臺灣博碩士論文加值系統

直流馬達(direct current, DC motor)可以說是最早發明能將電力轉換為機械功率的電動機，它可追溯到Michael Faraday所發明的碟型馬達。法拉第(Faraday)的原始設計其後經由迅速的改良，到了1880年代已成為主要的電力機械能轉換裝置，但之後由於交流電的發展，而發明了感應馬達與同步馬達，直流馬達的重要性亦隨之降低。直到約1960年，由於SCR的發明、磁鐵材料、碳刷、絕緣材料的改良，以及變速控制的需求日益增加，再加上工業自動化的發展，直流馬達驅動系統再次得到了發展的契機，到了1980年直流伺服驅動系統成為自動化工業與精密加工的關鍵技術。
微型伺服馬達最常使用在遙控模型、機器手臂等用途上，由於伺服系統本身具有閉迴路與半閉迴路兩種方式，因此在功能上也有所不同，而在本文中所使用的為半閉迴路方式，能夠有效讓微型伺服馬達在每一次訊號歸於零點後才開始動作，使脈波訊號不會因連續信號而產生訊號誤差，或是產生搖擺過往或不足的現象發生。
本文是從元件的結構著手，分析雙極性電晶體npn與pnp的差異性，並且針對不同雙極性電晶體做元件的佈局，元件的特性參數量測與分析，使建立每一個元件的參數模型，利用不同雙極性電晶體將所模擬之針對微型伺服馬達電路做改善，並且分析能帶隙電路之電阻對溫度之影響做分析與比較，並使用新的能帶隙電路取代原有電路，並且針對微型伺服馬達驅動電路做模擬分析，使微型伺服馬達轉向正確。

The direct current motor is to invent the motor changing the
electricity into the mechanical power first, It can trace back to the disc
type motor that Michael Faraday invent. Already became main electric
mechanical energy and changed the device after reaching 1880
year .Development because of the alternating current later, and has
invented the reaction motor and synchronous motor, the importance of
the direct current motor is also the reducing.Until 1960, invention
because of SCR, improvement of magnet material, carbon brush,
insulating material, and the demand for changing speed and controlling
increases, add the development of the industrial automation, space
that the direct current motor urges the system to be developed again,
servo direct current urges the system and becomes key technology of
automatic chemical industry and accurate processing by 1980 year.
The micro servo motor is used on such uses as the telecontrolled
model, robotic arm,etc,The servo system itself closes two ways
of the return circuit and half-closed return circuit, so different to some
extent as for the function, This is paper using in the article is
half-closed return circuit way, can let the micro servo motor just begin
movements after the signal each time belong to the zero point
effectively, made the pulse signal not produce the error of the
signal because of continuous signal, either produced and waved
the passing or insufficient phenomenon and took place.
The paper sets about from the structure of the device, analyse
the difference between bipolar npn and pnp, and design device
layout difference component to the bipolar, device characteristic
parameter measure and analysis, setting up the parameter model
of every device, utilize difference bipolar to improve the micro
servo motor circuit, analysis and compare the bandgap circuit
on temperature of resistance to effect analysis and compare, use the new
bandgap circuit and be able to replace original circuit, and urge
the circuit to make simulation analysis to the micro servo motor,
make the micro servo motor change direction correctly.

目 錄
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
誌 謝 Ⅲ
目 錄 Ⅳ
圖 目 錄 Ⅵ
表目錄 Ⅸ
第一章 緒 論 - 1 -
1-1 前言 - 1 -
1-2 研究背景 - 2 -
1-3 研究動機與目的 - 4 -
1-4 論文架構說明 - 7 -
第二章 雙極性電晶體之結構 - 8 -
2-1 電晶體的特性 - 8 -
2-2雙極性電晶體製程技術 - 10 -
第三章 電晶體之參數萃取與電性曲線分析 - 19 -
3-1 雙極性電晶體模型參數萃取方法 - 20 -
3-1-1接面電容萃取 - 24 -
3-1-2基底電容萃取 - 25 -
3-2 NPN雙極性電晶體佈局與參數萃取 - 27 -
3-2-1 npn雙極性電晶體佈局圖 - 27 -
3-2-2 npn雙極性電晶體量測結果 - 27 -
3-2-3 npn雙極性電晶體元件參數 - 31 -
3-2-4 SPICE驗證結果 - 31 -
3-3 PNP雙極性電晶體佈局與參數萃取 - 32 -
3-3-1 pnp實際電晶體佈局與量測 - 32 -
3-3-2 pnp雙極性電晶體量測結果 - 32 -
3-3-3 pnp雙極性電晶體元件參數 - 36 -
3-3-4 SPICE驗證結果 - 36 -
第四章 能帶隙電路設計與分析 - 37 -
4-1 基本電路分析 - 38 -
4-2 電阻溫度係數對能帶隙電路之影響 - 43 -
第五章 能帶隙電路設計 - 51 -
5-1 基本能帶隙參考電壓 - 51 -
5-2 電路架構 - 52 -
5-3電路架構分析 - 53 -
5-4電路模擬 - 54 -
第六章 伺服馬達電路設計與分析 - 58 -
6-1 伺服馬達電路分析 - 59 -
6-2 伺服馬達波形模擬 - 73 -
第七章 結論與未來展望 - 82 -
7-1 結 論 - 82 -
7-2 未來展望 - 82 -
參考文獻 - 83 -

