以提高系統整合度。 再者，選用耦合線架構之帶止濾波器，並引入適當電阻值，能夠有效吸收止帶內之反射訊號，以達到吸收式止帶效果，並實作在砷化鎵製程上。 最後，隨著台灣加工廠技術的進步，能夠提供更精細而準確的加工精度，在OMT的Double-Ridge Junction、90-degree Bend-plane、Power Combiner能夠使用更平滑曲線進行設計，在本論文中，提出一適當設計流程，設計出適用於Q-band之OMT，並在最終實作中選用鋁金屬為製作材料。
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本論文以微型化寬頻雙頻帶通濾波器電路為主題，使用集總元件構成橋式T線圈取代傳輸線，同時達到寬頻響應之設計與微型化的效果。而在電路的製作上，則以平衡是電感與平行板電容，於積體被動元件(IPD)製程實現微型化之橋式T線圈之基本組件，進而完成寬頻雙頻帶通濾波器之設計。 在電路設計的部分，首先以積體被動元件製程實現各式橋式T線圈做為測試電路，驗證橋式T線圈於電路模型與萃取方法之可行性。接著將橋式T線圈之設計應用於寬頻雙頻帶通濾波器之設計，藉以大幅縮小電路面積且不使頻寬減損。雙頻寬頻濾波器中心頻率皆設計為1.5 GHz，使得此寬頻雙頻帶通濾波器應用於無線通訊裝置之LTE系統，其中實現在印刷電路板時，電器尺寸為中心頻率下的0.52 λ0×0.475 λ0，雙頻帶之頻寬分別為106.5 %及33.8 %，於兩通帶中心頻率下之植入損耗各為0.36 dB及1.01 dB，通帶內反射損耗皆大於16 dB；實現於積體被動元件製程之電器尺寸為中心頻率0.015 λ0×0.024 λ0，頻寬分別為100.7 %及32.1 %，於兩通帶中心頻率下之植入損耗各為2.14 dB及3.64 dB，通帶內反射損耗皆大於15 dB；而以部份印刷電路板(PCB)和部分積體被動元件製程實現之電路電器尺寸為中心頻率下0.26 λ0×0.265 λ0，而頻寬分別為101.7 %及27.01 %，於兩通帶中心頻率下之植入損耗各為0.95 dB及1.97 dB，通帶內反射損耗皆大於13 dB。 相較於既有的參考文獻，本研究利用橋式T線圈可以有效縮小電路尺寸，並且不減損頻寬，進而達成實現寬頻雙頻帶通濾波器之微型化設計，可助於將寬頻雙頻帶通濾波器在手持式之無線通訊裝置系統中有效應用。
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本論文藉由選擇性氧化複晶矽鍺奈米柱/氮化矽/矽材料的結構，來達到低成本、具自我對準且一體成形之鍺奈米球/二氧化矽/矽鍺合金之金氧半異質結構，並且以此結構做成矽鍺電晶體。之前本實驗室已驗證出此結構的介面缺陷約為3.5-5.5×1011 cm-2eV-1 ，足夠做為元件等級的介面，但目前本實驗室都是藉由濕氧900度來氧化矽鍺柱，形成4-5 nm的二氧化矽以及約10 nm的矽鍺合金層，對現今電晶體來說閘氧化層都已微縮至1 nm以下。所以想透過不同的氧化退火條件，來達到可以控制二氧化矽層的厚度，並且想利用SOI 基板使矽鍺合金層被二氧化矽限制住，讓矽鍺合金層的鍺濃度提升，進而增加矽鍺通道的載子遷移率。 我們做了一系列調變氧化退火條件的實驗，藉由調變氧化時氧流量、矽含量及氧化溫度進而找到最適合我們金氧半電容的條件。發現到當我們降低氧化退火溫度時，可以明顯看到閘介電層厚度有明顯下降的趨勢，且藉由電流-電壓、變頻電容-電壓量測可以看到不只厚度變薄，二氧化矽的品質跟著提升，對我們後續想做的矽鍺電晶體來說，無疑的是一種改善的方法。
