Detail předmětu

Návrh moderních elektronických obvodů

FEKT-DPC-RE1Ak. rok: 2021/2022

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

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 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. 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. 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. 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. 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).

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. (CS)
DEB, K. Multi-objective optimization. In Search methodologies. Boston: Springer, 2014, pp. 403-449. ISBN: 978-1-461-46939-1. (CS)
NAJM, F.N. Circuit Simulation. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press; 2010. ISBN: 978-0-4705-3871-5. (CS)

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. (CS)
BALANIS, C. A. Antenna theory: analysis and design. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2016. ISBN 978-1-118-64206-1. (CS)
RUSS, S. H. Signal Integrity: Applied Electromagnetics and Professional Practice. Springer, 2016. ISBN: 978-3-319-29758-3. (CS)
STUMPF, M. Electromagnetic reciprocity in antenna theory. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2017. ISBN 978-1-119-46640-6. (CS)
ZJAJO, A.: Stochastic Process Variation in Deep-Submicron CMOS: Circuits and Algorithms. New York: Springer, 2014. ISBN 978-94-007-7781-1. (CS)

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program DPC-EKT doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinný
  • Program DPC-KAM doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program DPC-MET doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program DPC-SEE doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program DPC-TEE doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program DPC-TLI doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Seminář

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

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

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).

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz