今各種電子產品的使用在日常生活中已經習以為常。但在約50年以前，手機等行動裝置上未普及，很難想像相聚千里的人們可以隨時隨地自由的通話。如今除了通訊領域外電子業在各方面都有巨大的貢獻，像是各種工業機具、環境感測器或生理訊號監控系統。這些電子產品雖然便利了我們的生活，但依然面臨一個同樣的課題，需要一個穩定的電源讓使其可以順暢的運作。
    這些電子設備皆需要以電線來連接電源與設備，或是使用可充電式或一次性的電池。雖然使用電池有利於裝置的移動，但還是需要經常透過有線的方式充電或是更換新的電池，因此實現一無線供電電路可以解決電池必須更換或是必須透過有線方式充電的問題。
    目前無線能量傳輸主要分為三種類型，1. 使用微波來傳遞能量，此方法適用於中、長距離的無線能量傳輸，但是能量轉移效率不佳，以廣播接收為例，射頻廣播台的基地台以數十或數百千瓦(kW)大功率朝360度方向發射廣播訊號，但與發射機的功率相比，接收機所能接收到只能用微乎其微來形容，其能量傳輸效率實在太低，而這些傳輸使用的能量也可能會對人體造成影響。2. 使用電磁感應是最為常見的無線電力傳輸方式，通過發射端和接收端的線圈相互感應産生電流，從而實現電力傳輸的技術。簡單來說就是法拉第電磁感應定律，運作方式也很容易，首先從電力端（充電器）的線圈提供電力，充電器的線圈因此產生磁力，而接收電力端（如手機、行動電源）線圈感應到磁力，進而將磁力轉換成電力。使用時2個線圈不需要接觸就能透過電磁感應達到傳導的目的。目前電磁感應式傳輸，可用範圍大約在30mm以內，屬於短距離傳輸。3. 使用磁場耦合或稱電磁共振來傳遞能量，利用將能量發送和接收裝置調整到相同的頻率或者特定的頻率，可讓對應的電器產生共振現象，進而實現能量交換的目的。電磁共振的距離比起電磁感應遠一些，最多約可到3m左右。除了距離增加之外，功率可達數千瓦以上，傳輸效率比電磁感應式亙高，較適合運用在近場能量耦合供電系統中。 
    我們在TSMC 0.18μm製程實現了一近場能量耦合供電電路，將輸入的能量透過電感耦合的方式傳送到後端電路，經過整流與穩壓電路後，產生出1.8V與1V的穩定電源供應給類比電路與數位電路使用，在輸入頻率200MHz負載阻抗180Ω的條件下，輸出電流可以達到10mA與5mA，整體的輸出功率最高可達到23mW。

A Near-Field inductive link power supply circuit can be applied for wearable or implantable physiology sensors and environment monitor sensors. The CMOS power supply consists of a differential-driven rectifier and low-dropout regulators (LDOs). Two fully-integrated LDOs with the rectifier produce output voltage 1.8 V and 1 V,  respectively. The rectifier has a cross-coupled bridge configuration and is driven by a differential RF input.

The Near-Field inductive link power supply circuit implemented in 0.18 μm CMOS process supplying output power of 18mW and 5mW under supply voltage of 1.8V and 1V is proposed in this paper. The measured maximum supplied power is 22.833mW. Under supplying maximum power of 22.833mw with input RF signal at 200MHz, the measured output power efficiency is 57.02%.

目錄
致謝	I
中文摘要	II
英文摘要	III
內文目錄	IV
圖目錄	VII
表目錄	XI


第一章  緒論	1
1.1 研究背景	1
1.2 研究動機	1
1.3 論文架構	2
1.4 設計流程	3

第二章  無線供電電路	4
2.1 無線供電電路之類別與介紹	4
2.2無線供電種類之優缺點比較	7
2.3 近場電感耦合無線能量傳送介紹	8
2.3.1 近場與遠場	8
2.3.2 串聯諧振電路	9
2.3.3 並聯諧振電路	11
2.3.4 功率傳輸源則	12
2.3.3 感應線圈的功率傳輸	14

第三章  電源穩壓器	16
3.1 直流轉直流穩壓電路	16
3.2 低壓降線性穩壓器概論	17
3.2.1 低壓降線性穩壓器的特性參數介紹	19
3.2.2 輸出電壓差	19
3.2.3 靜態電流	20
3.2.4 線性調節率	20
3.2.5 負載調節率	22
3.2.6 電源效率	24

第四章  近場能量耦合供電電路設計	25
4.1 近場能量耦合供電電路原理及架構說明	25

第五章  電路設計與模擬	31
5.1 近場能量耦合供電電路設計	31
5.2 差動驅動CMOS整流器	34
5.3 產生參考電壓電路	37
5.4 低壓降線性穩壓器	38
5.5 誤差放大器	41
5.6 電路模擬與佈局	44
5.6.1 電路模擬	44
5.6.1.1 誤差放大器模擬(工作電壓3V)	44
5.6.1.2 誤差放大器模擬(工作電壓2V)	47
5.6.1.3 低壓降線性穩壓器模擬(輸出電壓為1.8V)	49
5.6.1.4 低壓降線性穩壓器模擬(輸出電壓為1V)	54
5.6.1.5 差動驅動CMOS整流器模擬	60
5.6.1.6 近場能量耦合供電電路模擬	61

