Detail předmětu

Methods of Analog Integrated Circuits Design

FEKT-MPA-NAIAk. rok: 2021/2022

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

angličtina

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 (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

Jako minimum 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). Předpokládá se předchozí absolvování předmětu AIO (Návrh a rozbor proudového zrcadla, operačního zesilovače, napěťové reference typu BandGap atd.), nebo případně odpovídající dobrá znalost této problematiky.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

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

Způsob a kritéria hodnocení

- až 30 bodů za 2 písemné testy v půběhu semestru
- až 70 bodů za závěrečnou zkoušku (písemný test + korekční ústní část)
Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu mohou být aktualizovány vyhláškou garanta předmětu na začátku příslušného semestru.

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 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 především na návrh přesných nízkošumových obvodů a následnou analýzu. 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

Počítačová cvičení jsou povinná. Řádně omluvená absence na cvičení může být nahrazena po domluvě s vyučujícím.

Základní literatura

Baker, J., R.: CMOS circuit design, layout and simulation, IEEE Press a Wiley Interscience, 2019, ISBN: 978-1-119-48151-5 (EN)
Holberg, D., R., Allen, P., E.: CMOS Analog Circuit Design, 3rd edition, 2013, ISBN: 978-0198097389 (EN)
Razavi, B.: Design of analog integrated circuits, 2nd edition, McGraw-Hill, 2017, ISBN: 978-0-07-252493-2 (EN)
Sedra,A., Smith, K.: Microelectronic Circuits - 8th edition, Oxford Univ. Press, 2019, ISBN: 978-0190853464 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPA-MEL magisterský navazující 2 ročník, zimní semestr, povinný
  • Program MPAD-MEL magisterský navazující 2 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.

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)