圖 目 錄
圖1- 1馬達的種類 - 2 -
圖1-2 研究流程圖 - 7 -
圖2- 1 N+ 型埋植層與氧化 - 10 -
圖2- 2 N型磊晶層 - 11 -
圖2- 3 P型隔離 - 12 -
圖2- 4 P型基極擴散與N型射極跟集極擴散 - 13 -
圖2- 5 金屬接點 - 14 -
圖2- 6 電晶體工作方式 - 14 -
圖2- 7 NPN雙極性電晶體佈局圖 - 16 -
圖2- 8 NPN雙極性電晶體結構圖 - 16 -
圖2- 9 電晶體摻雜濃度與厚度分佈圖 - 17 -
圖2- 10 PNP雙極性電晶體佈局圖 - 18 -
圖2- 11 PNP雙極性電晶體結構圖 - 18 -
圖3-1-1 元件參數萃取流程圖 - 20 -
圖3-1-2 為順向GUMMEL POON - 21 -
圖3-1-3 為順向IC_VCE - 22 -
圖3-1-4 為BETA_IC - 23 -
圖3-1-5 VBE電容值 - 25 -
圖3-1-6 VBC電容值 - 25 -
圖3-2-1 NPN電晶體佈局圖 - 27 -
圖3-2-2 為順向GUMMEL POON - 27 -
圖3-2-3 為順向IC_VCE - 28 -
圖3-2-4 為順向BETA_IC - 28 -
圖3-2-5 為逆向GUMMEL POON - 29 -
圖3-2-6 為逆向IE_VCE - 29 -
圖3-2-7 CBC電容值 - 30 -
圖3-2-8 CBE電容值 - 30 -
圖3-2-9 驗證IC_VCE結果 - 31 -
圖3-3-1 NPN電晶體佈局圖 - 32 -
圖3-3-2 為順向GUMMEL POON - 32 -
圖3-3-3 為順向IC_VCE - 33 -
圖3-3-4 為順向BETA_IC - 33 -
圖3-3-5 為逆向GUMMEL POON - 34 -
圖3-3-6 為逆向IE_VCE - 34 -
圖3-3-7 CBC電容值 - 35 -
圖3-3-8 CBE電容值 - 35 -
圖3-3-9 驗證IC_VCE結果 - 36 -
圖4- 1 基本能帶隙電壓參考方塊圖 - 37 -
圖4- 2 能帶隙電路 - 38 -
圖4- 3 輸入電壓對輸出參考電壓的分析結果(NPN BJT) - 39 -
圖4- 4 環境溫度變化對輸出參考電壓的變化(NPN BJT) - 40 -
圖4- 5 輸入電壓對輸出參考電壓的分析結果(PNP BJT) - 41 -
圖4- 6 環境溫度變化對輸出參考電壓的變化(PNP BJT) - 41 -
圖4- 7 模擬與量測數據 - 42 -
圖4- 8 BANDGAP1 - 44 -
圖4- 9 BANDGAP2 - 44 -
圖4- 10未考慮溫度係數_電路溫度變化對BANDGAP1影響(模擬值) - 45 -
圖4- 11 實際電阻值考慮溫度係數代入電路_溫度變化對BANDGAP1影響 - 45 -
圖4- 12 未考慮溫度係數電路溫度變化對BANDGAP2影響(模擬值) - 46 -
圖4- 13 實際電阻值考慮溫度係數電路_溫度變化對BANDGAP2影響(模擬值)- 47 -
圖4- 14 電阻量測方式 - 48 -
圖4- 15 輸出能帶隙參考電壓比較(BANDGAP1) - 49 -
圖4- 16 輸出能帶隙參考電壓比較(BANDGAP2) - 49 -
圖4- 17 BANDGAP 1佈局圖 - 50 -
圖4- 18 BANDGAP 2佈局圖 - 50 -
圖5- 1 理想能帶隙電路 - 51 -
圖5- 2 能帶隙參考電路架構 - 52 -
圖5- 3 輸入電源電壓對輸出能帶隙參考電路電壓值 - 54 -
圖5- 4 輸入溫度變化對輸出能帶隙參考電路電壓值 - 54 -
圖5- 5 輸出BIAS與輸入電源電壓之關係 - 55 -
圖5- 6 能帶隙電路佈局圖 - 56 -
圖6- 1 微型伺服馬達控制器 - 58 -
圖6- 2 微型伺服馬達外觀 - 58 -
圖6- 3 伺服馬達架構圖 - 59 -
圖6- 4 比較器電路 - 60 -
圖6- 5 比較器波形模擬 - 61 -
圖6- 6 三角波電路 - 63 -
圖6- 7 三角波電路波形模擬 - 64 -
圖6- 8 DIR CTL - 65 -
圖6- 9 訊號邏輯控制波形模擬 - 66 -
圖6- 10 訊號延伸電路圖 - 67 -
圖6- 11 訊號延伸波形模擬 - 68 -
圖6- 12 PWM電路 - 69 -
圖6- 13 脈波寬度調變波形模擬 - 70 -
圖6- 14 OUTPUT DRIVER電路 - 71 -
圖6- 15 OUTPUT DRIVER電路波形模擬 - 72 -
圖6- 16 伺服馬達電路模擬波形 - 74 -
圖6- 17 電路模擬波形從9MS到12MS - 76 -
圖6- 18 電路模擬波形從29.5MS到32.5MS - 78 -
圖6- 19 電路模擬波形從49.5MS到52.5MS - 80 -
圖6- 20 伺服馬達驅動電路佈局圖 - 81 -

表目錄
表2- 1 雙極性電晶體操作模式 - 9 -
表3- 1 雙極性電晶體參數 - 26 -
表4-1 模擬與量測數據 - 42 -
表4- 2加入溫度係數_模擬電阻值 - 45 -
表4-3 量測實際電阻值 - 46 -
表4- 4 加入溫度係數_模擬電阻值 - 47 -
表4- 5 量測實際電阻值 - 47 -
表5- 1 電路元件數值 - 56 -

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