Detail předmětu
Modern Electronic Circuit Design
FEKT-DPA-RE1Ak. rok: 2020/2021
Studenti se seznámí s pokročilými metodami pro počítačové modelování elektronických obvodů (výpočet ustálené odezvy, přibližná symbolická analýza, řešení obvodů s úseky vedení, analýza integrity signálu, modelování soustav s prvky necelistvých řádů, metody analýzy variability parametrů v elektronických soustavách), 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
angličtina
Počet kreditů
4
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Absolvent předmětu je schopen (1) navrhovat základní bloky elektronických obvodů, (2) formulovat modely a používat pokročilé metody pro simulaci, (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.- 5. Computer modeling of electronic circuits
- Modeling of electronic devices.
- Methods for solution in DC, AC, and time domains. Simulation accuracy, convergence problems.
- Computation of steady state in time, frequency, and combined domains. Methods for approximate symbolic analysis and their utilization.
- Methods for simulation of circuits with transmission lines. Utilization for analysis of signal integrity in discrete and integrated applications.
- Modeling and simulation of systems with fractional-order elements. Application in circuits with lumped parameters (filters, oscillators, PID controllers) and distributed parameters (transmission lines).
- Methods of parameter variability analysis in electronic systems (Monte Carlo, polynomial-chaos expansion, stochastic differential equation approach).
6. Basic theorems for lumped and distributed circuits
- Mathematical description of transmitting and receiving antenna system.
- Introduction to the reciprocity theorem and its applications. Reciprocity between receiving and transmitting states of antenna (construction of the Kirchhoff equivalent circuit of receiving antenna, power theorem of reciprocity, conditions of antenna matching).
7.-10. Analog integrated circuit design
- Basic network elements. Specifics of CMOS technology, parasitic elements, manufacturing tolerance.
- Building blocks of integrated circuits. Current mirrors, amplifier stages. Analysis of operation and parasitic properties.
- Methodology of design basic blocks, analytical model and it solution. Case study of an transconductance operating amplifier.
- Simulation of special problems: ESD protection, latch-up, EMC of integrated circuits.
11.-13. Circuit optimization
- Classification of optimization problems (local and global, single- and multiple-criteria, etc.). Formulation of criterial function, local optimization methods (steepest descent, Newton method).
- Global optimization methods for single-criteria functions (simplex method, genetic algorithms, particle-swarm methods, self-organizing and migrating algorithms).
- Formulation of multi-criteria optimization problems, aggregation methods for transformation to single-criteria problems, multi-criteria algorithms (NSGA-II, MOPSO, MOSOMA).
- Modeling of electronic devices.
- Methods for solution in DC, AC, and time domains. Simulation accuracy, convergence problems.
- Computation of steady state in time, frequency, and combined domains. Methods for approximate symbolic analysis and their utilization.
- Methods for simulation of circuits with transmission lines. Utilization for analysis of signal integrity in discrete and integrated applications.
- Modeling and simulation of systems with fractional-order elements. Application in circuits with lumped parameters (filters, oscillators, PID controllers) and distributed parameters (transmission lines).
- Methods of parameter variability analysis in electronic systems (Monte Carlo, polynomial-chaos expansion, stochastic differential equation approach).
6. Basic theorems for lumped and distributed circuits
- Mathematical description of transmitting and receiving antenna system.
- Introduction to the reciprocity theorem and its applications. Reciprocity between receiving and transmitting states of antenna (construction of the Kirchhoff equivalent circuit of receiving antenna, power theorem of reciprocity, conditions of antenna matching).
7.-10. Analog integrated circuit design
- Basic network elements. Specifics of CMOS technology, parasitic elements, manufacturing tolerance.
- Building blocks of integrated circuits. Current mirrors, amplifier stages. Analysis of operation and parasitic properties.
- Methodology of design basic blocks, analytical model and it solution. Case study of an transconductance operating amplifier.
- Simulation of special problems: ESD protection, latch-up, EMC of integrated circuits.
11.-13. Circuit optimization
- Classification of optimization problems (local and global, single- and multiple-criteria, etc.). Formulation of criterial function, local optimization methods (steepest descent, Newton method).
- Global optimization methods for single-criteria functions (simplex method, genetic algorithms, particle-swarm methods, self-organizing and migrating algorithms).
