Detail předmětu

Modern Electronic Circuit Design

FEKT-DPA-RE1Ak. rok: 2022/2023

Students will get acquainted with modern electronic circuit design and with fundamental concepts of numerical methods for modeling of electromagnetic fields and with advanced optimization methods. An emphasis is put on the understanding of problem formulation, its independent solution and presentation. 

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

4

Garant předmětu

prof. Dr. Ing. Zdeněk Kolka

Zajišťuje ústav

Ústav radioelektroniky (UREL)

Výsledky učení předmětu

The student is able to formulate a boundary-initial value electromagnetic-field problem and understant the principles of its solution. The student further understands the basics of modern optimization techniques.

Prerekvizity

Linear algebra; Numerical analysis; Differential an integral calculus in complex domain Integral transformations; Basic concepts and principles of electromagnetic (EM) field theory, antennas and transmission lines.

 

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

An individual project and its defense. 

Osnovy výuky

    • 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. 
    • Introduction to theory of EM fields;
      • Maxwell’s equations and compatibility relations
      • Boundary conditions
    • Integral EM field representations and their applications;
      • Green's electromagnetic tensors
      • Formulation of electromagnetic integral equations
      • Application of integral equations to solving direct and inverse problems
    • EM field problem solution, presentation and defense of projects I;
      • Solution of fundamental EM field problems
      • Presentation and defense of the problem solution
    • Finite difference method;
      • Principle of the finite difference method
      • Application of the finite difference method to EM field problems
    • Finite element method;
      • Principle of the finite element method
      • Application of the finite element method to EM field problems
    • PEEC method and its EMC applications;
      • PEEC method formulation
      • PEEC method applied to electromagnetic compatibility problems
    • Integrated differential models;
      • Formulation and principles of the integrated differential models
    • EM field problem solution, presentation and defense of projects II;
      • Application of numerical methods to EM field problems
      • Presentation and defense of the problem solution
    • Optimization I;
      • Definition, optimality conditions, objective function formulation
      • Local optimization methods
    • Optimization II;
      • Global optimization methods – general principles
      • Application of global methods to design of EM structures
    • Optimization III;
      • Multi-objective optimization – properties, Pareto front, dominance principle
      • Global multi-objective methods
    • Method of characteristic modes;
      • Principle of the characteristic mode method
      • Application of the characteristic mode method to antenna analysis and synthesis
    • EM field problem solution, presentation and defense of projects III;
      • Application of optimization techniques to EM field problems

      Presentation and defense of the problem solution


Učební cíle

Lectures are aimed primarily at the modeling and optimization of electromagnetic field problems.

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

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program DPA-EIT doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • 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-TEE doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program DPA-TLI doktorský 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program DPAD-EIT 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).