系統識別號 | U0002-3008201809173500 |
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DOI | 10.6846/TKU.2018.00997 |
論文名稱(中文) | 應用於超音波系統之三階Butterworth Gm-C低通濾波器 |
論文名稱(英文) | A 3rd Order Butterworth Gm-C Filter for Ultrasound Systems |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 電機工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Electrical and Computer Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 106 |
學期 | 2 |
出版年 | 107 |
研究生(中文) | 施榮泰 |
研究生(英文) | JUNG-TAI SHIH |
學號 | 604440221 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2018-07-02 |
論文頁數 | 35頁 |
口試委員 |
指導教授
-
施鴻源(hyshih.tw@gmail.com)
委員 - 柯鈞琳(chunlinko@gmail.com) 委員 - 楊維斌(robin@ee.tku.edu.tw) |
關鍵字(中) |
低通濾波器 Gm-C Butterworth 超音波系統 |
關鍵字(英) |
Low-PassFilter Gm-C Butterworth UltrasoundSystem |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
目前各科別的臨床應用則依據需求,使用不同頻率的超音波探頭,用於一般超音波影像的超音波頻率,通常界於2-15 MHz,若要獲得更高的解析度,甚至可採用高達30 MHz超音波探頭。超音波系統訊號在探頭接收後經過低雜訊放大器(Low-Noise Amplifier, LNA)、時間控制增益放大器(Time-Gain Control Amplifier)因此在後端提供一個截止頻率為30 MHz 的低通濾波器濾除頻帶外的高頻雜訊。 目前實現濾波器方式有以下三種,其中有RC (resistor-capacitor) 濾波器,SC (switch- capacitor) 開關電容濾波器,及Gm-C 濾波器等,RC 濾波器因電阻部分易受製程影響需要微調,且運算放大器受限於頻寬的原因,僅適用於kHz級濾波器的應用。SC 濾波器以 Switched-capacitor 電路取代電阻且利用電容比率決定濾波器特性,較不易受製程影響,但因為耗電及同樣有運算放大器頻寬的原因,不適用於10 MHz 以上濾波器的應用。Gm-C 濾波器具有佔用IC 面積小及可操作頻率範圍寬從數百kHz 至數百MHz ,故成為設計濾波器的一個較佳選擇。 本論文實現了一個三階Butterworth Gm-C低通濾波器其濾波器截止頻率約為30 MHz,總功耗為1.152mW。將濾波器中的電阻以及電感利用rail-to-rail OTA取代,使濾波器利於積體化,以便整合於晶片之中。 |
英文摘要 |
Ultrasound imaging is an imaging method that uses high-frequency sound waves to produce images that led to diagnosis of many diseases. Frequency of ultrasound imaging for medical diagnosis is between 2 to 30 MHz. This thesis presents a design of a 3 order Butterworth Gm-C Low Pass Filter (LPF) for ultrasound System implemented in TSMC 90nm CMOS process. A operational transconductance amplifier (OTA) based on rail-to-rail input pairs is designed and characterized. The LPF achieved a bandwidth of 30 MHz.The total power dissipation is 1.152mW. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 致謝 II 中文摘要 III 英文摘要 IV 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 IX 第一章 序論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機 2 1.3 論文架構 2 第二章 濾波器原理 3 2.1 濾波器的種類 3 2.2 濾波器的特性 5 2.3 濾波器設計流程 7 2.4 低通濾波器原型 7 2.5 Butterworth低通濾波器 8 第三章 濾波器種類 10 3.1 被動式濾波器 10 3.2 主動式濾波器 12 3.3 Switched-Capacitor濾波器 13 3. 4 Gm-C濾波器 14 第四章 Gm-C濾波器設計 16 4.1 基本介紹 16 4.2 理想轉導運算放大器 17 4.3 利用轉導運算放大器取代電阻 18 4.4 利用轉導運算放大器取代電感 19 4.5 利用轉導運算放大器組成的積分器 20 4.6 轉導運算放大器內部電路 21 4.7 轉導運算放大器濾波器設計 23 4.8 轉導運算放大器濾波器設計流程 27 4.9 電路模擬結果 28 4.10電路佈局..............................................................................................................32 第五章 結論與未來展望 33 參考文獻 34 圖目錄 圖2.1 低通濾波器頻率響應….……………...…………………………...….3 圖2.2 高通濾波器頻率響應………..……...……………………………..….4 圖2.3 帶阻濾波器頻率響應..………...………………………..…………….4 圖2.4 帶通濾波器頻率響應…….…………...…………………..…………..5 圖2.5四種低通濾波器的頻率響應圖……………….………………………6 圖2.6 濾波器設計流程………………………………………………………7 圖2.7 低通濾波器原型(a)並聯元件型(b)串聯元件型…..………………....8 圖3.1 被動式低通濾波器低輸入阻抗結構…………………….....