一個應用時間增益補償的TSMC 180nm DMOS製程的微小化超音波液位計之設計

Abstract

市面上以鋰電池為電源供應的電子產品越來越多，包含電動車與手機等等。然而，鋰電池的安全與耐用度問題仍尚未完全解決，尤其在電動車的應用中，電池的蓄電力下降與爆炸問題，仍然是電動車存在的主要問題之一。本篇論文整理近年電池管理系統的研究，並依照其規格，設計出一微小化的量測系統。此系統亦能成為一超音波液位計，其不接觸到液體的特性，可有許多工業上的應用。 本系統由兩個晶片與兩個超音波換能器 (Transducer) 所組成，兩個晶片分別為發射器與接收器。發射器的製程為 0.18μm DMOS製程，其輸出為脈波，頻率為超音波換能器的共振頻率，目的為驅動超音波換能器。同時，發射器內部有 停滯時間控制器 (dead-time controller) 的電路，使晶片不會產生大的瞬間電流，以免在電動車內部的環境產生無法預估的化學反應。接收器的製程為0.18μm CMOS製程，晶片內部包含低雜訊放大器 (LNA)、自動增益控制器 (AGC)、帶通濾波器 (BPF)、包絡檢波器 (envelope detector)，接收器的目標是讀出接受訊號的時間及振幅大小。由於超音波在傳遞時會衰減，為了讀出不受衰減影響的接收訊號，時間增益補償(time-gain compensation) 會被應用在AGC內。此外，AGC有取樣保值電路(sample and hold circuit)，當晶片感應到接收訊號時，會對AGC控制增益大小的數位訊號進行取樣，並輸出此數位訊號。由於數位訊號是由計數器 (counter)所產生的，故此訊號亦可作為時間數位轉換器的輸出。 根據系統需求，整個系統內各個重要設計參數都進行詳細計算。本論文使用30V、5V、1.8V的電源電壓，接受器的類比前端輸入雜訊小於3nV/√Hz，而接收訊號時間的準確度小於5μs，兩顆晶片的總功耗約為55mW。此設計可與部分市售超音波液位計規格匹敵，能多方應用在許多產業中。