Detail předmětu
Metody návrhu analogových integrovaných obvodů
FEKT-LNAIAk. rok: 2019/2020
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
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Absolvent předmětu je schopen:
- navrhnout jednoduchý analogový systém (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)
- navrhnout, analyzovat a optimalizovat analogový integrovaný obvod s ohledem na nízkošumové požadavky
(Důraz bude kladen na získání praktických dovedností (inženýrský výpočet, ověřování vlastností simulačními programy).
- navrhnout jednoduchý analogový systém (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)
- navrhnout, analyzovat a optimalizovat analogový integrovaný obvod s ohledem na nízkošumové požadavky
(Důraz bude kladen na získání praktických dovedností (inženýrský výpočet, ověřování vlastností simulačními programy).
Prerekvizity
Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia. Student by měl být 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 závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.
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)
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
- 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
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)
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)
Elearning
eLearning: aktuální otevřený kurz
Zařazení předmětu ve studijních plánech
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Dělení IO, proces návrhu ASIC obvodů, používané technické prostředky (software. Používané technologie (bipolární, CMOS, HBiCMOS).
Proudová zrcadla. Reference pro integrované obvody, napěťové i proudové. Používané typy, jejich návrh s ohledem na požadované vlastnosti. Zásady návrhu topologie referenčních obvodů.
Diferenční stupeň. Základní struktura OZ.Postup návrhu OZ, kompenzace na čipu, zásady topologického uspořádání.
Moderní trendy. Proudový a smíšený režim. Princip, vlastnosti a srovnání s klasickými postupy. Seznámení s technikou spínaných kapacit a proudů.
Proudový a napěťový opakovač. Základní prvky moderních funkčních bloků. Typy, vlastnosti a jejich návrh. Topologie.
Transkonduktanční a transimpedanční zesilovač. Struktury a jejich vlastnosti. Obvodový návrh, topologie.
Proudové a napěťové konvejory. Bloková struktura. Speciální typy konvejorů. Dělení, struktury a aplikace konvejorů. Obvodový návrh základních typů, kompenzace a optimalizace.
Operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou. Struktury OZ na bázi proudových konvejorů. Srovnání s klasickými strukturami OZ. Zásady při návrhu nových struktur OZ.
Spínané proudy - základní funční bloky. Převodníky. Problémy návrhu struktur se spínanými proudy. Zásady topologie bloků se spínanými proudy.
Zásady návrhu funkčních bloků pro nízká napájecí napětí. Požadavky a vlastnosti nízkonapěťových aplikací. Obvodové principy a postupy pro návrh tohoto typu integrovaných struktur.
Návrh bloků integrovaných obvodů pro vysoké kmitočty (RF). Problémy integrovaných struktur RF. Zásady topologie RF bloků.
Návrh výkonových integrovaných struktur. Problémy a zásady návrhu. Topologická pravidla. Kompenzace vlastností vázaných na výkonové prvky.
Trendy v oblasti integrovaných obvodů. Opakování
Proudová zrcadla. Reference pro integrované obvody, napěťové i proudové. Používané typy, jejich návrh s ohledem na požadované vlastnosti. Zásady návrhu topologie referenčních obvodů.
Diferenční stupeň. Základní struktura OZ.Postup návrhu OZ, kompenzace na čipu, zásady topologického uspořádání.
Moderní trendy. Proudový a smíšený režim. Princip, vlastnosti a srovnání s klasickými postupy. Seznámení s technikou spínaných kapacit a proudů.
Proudový a napěťový opakovač. Základní prvky moderních funkčních bloků. Typy, vlastnosti a jejich návrh. Topologie.
Transkonduktanční a transimpedanční zesilovač. Struktury a jejich vlastnosti. Obvodový návrh, topologie.
Proudové a napěťové konvejory. Bloková struktura. Speciální typy konvejorů. Dělení, struktury a aplikace konvejorů. Obvodový návrh základních typů, kompenzace a optimalizace.
Operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou. Struktury OZ na bázi proudových konvejorů. Srovnání s klasickými strukturami OZ. Zásady při návrhu nových struktur OZ.
Spínané proudy - základní funční bloky. Převodníky. Problémy návrhu struktur se spínanými proudy. Zásady topologie bloků se spínanými proudy.
Zásady návrhu funkčních bloků pro nízká napájecí napětí. Požadavky a vlastnosti nízkonapěťových aplikací. Obvodové principy a postupy pro návrh tohoto typu integrovaných struktur.
Návrh bloků integrovaných obvodů pro vysoké kmitočty (RF). Problémy integrovaných struktur RF. Zásady topologie RF bloků.
Návrh výkonových integrovaných struktur. Problémy a zásady návrhu. Topologická pravidla. Kompenzace vlastností vázaných na výkonové prvky.
Trendy v oblasti integrovaných obvodů. Opakování
Cvičení na počítači
39 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Používané nástroje pro návrh IO(CADENCE, Mentor Graphics). Návrhová pravidla pro topologie čipu.
Vlastnosti technologií. Chyby způsobené technologiemi a jejich kompenzace vhodným návrhem topologie.
Proudová zrcadla. Referenční obvody pro IO. Návrh, topologie.
Diferenční pár. Operační zesilovač. Používané struktury. Návrh bloků.
Proudový a napěťový opakovač. Návrh bloků. Topologie.
Transkonduktanční a transimpedanční zesilovač. Obvodový návrh, topologie.
Proudové a napěťové konvejory. Bloková struktura. Obvodový návrh, optimalizace a topologie.
Operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou.
Spínané proudy - základní funční bloky. Zásady topologie bloků se spínanými proudy.
Návrh funkčních bloků pro nízká napájecí napětí
Návrh bloků integrovaných obvodů pro vysoké kmitočty (RF). Zásady topologie RF bloků.
Návrh výkonových integrovaných struktur. Topologická pravidla.
Trendy v oblasti integrovaných obvodů. Opakování
Vlastnosti technologií. Chyby způsobené technologiemi a jejich kompenzace vhodným návrhem topologie.
Proudová zrcadla. Referenční obvody pro IO. Návrh, topologie.
Diferenční pár. Operační zesilovač. Používané struktury. Návrh bloků.
Proudový a napěťový opakovač. Návrh bloků. Topologie.
Transkonduktanční a transimpedanční zesilovač. Obvodový návrh, topologie.
Proudové a napěťové konvejory. Bloková struktura. Obvodový návrh, optimalizace a topologie.
Operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou.
Spínané proudy - základní funční bloky. Zásady topologie bloků se spínanými proudy.
Návrh funkčních bloků pro nízká napájecí napětí
Návrh bloků integrovaných obvodů pro vysoké kmitočty (RF). Zásady topologie RF bloků.
Návrh výkonových integrovaných struktur. Topologická pravidla.
Trendy v oblasti integrovaných obvodů. Opakování
Elearning
eLearning: aktuální otevřený kurz