- Formulation of multi-criteria optimization problems, aggregation methods for transformation to single-criteria problems, multi-criteria algorithms (NSGA-II, MOPSO, MOSOMA).
Učební cíle
Předmět je zaměřen na pokročilé metody pro modelování, 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
ALLEN, P.E., HOLBERG, D.L. CMOS Analog Circuit Design (3rd edition). Oxford University Press, 2012. ISBN: 978-0-199-93742-4. (EN)
DEB, K. Multi-objective optimization. In Search methodologies. Boston: Springer, 2014, pp. 403-449. ISBN: 978-1-461-46939-1. (EN)
NAJM, F.N. Circuit Simulation. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press; 2010. ISBN: 978-0-4705-3871-5. (EN)
DEB, K. Multi-objective optimization. In Search methodologies. Boston: Springer, 2014, pp. 403-449. ISBN: 978-1-461-46939-1. (EN)
NAJM, F.N. Circuit Simulation. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press; 2010. ISBN: 978-0-4705-3871-5. (EN)
Doporučená literatura
AZAR, T., RADWAN, A. G., and VAIDYANATHAN, S. Fractional Order Systems: Optimization, Control, Circuit Realizations and Applications. Academic Press, 2018. ISBN: 978-0-128-16152-4. (EN)
BALANIS, C. A. Antenna theory: analysis and design. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2016. ISBN 978-1-118-64206-1. (EN)
RUSS, S. H. Signal Integrity: Applied Electromagnetics and Professional Practice. Springer, 2016. ISBN: 978-3-319-29758-3. (EN)
STUMPF, M. Electromagnetic reciprocity in antenna theory. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2017. ISBN 978-1-119-46640-6. (EN)
ZJAJO, A.: Stochastic Process Variation in Deep-Submicron CMOS: Circuits and Algorithms. New York: Springer, 2014. ISBN 978-94-007-7781-1. (EN)
BALANIS, C. A. Antenna theory: analysis and design. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2016. ISBN 978-1-118-64206-1. (EN)
RUSS, S. H. Signal Integrity: Applied Electromagnetics and Professional Practice. Springer, 2016. ISBN: 978-3-319-29758-3. (EN)
STUMPF, M. Electromagnetic reciprocity in antenna theory. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2017. ISBN 978-1-119-46640-6. (EN)
ZJAJO, A.: Stochastic Process Variation in Deep-Submicron CMOS: Circuits and Algorithms. New York: Springer, 2014. ISBN 978-94-007-7781-1. (EN)
Zařazení předmětu ve studijních plánech
- Program DPA-EKT doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinný
- Program DPA-KAM doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
- Program DPA-MET doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
- Program DPA-SEE doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
- Program DPA-TLI doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
- Program DPA-TEE doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
- Program DPA-EIT doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
- Program DPAD-EIT doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
- Program DKA-EIT doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
Typ (způsob) výuky
Seminář
39 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. – 5. týden: Počítačové modelování elektronických obvodů
- Modelování elektronických prvků.
- 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 a simulace systémů s prvky necelistvých řádů. Aplikace v obvodech se soustředěnými parametry (filtry, oscilátory, PID regulátory) a rozprostřenými parametry (přenosová vedení).
- Metody analýzy variability parametrů v elektronických soustavách (Monte Carlo, polynomiální chaos, využití stochastických diferenciálních rovnic).
6. týden: Základní teorémy pro obvody se soustředěnými a rozloženými parametry
- 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).
7. – 10. týden: Návrh analogových integrovaných obvodů
- 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.
11.-13. týden: Optimalizace obvodů
- 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 (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).
- Modelování elektronických prvků.
- 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 a simulace systémů s prvky necelistvých řádů. Aplikace v obvodech se soustředěnými parametry (filtry, oscilátory, PID regulátory) a rozprostřenými parametry (přenosová vedení).
- Metody analýzy variability parametrů v elektronických soustavách (Monte Carlo, polynomiální chaos, využití stochastických diferenciálních rovnic).
6. týden: Základní teorémy pro obvody se soustředěnými a rozloženými parametry
- 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).
7. – 10. týden: Návrh analogových integrovaných obvodů
- 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.
11.-13. týden: Optimalizace obvodů
- 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 (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).