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系統識別號 U0002-2502202015445700
中文論文名稱 具有自動校正系統之六階電流式Gm-C帶通濾波器
英文論文名稱 A 6th-Order Current-mode Gm-C Band-pass Filter with Auto Calibration Scheme
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical And Computer Engineering
學年度 108
學期 1
出版年 109
研究生中文姓名 傅俊凱
研究生英文姓名 Jyun-Kai Fu
學號 606450079
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-01-08
論文頁數 51頁
口試委員 指導教授-江正雄
委員-陳信良
委員-施鴻源
委員-吳紹懋
中文關鍵字 觸控面板  電流式  轉導電容  帶通濾波器  自動校正 
英文關鍵字 current-mode  Gm-C  band-pass filter  auto calibration 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 類比濾波器是電子電路中常見的元件,且廣泛使用於特定頻率訊號之處理。在電子產品越來越普及的時代,觸控面板的設計及發展就顯得特別重要,觸控面板的應用也相對廣泛,手機、電腦、各種3C產品。對於觸控面板的實現,有許多感應觸控的技術,例如紅外線感應、電阻感應以及電容感應,而電阻及電容感測最常用於ICT產品中。然而,由於單點觸控的缺點,電阻感應變得不再流行。另一方面,由於電容式感應的耐用性、靈敏度以及多點觸控,使用電容感應之設計就變得越來越普及。
在使用電容式感應設計的觸摸面板應用中,電容式感應的前端將採用濾波器為後續信號處理提供更好的感應信號。為了適用於不同的系統規格,此濾波器最好是低通或帶通濾波器。然而由於現有技術的驅動信號為低電壓之正弦波,因此信號帶寬將會是窄頻寬。為了有效避免觸摸屏外部的雜訊,濾波器必須是帶通濾波器,以便低頻和高頻雜訊可以被準確地濾除。
本論文提出一具有頻率自動校正系統之六階電流式轉導電容帶通濾波器。在濾波器中,被動元件之電阻及電感將以可調式偏壓電路之GM-cell所組合而成。此GM-cell也會使用在校正系統中的LC振盪器。此校正電路可以克服製程中PVT的變異,而產生出的一組數位碼可以控制可調式偏壓電路,進而改變帶通濾波器之中心頻率。此電路工作在180奈米製程以及1.8伏特電壓供應。

英文摘要 This work presents a current-mode 6th order band-pass Gm-C filter with auto calibration scheme that is designed to receive better signals from the capacitive sensing touch panel. We implement a LC oscillator by using Gm-cells with calibration scheme to prevent PVT variations. The calibration scheme will generate digital compensation codes (6-bit control codes) to fine tune the voltage bias of the current source to calibrate the band-pass filter. This band-pass filter was designed and simulated by UMC 0.18um process with central frequency at 200kHz, 100kHz bandwidth and 1.8V power supply under 80 k Ohm of input/output impedances.
The designed current mode Gm-C filter is firstly simulated with 3 corner conditions (tt, ff and ss), and the frequency responses of these 3 corner conditions without changing the 6-bit control code. It shows the central frequency and the bandwidth would be dramatically variated. By tuning the Gm control code in the 3 conditions, the frequency responses would be adjusted to the designed targets. The central frequency and the bandwidth are converged to the same frequency point closely and acceptably.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 序論 1
1.1 研究動機 1
1.2 設計流程 2
1.2為什麼需要Gm-C 3
1.3 論文架構 3
第二章 濾波器原理 4
2.1 濾波器的種類 4
2.2 濾波器的響應特性 5
2.3 濾波器的設計流程 7
2.4 濾波器原型 7
2.5 濾波器的種類 9
2.5.1 被動式濾波器 10
2.5.2 主動式濾波器 11
2.5.3 切換式電容濾波器 12
第三章 GM-C帶通濾波器設計 13
3.1 Gm-C濾波器的基本原理 13
3.2 利用Gm-cells取代被動元件 14
3.2.1 Gm-cell合成等效電阻 14
3.2.2 Gm-cell合成等效電感 15
3.2.3 Gm-cell合成等效串接電感電容 16
3.3 偏壓電路設計與架構 18
3.3.1 固定轉導偏壓電路(Constant gm Bias Circuit) 18
3.3.2 寬擺幅電流鏡(Wide Swing Current Mirror) 20
3.3.3 寬擺幅固定轉導偏壓電路(Wide-Swing Constant gm Bias Circuit) 22
3.3.4 可變電阻串RB設計與架構 24
3.4 Gm-C帶通濾波器設計 25
3.4.1 帶通濾波器轉移函數與被動元件值設計 25
3.4.2 RLC等效電路 27
3.4.3 Gm-C帶通濾波器電路設計 28
3.4.4 Gm-C帶通濾波器模擬及補償 30
第四章 自動校正系統設計 32
4.1自動校正系統介紹 32
4.2自動校正電路設計 33
4.2.1 LC振盪器 33
4.2.2 計數器(counter) 34
4.2.3 數位比較器及暫存器 37
第五章 電路模擬與佈局 40
5.1 電路模擬結果 40
5.1.1 Gm-cell轉導值調整範圍 40
5.1.2 LC振盪器輸出模擬 41
5.1.3 Gm-C帶通濾波器模擬 42
5.1.4 總諧波失真(THD) 44
5.2 電路佈局 45
5.3 電路規格與文獻比較 47
第六章 晶片量測 49
6.1 量測方式 49
第七章 結論與未來展望 50
參考文獻 51

