PROGETTAZIONE ANALOGICA

Crediti: 
9
Settore scientifico disciplinare: 
ELETTRONICA (ING-INF/01)
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

italiano

Obiettivi formativi

Conoscenza e comprensione:
obiettivo formativo del corso è fornire allo studente di laurea magistrale
in ingegneria elettronica gli strumenti teorici e pratici necessari per affrontare il progetto di singoli
circuiti integrati analogici in tecnologia CMOS. In particolare:
-teoria: complementi di elettronica analogica e architetture di circuiti
anaolgici in tecnologia CMOS
-pratica: utilizzo di strumenti software per la progettazione (EDA-CAD) e
tecniche di progettazione di circuiti analogici

Le capacità di applicare conoscenza e comprensione e abilità acquisite dallo studente sono:
-sapere utilizzare un CAD professionale per il progetto di un circuito integrato analogico (incluso simulazione e verifica)
-sapere individuare l'architettura corretta del circuito a partire dalle specifiche (autonomia di giudizio)
-sapere dimensionare un circuito analogico a partire dalle specifiche
-predisporre un piano di verifica del progetto per mezzo di strumenti CAD (EDA-CAD)
In particolare, nella parte del corso dedicata all'attività di laboratorio lo
studente potrà applicare le conoscenze teoriche apprese cimentandosi
con il progetto individuale di circuiti analogici in tecnologia CMOS con
complessità circuitali crescenti (dall'amplificatore a source comune ad un
oscillatore al quarzo).

Capacità comunicative:
-capacità di comunicare in modo efficace in forma scritta le scelte di
progetto, i passi e le difficoltà realizzative e l'analisi dei risultati
di simulazione,
-capacità di presentare oralmente in modo efficace le scelte di
progetto, i passi e le difficoltà realizzative e l'analisi dei risultati
di simulazione

Competenze trasversali
-capacità di svolgere un progetto nell'ambito di un'attività di gruppo.

Prerequisiti

Dispositivi elettronici (transistore MOS)

Teoria di base dei circuiti analogici (concetti di linearizzazione, stadi amplificatori a singolo transistor, amplificatore differenziale e amplificatore operazionale a scatola nera, ecc.).

Teoria del rumore nei dispositivi elettronici (resistori e transistor MOS)

Contenuti dell'insegnamento

TEORIA (42 ore)

1 Tecnologia CMOS: dispositivi per la progettazione analogica e non-idealità (4 ore)
2 Transistore MOS per applicazioni analogiche (2 ore)
3 Specchi di corrente di precisione (2 ore)
4 Amplificatori CMOS integrati (14 ore)
4.1 Amplificatori CMOS a singolo stadio: complementi
4.2 Amplificatori operazionali in tecnologia CMOS
4.3 Amplificatori operazionali differenziali
5 Tecnica di progetto dei circuiti CMOS basata sul gm/Id e fattore di inversione (2 ore)
6 Il rumore negli amplificatori: aspetti progettuali (3 ore)
7 Stadi di uscita negli amplificatori operazionali CMOS (2 ore)
8 Circuiti a condensatori commutati: teoria, architetture e tecniche di progetto (4 ore)
9 Riferimenti di tensione e corrente (4 ore)
10 Oscillatori a cristallo (2 ore)
11 Simulatori per circuiti analogici (3 ore)
11.1 algoritmi per simulazione DC e TRAN
11.2 Tecniche di simulazione di amplificatori operazionali (single-ended e differenziali)

LABORATORIO (21 ore)

1. CAD elettronico per il progetto e la simulazione di circuiti integrati: Cadence Design Framework
2. Progetto di celle analogiche in tecnologia CMOS (3 progetti)
3. Cenni al disegno del layout dei circuit analogici

Programma esteso

TEORIA:
1 Tecnologia CMOS
1.1 Dispositivi per la progettazione analogica (resistori, condensatori e transitori MOS)
1.2 Non idealità: effetti parassiti nei dispositivi attivi e passivi
1.3 Non idealità: tolleranza di processo e mismatch casuale; legge di Pelgrom
1.4 Simulazione Monte-carlo e Corner
1.5 Effetti parassiti dovuti alle interconnessioni
1.6 Bonding e Packaging
2 Transistore MOS per applicazioni analogiche
2.1 Principali effetti a canale corto e/o ossido sottile
2.2 Funzionamento in debole inversione e sotto-soglia
3 Specchi di corrente di precisione
4 Amplificatori CMOS integrati
4.1 Amplificatori CMOS a singolo stadio: complementi
4.2 Amplificatori operazionali in tecnologia CMOS
4.2.1 Amplificatore di Miller e Miller-enhanced
4.2.2 Amplificatore Folded cascode
4.2.3 Amplificatore rail-to-rail
4.2.4 Amplificatori a micro-potenza
4.3 Amplificatori operazionali differenziali
4.3.1 Vantaggi dei circuiti differenziali
4.3.2 Architetture
4.3.3 Common-Mode Feedback: teoria e schemi

