Detail předmětu

Návrh moderních elektronických obvodů

FEKT-DRE1Ak. rok: 2017/2018

Studenti se seznámí s pokročilými metodami pro počítačové modelování elektronických obvodů (výpočet ustálené odezvy, přibližná symbolická analýza, modelování systémů v jazyku VHDL-AMS, řešení obvodů s úseky vedení, analýza integrity signálu, simulace obvodů se spínači), návrh analogových integrovaných obvodů (základní prvky v technologii CMOS, návrh základních analogových bloků, řešení speciálních úloh - ochrana před elektrostatickými výboji, latch-up, EMC integrovaných obvodů), s optimalizací obvodů ( formulace kriteriální funkce, lokální optimalizační metody, globální optimalizační metody, více-kriteriální úlohy).

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

prof. Dr. Ing. Zdeněk Kolka

Zajišťuje ústav

Ústav radioelektroniky (UREL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen (1) navrhovat základní bloky integrovaných obvodů, (2) používat pokročilé metody pro simulaci systémů se spojitým i diskrétním časem, (3) využívat tradiční i netradiční metody pro optimalizaci systémů obecné povahy.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti magisterské matematiky (maticový počet, diferenciální rovnice, integrální transformace, teorie grafů) a teorie obvodů (metody formulace rovnic, modely prvků, základní zapojení).

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT. Metody vyučování zahrnují přednášky. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává dva samostatné projekty.

Způsob a kritéria hodnocení

Dva individuální projekty a jejich obhajoba (2 x 50 bodů).

Osnovy výuky

1. Počítačové modelování elektronických obvodů - 4 semináře
- Metody pro řešení ve stejnosměrné, frekvenční a časové oblasti. Přesnost výpočtu, problémy s konvergencí.
- Výpočet ustálené odezvy v časové, spektrální a kombinované oblasti. Metody pro přibližnou symbolickou analýzu a jejich využití.
- Metody pro řešení obvodů s úseky vedení. Využití pro analýzu integrity signálu v diskrétních i integrovaných aplikacích.
- Modelování obvodů necelistvého řádu.

2. Základní teorémy pro obvody se soustředěnými a rozloženými parametry - 1 seminář
- Matematicky popis vysílacího a přijímacího anténního systému.
- Úvod do teorému reciprocity a jeho aplikací. Reciprocita mezi přijímacím a vysílacím stavem antény (konstrukce Kirchhoffova náhradního obvodu přijímací antény, výkonový teorém reciprocity, podmínka přizpůsobení antény).

3. Návrh analogových integrovaných obvodů - 4 semináře
- Základní obvodové prvky. Specifika CMOS technologie, parazitní prvky, vliv výrobního rozptylu.
- Stavební prvky integrovaných obvodů. Proudová zrcadla, zesilovací stupně. Rozbor činnosti a parazitních vlastností.
- Metodika návrhu základních bloků, analytický model a jeho řešení. Rozbor transkonduktančního OZ.
- Řešení a simulace speciálních úloh: ochrana před elektrostatickými výboji (ESD), latch-up, EMC integrovaných obvodů.

4. Optimalizace obvodů - 3 semináře
- Klasifikace optimalizačních úloh (lokální a globální, jedno- a vícekriteriální, atd.). Formulace kriteriální funkce, lokální metody (nejstrmější sestup, Newtonova metoda).
- Metody globální optimalizace pro jednokriteriální funkce jedné proměnné (simplexová metoda, genetické algoritmy, metoda roje částic, samoorganizující se migrační algoritmus).
- Formulace vícekriteriálního optimalizačního problému, agregační metody pro převod na jednokriteriální problém, vícekriteriální algoritmy (NSGA-II, MOPSO, MOSOMA).

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s pokročilými metodami pro analýzu, návrh a optimalizaci diskrétních i integrovaných elektronických obvodů.

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.

Základní literatura

Balanis, C. A. (2016). Antenna theory: analysis and design. John Wiley & Sons. (EN)
DEB, K. Multi-Objective Optimization using Evolutionary Algorithms. Chichester: J. Wiley & Sons, 2002. (EN)
CHENG, C .K., LILLIS, J., LIN, S., CHANG, N.: Interconnect Analysis and Synthesis. John Wiley & Sons, New York 2000. (EN)
LAKER, K.R., SANSEN, W. M. C.: Design of Analog Integrated Circuits and Systems. McGraw-Hill, 1994. (EN)
VLACH, J., SINGHAL, K.: Computer Methods for Circuit Analysis and Design (2nd ed.). New York: Van Nostrand Reinhold, 1994. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EKT-PK doktorský

    obor PK-FEN , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-SEE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-KAM , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-BEB , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-MVE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-EST , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-TLI , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-TEE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PK-MET , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

  • Program EKT-PP doktorský

    obor PP-TLI , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-TEE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-SEE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-KAM , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-BEB , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-MVE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-EST , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-FEN , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor PP-MET , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Seminář

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Lubomír Brančík, CSc.
doc. Dr. Ing. Pavel Horský
prof. Dr. Ing. Zdeněk Kolka
doc. Ing. Petr Kadlec, Ph.D.
doc. Ing. Martin Štumpf, Ph.D.

Osnova

1. Počítačové modelování elektronických obvodů - 4 semináře (prof. Kolka, prof. Brančík)
- Metody pro řešení ve stejnosměrné, frekvenční a časové oblasti. Přesnost výpočtu, problémy s konvergencí.
- Výpočet ustálené odezvy v časové, spektrální a kombinované oblasti. Metody pro přibližnou symbolickou analýzu a jejich využití.
- Metody pro řešení obvodů s úseky vedení. Využití pro analýzu integrity signálu v diskrétních i integrovaných aplikacích.
- Modelování obvodů necelistvého řádu.

2. Základní teorémy pro obvody se soustředěnými a rozloženými parametry - 1 seminář (doc. Štumpf)
- Matematicky popis vysílacího a přijímacího anténního systému.
- Úvod do teorému reciprocity a jeho aplikací. Reciprocita mezi přijímacím a vysílacím stavem antény (konstrukce Kirchhoffova náhradního obvodu přijímací antény, výkonový teorém reciprocity, podmínka přizpůsobení antény).

3. Návrh analogových integrovaných obvodů - 4 semináře (doc. Horský)
- Základní obvodové prvky. Specifika CMOS technologie, parazitní prvky, vliv výrobního rozptylu.
- Stavební prvky integrovaných obvodů. Proudová zrcadla, zesilovací stupně. Rozbor činnosti a parazitních vlastností.
- Metodika návrhu základních bloků, analytický model a jeho řešení. Rozbor transkonduktančního OZ.
- Řešení a simulace speciálních úloh: ochrana před elektrostatickými výboji (ESD), latch-up, EMC integrovaných obvodů.

4. Optimalizace obvodů - 3 semináře (Ing. Kadlec)
- Klasifikace optimalizačních úloh (lokální a globální, jedno- a vícekriteriální, atd.). Formulace kriteriální funkce, lokální metody (nejstrmější sestup, Newtonova metoda).
- Metody globální optimalizace pro jednokriteriální funkce jedné proměnné (simplexová metoda, genetické algoritmy, metoda roje částic, samoorganizující se migrační algoritmus).
- Formulace vícekriteriálního optimalizačního problému, agregační metody pro převod na jednokriteriální problém, vícekriteriální algoritmy (NSGA-II, MOPSO, MOSOMA).