圖目錄
圖(2.1)理想濾波器頻率響應圖(a)低通濾波器(b)高通濾波器(c)帶通濾波器(d)帶阻濾波器 4
圖(2.2) 四種低通濾波器的頻率響應圖 6
圖(2.3) 濾波器設計流程 7
圖(2.4) 低通濾波器原型電路(a)低輸入阻抗結構(b)高輸入阻抗結構 8
圖(2.5) 根據操作頻率範圍不同所使用的濾波器類型 9
圖(2.6) 簡單一階被動濾波器原型(a)低通濾波器(b)高通濾波器(c)帶通濾波器 10
圖(2.7) Sallen-key低通濾波器電路 11
圖(2.8) 切換式電容濾波器(Switched-capacitor)電路 12
圖(3.1) 典型的transconductance (Gm) cells 13
圖(3.2) 單端Gm-cell模型 14
圖(3.3) 以Gm-cell合成後的等效電阻(a)接地式電阻(b)浮接式電阻 14
圖(3.4) 接地式等效電感 16
圖(3.5) 浮接式等效串接電感電容 16
圖(3.6) 固定轉導偏壓電路 18
圖(3.7) 二極體連接式電晶體偏壓電流鏡電路(a)傳統電流鏡(b)寬擺幅疊接式電流鏡 20
圖(3.8) 含寬擺幅電流鏡之固定轉導偏壓電路 22
圖(3.9) 偏壓點電壓對於溫度以及電源電壓的變化造成的影響23
圖(3.10) 6位元轉64位元解碼器控制之可變電阻串 24
圖(3.11) 六階電流式帶通濾波器模型 26
圖(3.12) 理想被動元件帶通濾波器模擬結果 26
圖(3.13)等效RLC電路(a)全被動RLC電路(b)將被動電感以Gm-cell取代之(c)將被動元件電阻與電感利用Gm-C電路表示 27
圖(3.14)Gm-C六階帶通濾波器架構圖 28
圖(3.15) Gm-C六階帶通濾波器的頻率響應圖 30
圖(3.16) Gm-C六階帶通濾波器補償後的頻率響應圖 31
圖(4.1) 具自動校正系統之Gm-C帶通濾波器系統圖 32
圖(4.2) 完整LC振盪器電路 33
圖(4.3) 振盪器之頻率響應圖 34
圖(4.4) LC振盪器輸出模擬圖(test_clk) 34
圖(4.5) 10位元計數器 35
圖(4.6) 測試時脈(test_clk)經過計數器的模擬結果 35
圖(4.7) 三個PVT環境中不同Gm下中心頻率和測試時脈的關係圖36
圖(4.8) 10位元數位比較器 38
圖(4.9) 六位元移位暫存器(6_bit shift register) 39
圖(4.10) 在TT中六位元數位碼的校正模擬 39
圖(5.1) TT、FF、SS下六位元數位碼控制下轉導值的調整範圍 40
圖(5.2) 在三種PVT下測試時脈(test_clk)經過自動校正後之模擬41
圖(5.3) Gm-C帶通濾波器在三種PVT下的頻率響應 42
圖(5.4) 在三種PVT下自動校正後之Gm-C帶通濾波器頻率響應模擬43
圖(5.5) 不同輸入電流對偏壓電流比例造成的諧波失真(THD)44
圖(5.6) 三種電容合併電路圖 45
圖(5.7) 電路佈局平面圖 46
圖(5.8) 完整電路佈局圖 46
圖(6.1)量測示意圖 49

表目錄
表(3.1) 六階被動式帶通濾波器之元件設計值 26
表(3.2) Gm-C帶通濾波器電路各元件等效值 29
表(5.1) 電路規格表 47
表(5.2) 相關文獻比較表 48
參考文獻 [1] Rolf Schaumann and Mac E. Van Valkenburg, Design of Analog Filter, Oxford University Press, 2001.
[2] A. Jones and Ken Martin ‘‘Analog Integrated Circuit’’4rd., Wiley York, 2001.
[3] D. Johns and K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1996
[4] K.Su ”ANALOG FILTERS, SECOND EDITION” 2002 Kluwer Academic Publishers.
[5] Mondal, S., Srivastava, K. V., & Biswas, A. (2010). A 600MHz, 6th order, highly linear Gm-C bandpass filter design. 2010 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems.
[6] Ramasamy, S., Venkataramani, B., Stalin, S. M., & Venkatachalam, K. (2008). Tunable band pass Gm-C filter with switched transconductance cells. TENCON 2008 - 2008 IEEE Region 10 Conference.
[7] Huang, H.-Y., Chen, K.-Y., Xie, J.-H., Lee, M.-T., Hong, H.-C., & Cheng, K.-H. (2016). Gm-C filter with automatic calibration scheme. 2016 IEEE 19th International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems (DDECS).
[8] Yu Wang, Na Yan, & Hao Min. (2011). A wide tuning range low-pass Gm-C filter for multi-mode wireless receivers with automatic frequency calibration. 2011 9th IEEE International Conference on ASIC.
[9] Moritz, J., & Yichuang Sun. (n.d.). 100MHz, 6th Order, Leap-Frog gm-C High Q Bandpass Filter and On-Chip Tuning Scheme. 2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.
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