……….10 圖3.2 被動式低通濾波器高輸入阻抗結構………………………………..10 圖3.3 三階Butterworth低通濾波器原型電路…………….........................11 圖3.4 由三階Butterworth低通轉移函式合成之電路圖…………………11 圖3.5 Sallen-Key低通濾波器………………………………………………13 圖3.6 Switched-Capacitor濾波器…………………………………………..14 圖3.7 三階Butterworth低通濾波器電路…………………………………15 圖4.1 理想OTA放大器……………………………………………………17 圖4.2 接地式電阻…………………………………………………………..18 圖4.3 浮接式電阻…………………………………..………………………18 圖4.4 浮接式電感…………………………………………………………..20 圖4.5 Gm-C積分器…………..……………………………………………..20 圖4.6 rail to rail trans-conductor架構…….…………………………….22 圖4.7 0~1.2V rail to rail trans-conductor gain………………………………23 圖4.8 截止頻率為30Mhz, 3th Butterworth low-pass LC ladder電路……23 圖4.9 Gm-C filter 架構圖………………………………..……....…………25 圖4.10 轉導運算放大器濾波器設計流程圖…………………....…………27 圖4.11 Pre-simulation @tt, T=27∘Cutoff frequency=31.52MHz………....28 圖4.12 Pre-simulation @ff, T=0∘Cutoff frequency=31.27MHz…………..28 圖4.13 Pre-simulation @ss, T=75∘Cutoff frequency=31.72MHz…….…...29 圖4.14 Post-simulation @tt, T=27∘Cutoff frequency=30.57MHz………...29 圖4.15 IIP3=-22.068dbm……………………………………………………30 圖4.16 電路佈局圖…………………………………………………………32 表目錄 表2.1 Butterworth濾波器原型電路元件值表………………………………9 表4.1被動式電路元件值表………………………………………………...24 表4.2 Gm-C filter電路元件圖……….……………………………………...26 表4.3電路預計規格表………………………….………………………….30 表4.4文獻比較表………………………………………….……………….31 |
參考文獻 |
參考文獻 [1] K. Lacanette “A Basic Introduction to Filters – Active, Passive, and Switched-Capacitor”,National Semiconductor Application Note AN-799,April,1991. [2] S. P. R. Almazan M. T. G. D. Leon ” A 3rd Order Butterworth Gm-C Filter for WiMAX Receivers in a 90nm CMOS Process” Computer Modelling and Simulation (UKSim), 2010 12th International Conference ,June,2010. [3] D. Wang, J. Ou, and X. Wang, “Design challenges at 90nm RFCMOS technology under low voltage applications”.International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, 2006. [4] C. Yi, et. al., “Characterization of a CMOS Gm-C Low Pass Filter for WCDMA System in Wireless Application“, MMU International Symposium on Information and Communications Technologies, 2004. [5] K. Su, ANALOG FILTERS SECOND EDITION. Kluwer Academic Publishers,2002. [6] R. Chebli and M. Sawan, “Fully integrated high-voltage front-end interface for ultrasonic sensing applications,” IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, vol. 54, no. 1, Jan, 2007, pp. 179–190. [7] M. Shaker, S. Mahmoud, and A. Soliman, “A CMOS 5th Order Low-Pass Current-Mode Filter Using a Linear Transconductor”, IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2006. [8] M. Abdulaziz, M. Törmänen and H. Sjöland, "A 4th order Gm-C filter with 10MHz bandwidth and 39dBm IIP3 in 65nm CMOS," ESSCIRC 2014 - 40th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), Venice Lido, 2014, pp. 367-370. [9] S. Ghamari, G. Tasselli, C. Botteron and P. A. Farine, "A wide tuning range 4 th-order Gm-C elliptic filter for wideband multi-standards GNSS receivers," ESSCIRC Conference 2015 - 41st European Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC), Graz, 2015, pp. 40-43. |
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