臺灣博碩士論文加值系統

微機電系統能將傳統之感測器、致動器等整合成微米尺度的微小單元，搭配微機電系統崛起，與感測器搭配的感測電路也相對重要起來。在要求精準的感測器中， 各種為了消除漂移電壓的微感測電路被開發出來，Chopper 放大器就是其中相當關鍵的放大器電路元件。
Chopper 放大器運用開關切換的原理逐步扣除漂移電壓，第一個相位時先將漂移電壓儲存在儲存電容中，再藉由開關的切換，切換到第二個相位，將儲存在儲存電容裡的漂移電壓輸入扣除，利用一次又一次的切換扣除的步驟，將漂移電壓逐步縮減到最小，能夠達到小於1μV(初始放大器約為24.7mV)的漂移電壓值。
Chopper 放大器的應用相當廣泛，其中重要的應用之ㄧ即是儀表放大器(instrumentation amplifier)。大部分放大電路都是以單一信號輸入，實際應用上無法觀察兩個信號差放大，儀表放大器為雙端輸入的放大器，可以擷取雙端輸入電壓差放大，並且擁有極高的共模雜訊抑制的特性。
本文模擬電路中所設計的Chopper 放大器模擬結果具有特性Gain：64dB
Phase Margin：89.7°、offset voltage：7.84nV，組合成儀表放大器之後模擬特性：趨近於零漂移電壓，CMRR：145dB(初始放大器為106dB)。

The traditional sensors and actuators are made up by MEMS. Because of the development of MEMS, the sensor circuit became more and more important. Many kinds of offset-voltage-cancelling sensor circuit are developed. The Chopper Amplifier is one of the key components of amplifiers.
Chopper Amplifier use the theory of switching switches to eliminate offset voltage step by step. First, storing the offset voltage in the integral capacitance during phase 1, and then transfers it to Phase 2 by switching switches. Next, import the offset voltage which is stored in the integral
capacitance to eliminate offset voltage during Phase 2. We reduce the offset voltage to minimum by redoing the steps of switching and eliminating. We reach the target of that offset voltage is smaller than 1μV at last (the initial was 24.7mV).
The Chopper amplifier is using widely. One of the most important applications is the instrumentation amplifier. Most of the amplifier use one-signal-importing, we cannot observe the difference of two signals on practical using.
In this thesis, we can get the characters by the simulation of Chopper Amplifier include Gain: 64dB; Phase Margin: 89.7°; Offset Voltage: 7.84nV. The simulation result of Instrumentation Amplifier: Offset Voltage approximate to 0V; CMRR: 145dB. (The value of CMRR of initial amplifier is 106dB)

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的與方法 6
1-3 論文架構 7
第二章 感測元件及感測電路理論介紹 8
2-1 電容式生物感測元件簡介 8
2-1-1 氣體感測元件介紹 10
2-1-2 氣體感測原理 11
2-2 常見感測電路介紹 12
2-2-1 塵埃感測電路 12
2-2-2 濕度感測電路 13
2-3 電容感測元件應用介紹 16
2-4 漂移電壓(Offset)消除技術 18
2-5 儀表放大器介紹 23
第三章 電容感測晶片架構設計 26
3-1 電容感測元件設計 27
3-2 電容感測電路設計 31
3-2-1 CBCM 電路 31
3-2-2 CT 電路 34
3-3 差動訊號讀取電路設計 35
3-3-1 相關重採樣技術 35
3-3-1-1 單通道開關設計 35
3-3-1-2 開關電容電路設計 36
3-3-1-3 開關電容電路時序控制 38
3-3-2 自動歸零技術(Auto-zeroing) 40
3-3-2-1 Chopper 放大器工作原理 40
3-3-2-2 Chopper 放大器分析 44
3-3-2-3 初始運算放大器(Initial Amplifier)介紹 48
3-3-2-4 輸出緩衝器(Output Buffer) 54
3-3-2-5 雙端切換開關(Two Input Switch) 54
3-4 儀表放大器設計 56
3-4-1 單運放儀表放大器 56
3-4-2 三運放儀表放大器 58
第四章 感測電路模擬結果與分析 63
4-1 CBCM 電路模擬結果 63
4-2 SC 電路模擬結果 73
4-3 Chopper 放大器模擬結果 76
4-3-1 初始放大器(Initial Amplifier)模擬結果 76
4-3-2 雙通道開關模擬 83
4-3-3 輸出緩衝器佈局圖 85
4-3-4 Chopper 放大器模擬結果 86
4-4 儀表放大器模擬結果 91
第五章 結論與未來發展 95
5-1 結論 95
5-2 未來發展 98
參考文獻 99
著作 101

