Detail předmětu

Návrh moderních elektronických obvodů

FEKT-DKC-RE1Ak. rok: 2022/2023

Studenti se seznámí s pokročilými metodami pro počítačové modelování elektronických obvodů. Studenti se seznámí s principy  numerických metod pro modelování elektromagnetického pole a s pokročilými metodami optimalizace. Důraz je kladen na pochopení formulace problému a jeho samostatné řešení problému a prezentaci.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

prof. Dr. Ing. Zdeněk Kolka

Zajišťuje ústav

Ústav radioelektroniky (UREL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je umí formulovat okrajovou-počáteční úlohu elektromagnetického pole a rozumí principům řešení těchto problémů. Absolvent se dále seznámí s moderními optimalizačními technikami. 

Prerekvizity

Lineární algebra; numerická analýza; diferenciální a integrální počet v komplexním oboru; integrální transformace; základní pojmy a principy z oblasti teorie elektromagnetického (EM) pole, antén a vedení.

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

Individuální projekt a jeho obhajoba. 

Osnovy výuky

    • 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. 
    • Úvod do teorie EM pole;
      • Maxwellovy rovnice a relace kompatibility
      • Okrajové podmínky
    • Integrální reprezentace EM pole a jejich aplikace;
      • Greenovy elektromagnetické tenzory
      • Formulace elektromagnetických integrálních rovnic
      • Aplikace integrálních rovnic pro řešení přímých a inverzních problémů
    • Řešení problémů EM pole, prezentace a obhajoba projektů I;
      • Řešení fundamentálních problémů EM vlnového pole
      • Prezentace a obhajoby zvoleného řešení
    • Metoda konečných diferencí;
      • Princip metody konečných diferencí
      • Aplikace metody konečných diferencí na problémy EM vlnových polí;
    • Metoda konečných prvků;
      • Princip metody konečných prvků
      • Aplikace metody konečných prvků na problémy EM vlnových polí;
    • PEEC metoda a její aplikace v EMC;
      • Formulace PEEC metody
      • Aplikace PEEC metody na problémy elektromagnetické kompatibility
    • Integrované diferenciální modely;
      • Formulace a princip integrovaných diferenciálních modelů
    • Řešení problémů EM pole, prezentace a obhajoba projektů II;
      • Aplikace numerických metod na problémy EM pole
      • Prezentace a obhajoby zvoleného øešení
    • Optimalizace I 
      • Definice, podmímky optimality, formulace kriteriální funkce
      • Lokální optimalizační metody
    • Optimalizace II;
      • Globální optimalizační metody – obecný popis
      • Aplikace globálních algoritmů na návrh EM struktur
    • Optimalizace III;
      • Více-kriteriální optimalizace – vlastnosti, Paretovo čelo, princip dominance
      • Globální více-kriteriální algoritmy
    • Metoda charakteristických módů;
      • Princip metody charakteristických módů
      • Aplikace metody charakteristických módů na analýzu a syntézu antén
    • Řešení problémů EM pole, prezentace a obhajoba projektů III;
      • Aplikace optimilizaèních technik na problémy EM vlnového pole
      • Prezentace a obhajoby zvoleného řešení

Učební cíle

Předmět je primárně zaměřen na modelování a optimalizace problémů elektromagnetického pole.  

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)
STUMPF, M. Time-domain Electromagnetic Reciprocity in Antenna Modeling. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2019. ISBN: 978-1-119-61237-7. (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)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

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

Typ (způsob) výuky

 

Seminář

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Dr. Ing. Zdeněk Kolka

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).