1.1 研究背景與動機
在近三十多年來，因半導體製程技術逐年成長，使得資訊科技產業的發展日 新月異，各式的電子產品諸如：數位相機、筆記型電腦、車用電子、觸控螢幕及 無線監控醫療設備，乃至於近期相當熱門的智慧型行動通訊產品，皆為因應生活 所需而不斷地推陳出新，除了要求實用且價格合理外，消費者對品質及便利性的 講究日漸提升，在這求新求變的世代中，科技產業勢必掀起一波更劇烈地大革 命。然而，隨著積體電路(integrated circuit, IC)的高速發展，輕薄短小的概念已成 為產品研發的流行趨勢，除了攜帶方便外，對於醫療用途之植入式晶片可為人類 帶來更大的福祉。而近期的單一功能性晶片皆朝著整合的方向邁進，稱之為系統 整合型晶片(system-on-chip, SoC)，如圖 1-1 所描繪。
圖1-1 系統整合型晶片(SoC)架構
此構思是將不同用途的單一晶片聚集，如類比轉數位與數位轉類比電路 submicron meter)的時代，由 0.35-μm、0.25-μm 演進至常用之 0.18-μm、90-nm 甚 至更精密的技術，如圖 1-2。低功率、高效能且尺寸小的晶片不斷地問世，尤其 以低功率電路具備延長電子產品的使用時效性之特點，成為許多晶片設計的主流 趨勢。在混合信號系統中，信號夾雜著類比與數位的形式流通，常見的有類比數 位及數位類比轉換器，此類型電路通常要同時處理兩種不同的信號。以數位電路
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 10-2
10-1 100 101
Year
Mi ni mum Featur e S iz e (
μm)
Tech n olog y Scalin g
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10-1 100 101
Year
Mi ni mum Featur e S iz e (
μm)
Tech n olog y Scalin g
0.18 mμ 0.35 mμ
90nm
Minimum Feature Size m) (μ
圖1-2 半導體製程技術演進
設計來說，供應電壓的降低，是最能直接達成低能源損耗的目的；然而，受限於 電晶體的臨界電壓(threshold voltage)並不會隨著製程技術的進步而等比例的降 低，較小的供應電壓往往導致電晶體驅動能力不足而造成電路效能的降低，使得 類比電路在低電壓要維持相同效能的設計上將面臨較嚴峻的考驗。因此，在近期 的文獻中，許多適合操作在低電壓的電路相繼被提出並且證實[12][13][14][16][17]
[18]，其間的共通處是透過一些特殊的電路設計巧思來克服電晶體操作在低電壓 下的劣勢，促使低功率消耗需求的產品得以成功的實現。
1.2 混合信號系統概述
圖1-3 為混合信號系統的方塊圖[4]，其類比信號行經之路徑，包含一個可過 濾掉頻帶以上之信號的抗交疊濾波器(anti-aliasing filter)來避免雜訊摺疊之干擾，
後以操作於奈奎氏(Nyquist)頻寬之取樣保持電路(sample-and-hold circuit)產生一 個非時變之信號，供給類比數位轉換器(ADC)執行量化的處理，所產生的數位型 態資料將透過數位信號處理系統(digital signal processing)進行編碼重整，再將數位 資料交付予數位類比轉換器(DAC)做信號的重組，最終會透過一個還原濾波器 (reconstruction filter)來進行週期信號的還原並輸出。
圖1-3 混合信號系統架構
本論文之著力點為設計一個低功率的類比數位轉換器，以便於提升混合信號 系統整體效能。我們可選擇已具低耗能特色之逐次逼近式類比數位轉換器(SAR ADC)架構，藉由新穎的電路設計來改善其平均功率消耗值。此設計流程中，我 們將以數學證實提出架構之可行性，再利用電路擬真軟體Hspice 與 Cadence 來模
擬並實現，最後再透過晶片的專案製作(tape out)及印刷電路板(printed circuit board, PCB)電路量測，來達成低耗能 ADC 之實作目標。
1.3 論文架構與研究方法
本論文共規劃六個章節，除了本章節已介紹的研究背景與動機，以及概述 ADC 的類型外，其後各章節的內容介紹將闡述如下；
第二章 本章節將說明類比數位轉換器的基本觀念，再介紹標準型態之逐次逼近 式類比數轉換器的初始概念。
第三章 介紹SAR ADC 所需使用的電路元件，如 MOS 開關、取樣保持電路、
動態比較器、軌對軌比較器、符合SAR ADC 之運算邏輯的暫存器及時 脈產生器等設計。
第四章 討論開關電容切換之能量損耗，以傳統SAR ADC 架構之數位類比轉換 電 路 開 始 說 明 ， 接 著 介 紹 所 提 出 之 浮 動 開 關 電 容(floating capacitor switching, FCS)技術的電容切換架構，並藉由數學方程式來推導並證明 該架構較傳統架構要節省能源的輸出。
第五章 首先探討浮動開關電容技術的非理想效應，接著實現兩個新穎架構：部 分式浮動開關電容(partial FCS)技術之差動 SAR ADC，以及雙部分式浮 動開關電容(double partial FCS)技術之單端 SAR ADC，並模擬及量測電 路表現。
第六章 總結本論文所提出之電容切換技術與未來展望。