行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
低電壓導管式類比數位轉換器
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2622-E-002-031-CC3 執行期間： 91 年 06 月 01 日至 92 年 05 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學電子工程學研究所 計畫主持人： 劉深淵 計畫參與人員： 劉深淵 鄭光偉 黃威仁 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢 中 華 民 國 92 年 7 月 3 日國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精
簡報告
學門領域：高等類比與混合訊號電路設計 計畫名稱：低電壓導管式類比數位轉換器 計畫編號：NSC 91－2622－E－002－031－CC3 執行期間：九十一年六月一日至九十二年五月三十一日 執行單位：國立台灣大學電子工程研究所 主 持 人：劉深淵 教授 參與學生： 姓 名 年 級 (大學部、碩 士班、博士 班) 已發表論文或已申請之專 利 (含大學部專題研究論文、 碩博士論文) 工作內容 鄭光偉 碩士班 一伏十位元 CMOS 導管式類比數位轉換器 電路設計、模擬、 佈局與量測 黃威仁 碩士班 電路設計、模擬、 佈局與量測 合作企業簡介 合作企業名稱：億兆科技股份有限公司 計畫聯絡人：呂建邦 資本額：一億五千萬 產品簡介：影像控制晶片 網址：http://www.archic-tech.com.tw 電話：(02)87515333 研究摘要： 隨著無限通訊系統和個人可攜式電子產品的爆發性成長，對於低功率、低電壓的積體電路有著不可或缺的需求。在今日許多的應用當 中，多使用數位信號處理技術來處理所傳輸的資料，因此，在接收到 的類比訊號和數位信號處理系統之間，就需要一個將類比訊號轉換成 數位訊號的介面。類比訊號轉換成數位訊號的介面既為整個系統的一 部份，也同樣必須受到低功率、低電壓的限制。而在與日遽增規模的 積體電路趨勢當中，也使得類比數位轉換器必須和龐大的數位信號處 理系統和數位電路整合在單一顆晶片上。因此，也要求類比數位轉換 器必須和數位電路操作在同樣的工作電壓之下。 在許多種類的互補式金氧半類比數位轉換器的架構當中，導管式 類比數位轉換器能夠達到高速的輸入性能和快速的處理能力，是由於 在導管式類比數位轉換器每一級中的取樣保持電路如同快閃式類比 數位轉換器能夠同時的動作。在這本報告當中，對於電源供應在互補 式金氧半類比數位轉換器在理論和實現上的限制都有所解釋，以及描 述了導管式類比數位轉換器能夠操作在低電壓的技術。 在現今的互補式金氧半製程，由 0.25 微米、0.18 微米、進步到 0.13 微米製程。數位電路部分可以隨著製程的演進降低電源供應的 電壓，然而對於類比電路而言，設計低電壓的電路就造成了一個很大 的挑戰。到目前為止，類比數位轉換器的電源供應從 1.5 伏特到 3.0 伏特。在本研究當中，希望能夠使用電池作為操作電壓在 1 伏特以 下的類比數位轉換器的電源供應。 人才培育成果說明： 參與學生經由此計畫已經得到長足的進步，每個學生從完全不懂積體 電路設計技術，到能夠獨立完成晶片的設計、模擬、製作與量測，並於計 畫期間榮獲全國積體電路設計競賽優等獎，對於培育類比與混合訊號電路 設計人才進入半導體產業已有豐碩的成果。 技術研發成果說明：
在此次研究當中，一個十位元每秒取樣 5 百萬次操作電壓為 1 伏特的導管式類比數位轉換器，在標準 0.25 微米互補式金氧半製程 中被設計與實現，其中 N 通道和 P 通道場效電晶體的臨界電壓各為 0.5 伏特和 0.6 伏特。微分型非線性誤差（DNL）可達到±0.9 最小 位元單位，積分型非線性誤差（INL）可達到±1.6 最小位元單位。 技術特點說明： 為了實現在低電壓操作的導管式類比數位轉換器，以開關式運算 放大器技術來實現一個創新的乘法式數位類比轉換器（MDAC），而 不用其他升壓電路或者低臨界電壓的製程。同時也實現了一個可靠的 新式低電壓輸入取樣電路作為導管式類比數位轉換器的取樣保持電 路。由於此電路並沒有可靠度的問題存在，所提出來的這個低電壓導 管式類比數位轉換器方常識和未來先進製程，而且對於系統整合有很 大的幫助。 可利用之產業及可開發之產品： 隋著目前數位電路技術的日益精進，類比數位轉換器的地位也就 顯的越來越為重要。它提供了類比訊號和數位訊號之間的一個介面。 在現在數位化的世界裡，類比數位轉換器是數位信號處理的關鍵所 在。例如一個影像處理的系統中，在最前端是一個感測器元件，而感 測器元件所輸出的結果皆為類比訊號，我們通常會用數位信號處理器 （DSP）的相關技術處理這些信號，這時候就需要一個低功率、低電 壓、高解析度的類比數位轉換器，類比數位轉換器的應用如在通訊系 統、語音系統或磁碟處理上都有很廣泛的應用。舉凡如數位示波器、 數位儀表等實驗器材，乃至於數位電視、數位相機、行動電話等民生 消費產品，均大量地應用到類比數位轉換器。 推廣及運用的價值： 類比與混合訊號電路設計人才培育計畫可利國內半導體產業增
加產值、增加附加價值及營利、增加投資及設廠、並且增加就業人數 等。
