可應用於高鑑別度偵測系統之調變式電路設計

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研究生：	房仲彬 Fang, Ben
論文名稱：	可應用於高鑑別度偵測系統之調變式電路設計 Design of a modulation circuit for high detection limit system
指導教授：	徐永珍 Hsu, Yung-Jane Klaus
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電子工程研究所 Institute of Electronics Engineering
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	68
中文關鍵詞：	鎖相放大器、光檢測、調變
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在我們的日常生活中，感測器的應用是無所不在的。但是目前許多的感測器都存在著訊號太微弱而令其無法被順利讀取出來的問題。所以提升在這些應用上的感測極限(Detection limit)將會是一個很大的挑戰。例如像是在光電檢測系統(Optoelectronic detection system)的應用裡，我們所想要檢測到的光訊號就可能會被許多的問題所影響，包括前端檢測器(Sensor)的靈敏度、檢測電路自身的雜訊、以及我們所處的自然背景光雜訊等等……這些我們都不能忽視。
而當我們希望能夠把感測系統朝更細微的訊號檢測極限邁進時，我們就必須要想辦法克服上述所遭遇到的各種問題。而在這篇論文裡，我們的目的就是要設計出一個微弱訊號的檢測電路並且在微光電檢測系統的應用上實現。在此論文裡我們將利用一般無線電收發(Wireless receiver)的調變(Modulation)與解調變(Demodulation)技術和鎖相放大器(Lock-in amplifier)的訊號讀取技巧去抑制自然背景雜訊光所帶來的訊號干擾，以達到高鑑別度的訊號讀取效果。

在這個研究的過程中我們將利用國家晶片設計中心(CIC)所提供的 TSMC CMOS 0.35um 標準製程去我們設計系統。而這整個光電檢測系統的設計包含了：(1)光源驅動電路(Light source driver)，用以提供雷射光源或是LED光源驅動(2)時脈產生電路(Clock generator)，產生光源驅動以及訊號調變時所需的時脈訊號(3)轉阻放大器(Trans-impedance amplifier)，將前端的光感測器輸出電流訊號轉換為電壓訊號並且做初級的訊號放大(4)後端訊號處理電路，利用上述的混波調變的技巧將我們所需要的微弱光訊號解調變出來，並且濾掉我們不想要的訊號，以達到光訊號鑑別度的提升。

第一章 緒論 .......................................... 1
1-1 前言 .............................................. 1
1-2 研究動機 .......................................... 1
1-3 論文架構 .......................................... 2
第二章 背景知識與文獻回顧 ........................... 4
2-1 光電系統 .......................................... 4
2-1-1 前端光學系統 ...................................... 5
2-1-2 探測器 ............................................ 5
2-1-3 電子訊號處理電路 .................................. 7
2-1-4 後端顯示與控制單元 ................................ 7
2-1-5 致冷器 ............................................ 8
2-2 微光電檢測系統 .................................... 8
2-3 螢光產生機制 ...................................... 9
2-3-1 反司托克士效應螢光 ............................... 10
2-3-2 新式螢光防偽技術 ................................. 11
第三章 電路系統設計 ................................ 12
3-1 系統架構探討 ................................... 12
3-2 微弱光電信號處理方法 ............................. 12
3-1-1 鎖相放大器 ....................................... 13
3-1-2 取樣積分器 ....................................... 14
3-1-3 光子計數系統...................................... 16
3-3 系統電路設計 ..................................... 16
第四章 系統電路實現與模擬 .......................... 20
4-1 時脈產生電路 ..................................... 20
4-1-1 壓控震盪器電路 .................................... 20
4-1-2 除頻電路 ......................................... 21
4-1-3 時脈產生電路模擬結果 .............................. 22
4-2 操作放大器 ....................................... 23
4-2-1 操作放大器模擬結果 ................................ 24
4-3 轉阻放大器 ....................................... 25
4-3-1 轉阻放大器模擬結果 ................................ 26
4-4 濾波器 .......................................... 27
4-4-1 帶通濾波器 ....................................... 27
4-4-2 帶通濾波器模擬結果 ................................ 28
4-4-3 低通濾波器 ....................................... 29
4-5 前級放大器 ....................................... 30
4-5-1 前級放大器模擬結果 ................................ 30
4-6 混波器 ........................................... 31
4-6-1 混波器模擬結果 .................................... 32
4-7 前級放大器 ....................................... 34
4-7-1 儀表放大器模擬結果 ................................ 34
4-8 偏壓電路 ......................................... 35
4-8-1 偏壓電路模擬結果 .................................. 36
4-9 光源驅動電路 ..................................... 37
4-9-1 光源驅動電路模擬結果 .............................. 37
4-10 系統電路 ........................................ 39
4-10-1 系統電路模擬結果 ................................. 39
4-11 電路佈局圖 ...................................... 46
第五章 量測結果與討論 ................................ 48
5-1 量測環境介紹與準備 ............................... 48
5-1-1 使用儀器介紹...................................... 49
5-1-2 PCB 測試板設計 .................................... 50
5-2 系統電路量測結果 ................................. 52
5-2-1 系統電路鑑別度量測結果 ............................ 52
5-2-2 系統電路線性度量測結果 ............................ 54
5-2-3 VCO 量測結果 ...................................... 56
5-3 系統電路的應用方式 ............................... 58
5-3-1 系統電路實際應用驗證 .............................. 56
第六章 總結 ........................................... 64
6-1 結論 ............................................ 64
6-2 後續研究改進之建議 ............................... 65
參考文獻 ................................................ 66

                                

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