圖目錄
圖2-1 塵埃感測器內部方塊圖 13
圖2-2 固定點濕度偵測電路 14
圖2-3 階段式濕度檢知電路 15
圖2-4 脈波驅動濕度檢知電路 16
圖2-5 觸碰式螢幕示意圖 17
圖2-6 電容感測與一個透明線路陣列結合 17
圖2-7 自動歸零技術(Autozeroing) 19
圖2-8 偏移極性轉換技術(Alternating Offset Polarity) 21
圖3-1 感測結構分析圖 28
圖3-2 指叉狀電極示意圖 28
圖3-3 電容式感測元件層次圖 30
圖3-4 CBCM 電路圖 32
圖3-5 CBCM 控制時序圖 33
圖3-6 等溫電路示意圖 34
圖3-7 單通道開關電路圖 36
圖3-8 SC 電路架構 36
圖3-9 SC 電路工作相位一 37
圖3-10 SC 電路工作相位二 38
圖3-11 SC 電路開關控制時序圖 38
圖3-12 非重疊訊號產生電路 39
圖3-13 Chopper 放大器示意圖 41
圖3-14 單顆運算放大器示意圖 41
圖3-15 Chopper 放大器時序一工作狀態 42
圖3-16 Chopper 放大器時序二工作狀態 43
圖3-17 Initial Amplifier 電路架構圖 49
圖3-18 基本串疊式電流鏡 51
圖3-19 Wide swing current mirror 51
圖3-20 偏壓電路架構圖 53
圖3-21 輸出緩衝器架構圖 54
圖3-22 雙端輸入切換開關架構圖 55
圖3-23 單顆運算放大器實現儀表放大器架構 57
圖3-24 標準三運放儀表放大器架構圖 58
圖3-25 由Chopper 放大器組成之儀表放大器架構 60
圖3-26 參考電壓說明範例圖 61
圖4-1 CBCM 電路架構圖 64
圖4-2 CBCM 時序及節點訊號輸出圖 65
圖4-3 VBIAS 與Vout 關係觀察圖 66
圖4-4 2.2V~2.4V 細部觀察圖 66
圖4-5 VBIAS 相對Csen 變化曲線圖 67
圖4-6 CBCM 模擬結果 68
圖4-7 CBCM 模擬溫度變化結果圖 69
圖4-8 溫度對CBCM影響統計曲線圖 69
圖4-9 CBCM 電路與感測元件佈局圖 71
圖4-10 CBCM 後模擬結果(VBIAS=2.25V) 72
圖4-11 CBCM 後模擬統計曲線圖 72
圖4-12 SC 電路架構圖 73
圖4-13 SC 電路時序控制 74
圖4-14 SC 電路漂移電壓扣除結果 74
圖4-15 讀出訊號細部分析 75
圖4-16 初始放大器電路圖 76
圖4-17 Gain & Phase Margin 77
圖4-18 CMRR 78
圖4-19 PSRR 78
圖4-20 Offset Voltage 79
圖4-21 Settling Time 79
圖4-22 ICMR 80
圖4-23 Output Swing 81
圖4-24 Slew Rate 81
圖4-25 初始放大器佈局圖 82
圖4-26 雙通道開關電路圖 83
圖4-27 雙通道開關時序圖 84
圖4-28 雙通道開關佈局圖 84
圖4-29 輸出緩衝器佈局圖 85
圖4-30 雙通道開關控制時序圖 86
圖4-31 Chopper 放大器Offset Voltage 87
圖4-32 Offset Voltage 細部分析 87
圖4-33 環境溫度對於Chopper 放大器影響模擬 88
圖4-34 漂移電壓與溫度關係圖(15~75℃) 89
圖4-35 溫度與初始點偏移值關係圖 89
圖4-36 Chopper 放大器佈局圖 90
圖4-37 儀表放大器電路圖 91
圖4-38 儀表放大器漂移電壓模擬 92
圖4-39 漂移電壓細部模擬圖 92
圖4-40 儀表放大器CMRR 模擬圖 93
圖4-41 儀表放大器佈局圖 94

表目錄
表4-1 VBIAS 條件變化斜率對照表 68
表4-2 CBCM 溫度變化斜率表 70
表4-3 初始放大器特性整理 82
表4-4 各點溫度模擬值列表 90

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