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系統識別號 U0002-3008201809173500
中文論文名稱 應用於超音波系統之三階Butterworth Gm-C低通濾波器
英文論文名稱 A 3rd Order Butterworth Gm-C Filter for Ultrasound Systems
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 Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 施榮泰
研究生英文姓名 JUNG-TAI SHIH
學號 604440221
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-02
論文頁數 35頁
口試委員 指導教授-施鴻源
委員-柯鈞琳
委員-楊維斌
中文關鍵字 低通濾波器  Gm-C  Butterworth  超音波系統 
英文關鍵字 Low-PassFilter  Gm-C  Butterworth  UltrasoundSystem 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
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.
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
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論文使用權限
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