Detail předmětu

Metody návrhu analogových integrovaných obvodů

FEKT-MNAIAk. rok: 2014/2015

Předmět se zabývá mírně pokročilými metodami návrhu analogových integrovaných obvodů s ohledem na detailnější pochopení problematiky parazitních vlivů z hlediska přesnosti a šumu. Používané technologie (bipolární, CMOS a BiCMOS).
Náplní předmětu je:
- návrh a simulace malého analogového systému
- metody přesného návrhu, výpočet souběhu (Matching analýza)
- šumová analýza v teorii i v praxi

Prakticky zaměřená cvičení na skutečné přesné nízkošumové návrhy analogových obvodů.
Počítačová cvičení s využitím pokročilých programových balíků (CADENCE).

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav mikroelektroniky (UMEL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- navrhnout jednoduchý analogový systém, sestavit tento systém z jednotlivých základních analogových obvodů, definovat požadavky na tyto bloky, navrhnout tyto bloky s požadovanými parametry (procvičováno na analogovém obvodu pro řízení spínaných zdrojů)
- pochopit, vysvětlit a provést návrh a analýzu přesného analogového integrovaného obvodu (přesný operační zesilovač, přesná napěťová reference, přesná proudová reference)s ohledem na výrobní rozptyl/souběh parametrů součástek na čipu (matching).
- Rozdělit a definovat typy a zdroje šumu v obvodu, navrhnout, analyzovat a optimalizovat analogový integrovaný obvod s ohledem na nízko-šumové požadavky.

Na numerických a laboratorních cvičeních se studenti naučí a formou praktických cvičení se ověřuje schopnost:
- navrhnout, ve světově standardním programovém prostředí Cadence simulovat a interpretovat výsledky řady analogových integrovaných obvodů i celého integrovaného systému (zesilovače, reference, komparátory, oscilátor apod.),
- matematicky pracovat s jednotlivými chybovými příspěvky v obvodu, v simulačním prostředí ověřit matematickou analýzu, optimalizovat návrh a interpretovat dosažené výsledky,
- matematicky pracovat s jednotlivými šumovými příspěvky v obvodu, simulačním prostředí ověřit matematickou analýzu, optimalizovat návrh obvodu z hlediska šumu a interpretovat dosažené výsledky.

Prerekvizity

Student, který se do předmětu zapíše, musí mít následující znalosti z elektronických součástek a analogových obvodů (prerekvizity formou výstupů z učení):

Z oblasti elektronických součástek by měl být student schopen:
- vysvětlit základní funkce a charakteristiky zejména bipolárních tranzistorů a tranzistorů FET.

Z oblasti analogových obvodů by měl být student schopen:
- vysvětlit, navrhnout a analyzovat základní bloky analogové techniky (proudového zrcadla, operační zesilovače, napěťové reference, komparátory).

Zcela samozřejmě se předpokládá, že student je schopen vysvětlit a pracovat se základními elektrotechnickými principy a zákonitostmi, zejména z teorie obvodů (obvodové veličin, Ohmův zákon, Kirchhoffovy zákony). Výhodou předchozí absolvování předmětu MAIO (Návrh a rozbor proudového zrcadla, operačního zesilovače, napěťové reference typu BandGap atd.)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a numerická cvičení včetně simulací na počítači.

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.
Obvykle:
- až 30 bodů za 2 písemné testy v půběhu semestru
- až 70 bodů za závěrečnou zkoušku (písemný test + korekční ústní část)

Osnovy výuky

1) BLOK OSCILÁTORU PRO PWM KONTROLER

- BG reference
- Proudová reference
- Vcc clamp (paralelní regulátor)
- V->I konvertor s teplotně stabilním offsetem
- Dvojrampový oscilátor s VCO charakteristikou
- Vcc reset
- Vcc management (UVLO obvody)
- Chybové obvody


2) ZÁKLADY NÁVRHU PŘESNÝCH OBVODŮ

- základní koncept přesného návrhu
- základní vztahy pro výpočet chyb v analogových obvodech
- Metoda Monte Carlo
- přesná tranzistorová dvojice
- přesné proudové zrcadlo
- přesný diferenciální stupeň (mos/bipolar, odporová zátěž, aktivní zátěž).
- Přesný dvojstupňový operacni zesilovač
- Výpočet chyby pomocí match nomogramu



3) ŠUM

- Definice šumové hustoty a integrální hodnoty šumu a jejich vzájemný vztah
- Korelovaný a nekorelovaný příspěvek šumu
- Šumova charakterizace aktivnich prvku
- Šum odporu a šum PN přechodu
- Ekvivalentní vstupní šum bipolárního tranzistoru
- Šum mos tranzistoru, ekvivalentní vstupní šum mos tranzistoru
- Základní koncept nízkošumového návrhu
- Návrh nízkošumového dif. stupně (mos, bipolar)
- Šum dif. stupně s aktivní zátěží



4) NÁVRH PŘESNÉ NÍZKOŠUMOVÉ BG REFERENCE

- Základní princip přesné BG reference
- Identifikace dominantních chybových příspěvků
- Princip násobného dVbe
- Přesná nízkošumová BG reference bez dodatečné filtrace
- Přesná nízkošumová BG reference s bypass kapacitou
- Prednabíjeci obvody bypass kapacity

