Detail předmětu

Pokročilé metody návrhu analogových integrovaných obvodů

FEKT-MPC-NAIAk. rok: 2025/2026

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

Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav mikroelektroniky (UMEL)

Vstupní znalosti

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 veličiny, Ohmův zákon, Kirchhoffovy zákony). Silně se  však doporučuje předchozí absolvování předmětu MPC-AIO (Návrh a rozbor proudového zrcadla, operačního zesilovače, napěťové reference typu BandGap atd.)

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Obvykle:
- až 30 bodů za 2 písemné testy v půběhu semestru
- až 70 bodů za závěrečnou zkoušku (písemný test + korekční ústní část)

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.
Obvykle:  zápočet podmíněn docházkou na cvičení do počítačových laboratoří

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.
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).

Studijní opory

Přednášky:   Elektronická skripta (PDF)

Cvičení:  Elektronické prezentace - návody (PPT)

Základní literatura

Baker, J.R.:"CMOS circuit design, layout and simulation", IEEE Press a Wiley Interscience, ISBN 0-471-70055-X, 2005 (EN)
BAKER, R. Jacob: "CMOS Circuit Design, Layout and Simulation", Fourth edition. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2019. ISBN 9781119481515 (EN)
Razavi:"Design of analog integrated circuits", McGraw-Hill, ISBN 0-07-238032-2, 2001 (EN)

Doporučená literatura

D. Díaz-Chinea, H. García-Vázquez, M. San Miguel Montesdeoca, S. L. Khemchandani and J. del Pino, "A Wide-band noise-cancelling CMOS LNA based on Current Conveyors," 2015 Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS), Estoril, Portugal, 2015, pp. 1-5, doi: 10.1109/DCIS.2015.7388566. (EN)
M. Seif et al., "Characterization, modeling and comparison of 1/f noise in Si/SiGe:C HBTs issued from three advanced BiCMOS technologies," 2017 29th International Conference on Microelectronics (ICM), Beirut, Lebanon, 2017, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICM.2017.8268847. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-NCP magisterský navazující 2 ročník, zimní semestr, povinný
  • Program MPC-EKT magisterský navazující 2 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program MPC-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 MPC-NAI

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. Pelgromova rovnice
- 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 šumu 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 MPC-NAI

- Seznámení s  nástroji pro návrh IO(CADENCE).
- Návrh a simulace malého analogového systému (PWM kontroller pro spínané zdroje)
- výpočet chyb v analogových obvodech, Monte Carlo analýza), (přesný návrh proudového zrcadla a diferenciálního stupně)
- Šum, výpočet a simulace příspěvků šumu, návrh nízkošumového obvodu)