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本論文提出應用於正交分頻多工通訊系統中之低複雜度多輸入多輸出偵測器之演算法架構與電路實現。首先根據傳統K最佳演算法中所需之排序運算，我們提出了兩種能夠改善多條候選路徑排序效率之快速排序演算法，分別為平行切割合併法以及平行氣泡排序法以增加排序的效率及縮短排序消耗的時間週期。並且提出改良型K最佳演算法，在不損失錯誤率效能下將傳統K最佳解碼過程中的每層皆需排序修改為每兩層才需排序，以減少排序動作消耗的運算複雜度。接下來以分佈型K最佳演算法為基礎，發展具有高資料吞吐率之高能源效率低複雜度之多輸入多輸出偵測器。由於分佈型K最佳演算法不需要排序動作之優點，結合多層管線式電路架構，能夠達到高資料吞吐量之要求。再結合連續干擾消除演算法，將解碼後段過程中之拜訪節點進一步降低，以達成高能源效率。並且基於模組化管線式電路架構之彈性，能夠在不損失電路利用率及保持相同資料吞吐率下支援2x2、4x4以及8x8之多種天線組態。最後由於傳統K最佳演算法針對不同通道條件均採用相同K值，我們提出一套適應性K值自我調整演算法，能夠依照通道環境的優劣減少不必要的拜訪結點。在解碼過程中並不需要計算通道環境之訊雜比即可快速決定每一層合適的K值。以上提出之演算法依據演算法特性與應用需求，硬體實現架構分別有管線式與迴圈式，其中管線式架構能夠達到高速資料輸出之要求以及高能源效率，並且彈性支援2的冪次多重天線組態。迴圈式架構能夠適用於更複雜的天線組態並享有電路資源的可重複利用彈性，適用於較複雜演算法之實現。在此我們利用CMOS 90奈米製程，實現了三種不同演算法之硬體設計，支援天線數從2x2、4x4、8x8以及2x2至8x8，資料調變可以支援BPSK、QPSK、16-QAM以及64-QAM，K值大小為5、10手動調整以及2、5、10自我適應性調整。
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本論文提出了一個能隨時根據輸出負載變化進行鎖定修正，並且使用重複延遲量測技術來減少電路面積的新式全數位時脈偏移校正電路。能夠隨時根據輸出負載變化進行鎖定修正這點改善了一般同步複製延遲電路只能用於固定負載的缺點，另外使用重複延遲量測技術則達成了只使用單一硬體的架構來取代掉傳統同步複製延遲電路架構中單調、重複性高、卻又佔用了大量面積的量測延遲線，進一步的減少電路面積，更加強化同步複製延遲電路面積小的優點。 本論文所實現的使用重複延遲量測技術具負載自適應之全數位時脈偏移校正電路是使用90 nm製程來製作設計，整體晶片的總面積為955 × 955 um2，其中核心電路的面積為106 × 80 um2，操作電壓為1 V，可用的操作頻率範圍為0.34 – 1.8 GHz，功率消耗在操作頻率為1.8 GHz時為6.4 mW。電路的鎖定時間為最多19個週期，鎖定後的輸出時脈訊號在各種操作頻率下最大靜態相位誤差為20.58 ps，方均根抖動量為2.42 ps，峰對蜂抖動量為18.89 ps。
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節約能源是目前全世界各主要工業國家積極推動的政策，方法之一就是提高電子產品的效率。電源交換與供應器是電力、電子模組與系統不可或缺的組件，相關電子元件與電路的節能特性扮演關鍵角色。此研究之主題為電力電子電路中常用的蕭基二極體之設計與製作。傳統的功率蕭基二極體是以矽材料為主，若以氮化鎵材料取代之，可具有低導通電壓、高崩潰電壓、低漏電流以及快速切換特性等優點，對於電源切換模組效率之提高、體積尺寸之減小，都有很大潛力。 