台大電子工程學研究所所長劉深淵指出,台大的技術團隊在智慧型眼鏡、智慧型手錶之外,選了智慧型識別證 (Smart Badge)當研究主題,雖然這項產品的產值不高,但他認為其中包括功耗低於0.5V的溫度感測器,以及類比數位轉換器(ADC)等許多關鍵技術都值得發展。他表示,未來在很多惡劣環境下,可使用智慧型感測器( Smart Sensor)來負責監測任務。
上述各種技術的開發,最重要的課題,就是低功耗 (Low Power)。如何利用電路技術,想辦法壓低功耗,其中最簡單的方法,就是把不用的電路關掉。只是有些電路或元件關掉之後重新啟動,不但耗時而且費電,像是低頻時脈振盪器(Oscillator)需要不斷地監控電路,是很重要的元件,永遠都不可以關掉。所以,劉深淵所長的團隊就選擇了振盪器,作為低功耗的研究主題。
劉深淵指出,傳統的石英振盪器(Crystal Oscillator),頻率變異(freq. variation)非常小,可以小到1ppm,但缺點是體積大,成本相對高,不利於應用在貼身的穿戴式產品上。其次是阻容振盪器(RC Oscillator ),相較之下,頻率較低、體積小、成本低,但缺點是頻率變異比較大。
2010年,IEEE JSSC 的論文提出一個on chip 振盪器設計,頻率14MHz,雖然在頻率變異上無法與石英振盪器相比,但在低功耗、小尺寸、低成本上,卻取得最大優勢。
劉深淵所長的技術團隊因此看好CMOS弛張振盪器 ( Relaxation Oscillator) 是個值得研究的主題。實驗團隊採國家晶片系統設計中心(CIC) 0.18微米CMOS製程,分別開發出 1.4MHz振盪器及28kHz振盪器。
1.4MHz振盪器,在1.2V電壓下平均耗電615毫微瓦(nW),在攝氏-20~80度時,溫度係數每度為56.4ppm。28kHz振盪器,在1.2V電壓下平均耗電40.2毫微瓦(nW),在攝氏-20~80度時,溫度係數每度為95.5ppm。兩枚振盪器在攝氏25度下,輸出頻率變異每伏都低於3%。
第一項效能指標(FOM1)是頻率除以功耗,第二項效能指標(FOM2)又多加入了尺寸與溫度係數。劉深淵所長指出,台大團隊發表的1.4MHz振盪器研究成果,在FOM1及FOM2上,表現都優於2010年JSSC發表的成果。
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