5 Tecnica di progetto dei circuiti CMOS basata sul gm/Id e fattore di inversione
5.1 Applicazione: progetto di amplificatore a source comune e amplificatore operazionale di Miller.
6 Il rumore negli amplificatori
6.1 amplificatori a singolo stadio, operazionale di Miller e generatore di corrente.
6.2 Tecniche di progetto per il basso rumore
7 Stadi di uscita negli amplificatori operazionali CMOS
7.1 Stadio in classe AB con loop translineare
7.2 Stadio in classe C
8 Circuiti a condensatori commutati: teoria, architetture e tecniche di progetto.
8.1 Equivalenza di Maxwell e circuiti a tempo-discreto
8.2 Interruttori e non-idealità
8.3 Sequenza ottimale di attivazione degli interruttori
8.4 Circuiti campionatori ed amplificatori
8.5 Integratori e Filtri S-C (Cenni)

9 Riferimenti di tensione e corrente
9.1 Riferimento bandgap: teoria
9.2 Riferimento di tensione: architettura
9.3 Generatori di corrente: schema elettrico
10 Oscillatori a cristallo
10.1 Uso del cristallo (quarzo) per oscillatori di precisione
10.2 Schema di oscillatore al quarzo in CMOS
10.3 Tecnica di progettazione dell'oscillatore di Pierce
11 Simulatori per circuiti analogici
11.1 Algoritmi per simulazione DC e TRAN
11.2 Tecniche di simulazione di amplificatori operazionali (single-ended e differenziali)
11.3 Tecnica di simulazione degli oscillatori

LABORATORIO

1. CAD elettronico per il progetto e la simulazione di circuiti integrati: Cadence Design Framework
2. Progetto di celle analogiche in tecnologia CMOS

Bibliografia

B. Razavi, ``Design of Analog CMOS Integrated Circuits'', Mc Graw Hill
P. E. Allen, D. R. Holdberg , "CMOS Analog Circuit Design", 2nd edition, Oxford University Press
K. S. Kundert, “The Designer's Guide to Spice and Spectre”, Kluwer Academic Publ.

Slide del docente disponibili sul sito del corso al portale lea.unipr.it

Metodi didattici

Il corso è suddiviso in:
-lezioni orali, dove vengono fornite le conoscenze avanzate nel campo della progettazione di circuiti integrati analogici in tecnologia CMOS.
-attività di laboratorio di progettazione analogica.

L'attività di laboratorio si articola in
-Esercitazioni per l'apprendimento del CAD da utilizzare per i progetti individuali
-Progetti a piccoli gruppi (2-3 studenti), con assistenza da parte del docente, di circuiti analogici (precedentemente descritti a lezione).
I principali obiettivi dell'attività di laboratorio sono il consolidamento delle conoscenze acquisite nella parte teorica del corso e la conoscenza dei software di progettazione analogica.
La partecipazione all'attività di laboratorio (progettazione) è obbligatoria e prerequisito per accedere all'esame.

Modalità verifica apprendimento

L'esame prevede una prova orale su
-teoria (Tecnologia CMOS: aspetti relativi alla progettazione analogica, circuiti analogici in CMOS, simulatore circuitale e tecniche di simulazione). Impatto sulla valutazione finale: 65%, circa.
-presentazione delle relazioni (tutte o alcune) e dei risultati conseguiti nel laboratorio di progettazione analogica (progetti assegnati dal docente): impatto sulla valutazione finale: 35%, circa

Per il superamento dell'esame è richiesta una valutazione (almeno) sufficiente in entrambe le parti.

I gruppi di lavoro sono formati all'inizio dell'attività di laboratorio e sono tenuti a consegnare gli elaborati riferiti ai vari progetti durante l'A.A. ed entro i termini comunicati dal docente.
L'elaborato è redatto dal gruppo di lavoro (una relazione per ciascun gruppo), mentre la presentazione in sede di esame orale è individuale.
La valutazione dell'elaborato è inclusa nella parte dell'esame relativa alla presentazione (individuale).

La frequenza alle ore di attività di laboratorio (parte di progettazione a gruppi) è obbligatoria e costituisce requisito per accedere all'esame.

Altre informazioni

Pagina WEB del corso sul portale http://elly.dii.unipr.it (obbligo di registrazione) con:

-slides
-progetti da svolgere e relative indicazioni
-comunicazioni docente-studenti