蕭基二極體順偏操作狀態下，主要的功率損耗來源為導通電壓以及導通電阻。當蕭基二極體由順偏切換至逆偏狀態時，主要的功率損耗來自於切換期間內之電荷耗損。而在截止狀態時的功率損耗則主要來自於蕭基二極體的漏電流。為了降低蕭基二極體在各方面的耗損，本研究以AlGaN/GaN異質結構為基礎，採用陽極蝕刻方式降低蕭基能障，導通電壓可從1.3 V下降至0.6 V；另一方面，為了改善蕭基二極體的逆向偏壓特性，本研究採用了氟離子處理方式，使用SF6電漿將氟離子植入於陽極未蝕刻區域，有效使漏電流由12 μA下降至4 μA，崩潰電壓由400 V提升至455 V。此外，氟離子能夠減少陽極蝕刻過後在側壁所產生額外的寄生電容，使蕭基二極體在逆向偏壓為20 V的情況下，總空間電荷能夠由152 pC下降之125 pC，並使逆向回復時間下降至約10 ns，逆向回復電荷下降至約5 nC。本研究亦將元件置於高溫(150 oC)、高電壓(-200 V)壓力測試25小時，結果顯示，相較於平面製程元件，以陽極蝕刻及氟離子摻雜製程所製作之元件有較緩之劣化情形，表示元件中的氟離子還算相當穩定。
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本論文主要針對電動車常用的無刷直流馬達，探討常用的煞車回充之方法，提出一個新的能量回收方法，本文所提及的煞車回充方法，應用升壓式電壓轉換器的原理，將動能轉換為電能，藉由改變反流器之開關訊號，以達到可控制反向扭力煞車的目的。最主要優點，不需要添加額外的電路轉換，或者改變馬達的繞阻結構來達成煞車能量回收。除此之外，本文以低成本方式設計電動車驅動器，驅動器包含功率開關驅動電路、電源電路、電流偵測電路、過電流偵測電路以及MCU周邊電路……等，最後，使用慣性負載來模擬實際行駛狀況，實現煞車回充；透過磁粉測功機來測試驅動器效率、力矩以及電流等特性。
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本研究討論馬達只有霍爾傳感器情況下，使用基礎的空間向量脈波寬度調變，相較於六步控制可以提升馬達在各轉速與負載下的效率、並使馬達對於外部負載變化可以有更好的響應、提高馬達最大力矩輸出；另外地提出空間向量脈波寬度調變電壓向量的，排列方式調整以減少反流器切換損耗，並配合三相電流流動方向調整電壓向量的排列方式，藉由電壓向量排列方式與三相電流方向，調控MOS開關切換方式提高馬達運轉時效率。 市售的無刷馬達的反電動勢從標準梯形波到弦波都可以出現，甚至帶有諧波成分的類弦波，本研究針對個別馬達反電動勢進行波形分析，將具有諧波成分經過演算法加入空間向量脈波寬度調變，讓調整過的空間向量脈波寬度調變驅動對應馬達時可以有較理想的相電流，並使用噪音計量測六步方波控制、SVPWM、調整後SVPWM，三種控制方法在運轉時噪音大小，驗證馬達運轉時高頻噪音的差異。
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本論文為藉由馬達線間電壓與反電動勢零交越點之關係，設計換相訊號估測電路，取代原有位置感測器元件以提供馬達轉子位置與轉速資訊。由於馬達啟動之初無反電動勢訊號產生，故在本文中額外加入啟動策略，利用固定電流結合固定相啟動法，以六步驅動方式帶動馬達轉子轉動，直到反電動勢足夠估測出正確之換相訊號後，再進入閉迴路控制，以強化馬達於啟動之初的穩健性與避免電流過大問題。 整體系統架構以數位訊號控制器為主要核心，結合智慧型功率模組驅動電路與換相訊號估測電路為基礎，以實現無位置感測器的無刷直流馬達驅動系統，達到電路簡化及降低驅動系統之開發成本，並以實驗結果驗證其可行性。