5) NÁVRH PŘESNÉHO NÍZKOŠUMOVÉHO OPERAČNÍHO ZESILOVAČE

- Vypočet/simulace minimálního offset přesného OZ v mos a bjt procesu
- Vypočet/simulace minimálního šumu přesného OZ v mos a bjt procesu
- Návrh druhého stupně přesného OZ (paralelní/Millerova kmitočtová kompenzace)
- Výpočet chyby a šumu druhého stupně
- Návrh prvního stupně přesného OZ a stanoveni jeho zisku
- Kmitočtová kompenzace, optimalizace fázové bezpečnosti

Učební cíle

Cílem je poskytnout studentům orientaci v oblasti pokročilých metod návrhu moderních analogových funkčních bloků pro integrované obvody. Důraz je kladen na praktický návrh přesných nízkošumových obvodů. Studenti se také seznámí s prácí v profesionálním návrhovém prostředí CADENCE na takové úrovni, že budou schopni navrhnout a nakreslit základní analogové obvody a jednoduchá systémová zapojení a odsimulovat je pomocí základních typů analýz.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.
Obvykle: zápočet podmíněn docházkou do počítačových laboratory

Základní literatura

Baker, J.R.:"CMOS circuit design, layout and simulation", IEEE Press a Wiley Interscience, ISBN 0-471-70055-X, 2005 (EN)
Razavi, B.:"RF Microelectronics (2nd Edition) (Prentice Hall Communications Engineering and Emerging Technologies Series), Oct. 2011, ISBN:978-0-13-713473-1 (EN)
Razavi:"Design of analog integrated circuits", McGraw-Hill, ISBN 0-07-238032-2, 2001 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-M1 magisterský navazující

    obor M1-MEL , 2 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program EEKR-M magisterský navazující

    obor M-MEL , 2 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Osnova

OSNOVA PŘEDNÁŠEK PŘEDMĚTU MNAI

1) BLOK OSCILÁTORU PRO PWM KONTROLER

- BG reference
- Proudová reference
- Vcc clamp (paralelní regulátor)
- V->I konvertor s teplotně stabilním offsetem
- Dvojrampový oscilátor s VCO charakteristikou
- Vcc reset
- Vcc management (UVLO obvody)
- Chybové obvody


2) ZÁKLADY NÁVRHU PŘESNÝCH OBVODŮ

- základní koncept přesného návrhu
- základní vztahy pro vypočet chyb v analogových obvodech
- Metoda Monte Carlo
- přesná tranzistorová dvojice
- přesné proudové zrcadlo
- přesný diferenciální stupeň (mos/bipolar, odporová zátěž, aktivní zátěž).
- Přesný dvojstupňový operacni zesilovač
- Výpočet chyby pomocí match nomogramu



3) ŠUM

- Definice šumové hustoty a integrální hodnoty šumu a jejich vzájemný vytah
- Korelovaný a nekorelovaný příspěvek šumu
- Sumova charakterizace aktivnich prvku
- Šum odporu a šum PN přechodu
- Ekvivalentní vstupní šum bipolárního tranzistoru
- Šum mos tranzistoru, ekvivalentní vstupní šum mos tranzistoru
- Základní koncept nízkošumového návrhu
- Návrh nízkošumového dif. stupně (mos, bipolar)
- Šum dif. Stupně s aktivní zátěží



4) NÁVRH PŘESNÉ NÍZKOŠUMOVÉ BG REFERENCE

- Základní princip přesné BG reference
- Identifikace dominantních chybových příspěvku
- Princip násobného dVbe
- Přesná nízkošumová BG reference bez dodatečné filtrace
- Přesná nízkošumová BG reference s bypass kapacitou
- Prednabijeci obvody bypass kapacity

5) NÁVRH PŘESNÉHO NÍZKOŠUMOVÉHO OPERAČNÍHO ZESILOVAČE

- Vypočet/simulace minimálního offset přesného OZ v mos a bjt procesu
- Vypočet/simulace minimálního sumu přesného OZ v mos a bjt procesu
- Návrh druhého stupně přesného OZ (paralelní/Millerova kmitočtová kompenzace)
- Vypočet chyby a sumu druhého stupně
- Návrh prvního stupně přesného OZ a stanoveni jeho zisku
- Kmitočtová kompenzace, optimalizace fázové bezpečnosti

Cvičení na počítači

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Roman Prokop, Ph.D.
Ing. Michal Pavlík, Ph.D.

Osnova

Osnova cvičení předmětu MNAI

- Seznámení s nástroji pro návrh IO(CADENCE, Mentor Graphics).
- Návrh a simulace malého analogového systému (PWM kontroller pro spínané zdroje)
- výpočet chyb v analogových obvodech, Monte Carlo, přesný návrh diferenciálního stupně)
- Šum, výpočet a simulace příspěvků šumu, návrh nízkošumového obvodu)
- návrh přesné nízkošumové BG reference (výpočet, simulace)
- návrh přesného nízkošumového OZ (výpočet, simulace)