第六章  電路量測	70
6.1 量測方式	70
6.2 量測結果	71

第七章  結論與未來展望	78

參考文獻	79

圖目錄
圖1.1 設計流程圖	3
圖2.1 RFID reader的遠場與近場示意圖	9
圖2.2 串聯諧振電路	9
圖2.3 並聯諧振電路	11
圖2.4 電感耦合	12
圖2.5 串聯式的電感耦合收發架構	14
圖2.6兩個相距x的發射端線圈與接收端線圈	14
圖3.1低壓降線性穩壓器基本架構	17
圖3.2靜態電流示意圖	20
圖3.3低壓降線性穩壓器之線性調節率示意圖	21
圖3.4負載調節率示意圖	23
圖4.1近場電磁耦合無線能量傳輸等效電路	25
圖4.2無線功率傳輸之腸內微型內視鏡機器人系統圖	29
圖4.3聯結效率與耦合係數與負載電阻間的關係	29
圖4.4 無線功率傳輸系統圖	30
圖5.1 近場能量耦合無線供電示意圖	31
圖5.2 近場能量耦合供電電路架構一	32
圖5.3 近場能量耦合供電電路架構二	33
圖5.4 P-N接面二極體特性曲線	35
圖5.5半波整流電路	35
圖5.6全波整流電路	35

圖5.7差動驅動CMOS整流器	36
圖5.8產生參考電壓電流電路	38
圖5.9低壓降線性穩壓器架構(LDO)	39
圖5.10差動放大器架構圖	42
圖5.11誤差放大器1模擬圖 Pre-Layout Simulation	44
圖5.12 PSRR模擬結果	45
圖5.13 CMRR模擬結果	46
圖5.14 Slew rate模擬結果	46
圖5.15 誤差放大器2模擬圖 Pre-Layout Simulation	47
圖5.16 PSRR模擬結果	47
圖5.17 CMRR模擬結果	48
圖5.18 Slew rate模擬結果	48
圖5.19 LDO 輸出1.8V模擬 (重載) Pre-Layout Simulation	49
圖5.20 LDO 輸出1.8V模擬 (輕載) Pre-Layout Simulation	49
圖5.21 LNR 模擬結果 重載 (TT)	50
圖5.22 LNR 模擬結果 重載 (SS)	50
圖5.23 LNR 模擬結果 重載 (FF)	51
圖5.24 LNR 模擬結果 輕載 (TT)	51
圖5.25 LNR 模擬結果 輕載 (SS)	52
圖5.26 LNR 模擬結果 輕載 (FF)	52
圖5.27 LDR 模擬結果 (TT)	53
圖5.28 LDR 模擬結果 (SS)	53
圖5.29 LDR 模擬結果 (FF)	54
圖5.30 LDO 輸出 1V 模擬 (重載)  Pre-Layout Simulation	55
圖5.31 LDO 輸出1V 模擬 (輕載)  Pre-Layout Simulation	55
圖5.32 LNR 模擬結果 重載 (TT)	56
圖5.33 LNR 模擬結果 重載 (SS)	56
圖5.34 LNR 模擬結果 重載 (FF)	57
圖5.35 LNR 模擬結果 輕載 (TT)	57
圖5.36 LNR 模擬結果 輕載 (SS)	58
圖5.37 LNR 模擬結果 輕載 (FF)	58
圖5.38 LDR 模擬結果 (TT)	59
圖5.39 LDR 模擬結果 (SS)	59
圖5.40 LDR 模擬結果 (FF)	60
圖5.41單級差動驅動CMOS整流器模擬	61
圖5.42六級差動驅動CMOS整流器模擬	61
圖5.43近場能量耦合供電電路輸出電壓模擬 (TT)  Pre- sim	62
圖5.44近場能量耦合供電電路輸出電流模擬 (TT)  Pre- sim	62
圖5.45近場能量耦合供電電路輸出電壓模擬 (SS) Pre- sim	63
圖5.46近場能量耦合供電電路輸出電流模擬 (SS) Pre- sim	63
圖5.47近場能量耦合供電電路輸出電壓模擬 (FF) Pre- sim	64
圖5.48近場能量耦合供電電路輸出電流模擬 (FF) Pre- sim	64
圖5.49近場能量耦合供電電路輸出電壓包含導線模擬	65
圖5.50近場能量耦合供電電路輸出電流包含導線模擬	65
圖5.51近場能量耦合供電電路輸出電壓 (TT) post-sim	66
圖5.52近場能量耦合供電電路輸出電流 (TT) post-sim	66
圖5.53電路佈局圖	69
圖5.54電路佈局相對位置圖	69
圖6.1輸入訊號匹之配量測示意圖	70
圖6.2近場能量耦合供電電路量測示意圖	71
圖6.3近場能量耦合整流後輸出圖	71
圖6.4 LNR量測圖 (LDO1)	72
圖6.5 LNR量測圖 (LDO2)	72
圖6.6輸出電流量測圖 (LDO1)	73
圖6.7輸出電流量測圖 (LDO2)	73
圖6.8輸出電壓量測圖 (VOUT1)	74
圖6.9輸出電壓量測圖 (VOUT2)	74
圖6.10 LDR量測圖 (VOUT1)	75
圖6.11 LDR量測圖(VOUT2)	75
圖6.12晶片微影圖	77
圖6.13 PCB拍照	77

表目錄
表2.1 無線供電種類比較	7
表5.1兩組LDO的參數	40
表5.2誤差放大器規格	43
表5.3預計規格表	44
表5.4模擬輸出規格表	67
表5.5文獻比較表	68
表6.1量測輸出表	76

參考文獻(References)

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