Obiettivi formativi
Il corso si propone di fornire conoscenze avanzate nel campo della progettazione di circuiti integrati analogici in tecnologia CMOS.
Prerequisiti
Dispositivi elettronici (transistore MOS)
Teoria di base dei circuiti analogici (concetti di linearizzazione, stadi amplificatori a singolo transistor, amplificatore differenziale e amplificatore operazionale a scatola nera, ecc.).
Teoria del rumore nei dispositivi elettronici (resistori e transistor MOS)
Contenuti dell'insegnamento
Introduzione: tecnologie microelettroniche al silicio; componenti passivi ed attivi in tecnologia CMOS; bonding e packaging
Progetto di Amplificatori Operazionali in tecnologia CMOS (due stadi Miller, due stadi con compensazione di Miller a banda larga, folded cascode)
Amplificatori operazionali ad elevato guadagno; amplificatori a bassa tensione di alimentazione (rail to rail I/O); amplificatori a basso rumore; amplificatori ad elevato slew-rate; stadi di uscita in classe AB e C. Amplificatori operazionali completamente differenziali (I/O)
Tecniche di simulazione degli amplificatori operazionali, CMFB.
Rumore
Sorgenti di rumore negli amplificatori. Tecniche ci progettazione di amplificatori a basso rumore.
Circuiti a condensatori commutati: teoria, architetture e tecniche di progetto.
Circuiti analogici in tecnologia CMOS
Riferimenti di tensione e corrente. Oscillatori a cristallo.
Teoria dei simulatori analogici: limiti ed opzioni.
Laboratorio di progettazione analogica
Progetto di circuiti analogici in tecnologia CMOS (amplificatori, amplificatori operazionali, riferimento di tensione e corrente, oscillatore al quarzo).
Programma esteso
TEORIA:
1 Tecnologia CMOS
1.1 Dispositivi per la progettazione analogica (resistori, condensatori e transitori MOS)
1.2 Non idealità: effetti parassiti nei dispositivi attivi e passivi
1.3 Non idealità: tolleranza di processo e mismatch casuale; legge di Pelgrom
1.4 Simulazione Monte-carlo e Corner
1.5 Effetti parassiti dovuti alle interconnessioni
1.6 Bonding e Packaging
2 Transistore MOS per applicazioni analogiche
2.1 Principali effetti a canale corto e/o ossido sottile
2.2 Funzionamento in debole inversione e sotto-soglia
3 Specchi di corrente di precisione
4 Amplificatori CMOS integrati
4.1 Amplificatori CMOS a singolo stadio: complementi
4.2 Amplificatori operazionali in tecnologia CMOS
4.2.1 Amplificatore di Miller e Miller-enhanced
4.2.2 Amplificatore Folded cascode
4.2.3 Amplificatore rail-to-rail
4.2.4 Amplificatori a micro-potenza
4.3 Amplificatori operazionali differenziali
4.3.1 Vantaggi dei circuiti differenziali
4.3.2 Architetture
4.3.3 Common-Mode Feedback: teoria e schemi
5 Tecnica di progetto dei circuiti CMOS basata sul gm/Id e fattore di inversione
5.1 Applicazione: progetto di amplificatore a source comune e amplificatore operazionale di Miller.
6 Il rumore negli amplificatori
6.1 amplificatori a singolo stadio, operazionale di Miller e generatore di corrente.
6.2 Tecniche di progetto per il basso rumore
7 Stadi di uscita negli amplificatori operazionali CMOS
7.1 Stadio in classe AB con loop translineare
7.2 Stadio in classe C
8 Circuiti a condensatori commutati: teoria, architetture e tecniche di progetto.
8.1 Equivalenza di Maxwell e circuiti a tempo-discreto
8.2 Interruttori e non-idealità
8.3 Sequenza ottimale di attivazione degli interruttori
8.4 Circuiti campionatori ed amplificatori
8.5 Integratori e Filtri S-C (Cenni)
9 Riferimenti di tensione e corrente
9.1 Riferimento bandgap: teoria
9.2 Riferimento di tensione: architettura
9.3 Generatori di corrente: schema elettrico
10 Oscillatori a cristallo
10.1 Uso del cristallo (quarzo) per oscillatori di precisione
10.2 Schema di oscillatore al quarzo in CMOS
10.3 Tecnica di progettazione dell'oscillatore di Pierce
11 Simulatori per circuiti analogici
11.1 Algoritmi per simulazione DC e TRAN
11.2 Tecniche di simulazione di amplificatori operazionali (single-ended e differenziali)
11.3 Tecnica di simulazione degli oscillatori
LABORATORIO
1. CAD elettronico per il progetto e la simulazione di circuiti integrati: Cadence Design Framework
2. Progetto di celle analogiche in tecnologia CMOS
Bibliografia
B. Razavi, ``Design of Analog CMOS Integrated Circuits'', Mc Graw Hill
P. E. Allen, D. R. Holdberg , "CMOS Analog Circuit Design", 2nd edition, Oxford University Press
K. S. Kundert, “The Designer's Guide to Spice and Spectre”, Kluwer Academic Publ.
Metodi didattici
Il corso è suddiviso in una parte teorica, dove vengono fornite le conoscenze avanzate nel campo della progettazione di circuiti integrati analogici in tecnologia CMOS, ed una parte di laboratorio di progettazione analogica. L'attività di laboratorio si articola in una serie di progetti di circuiti analogici (precedentemente descritti a lezione). I principali obiettivi dell'attività di laboratorio sono il consolidamento delle conoscenze acquisite nella parte teorica del corso e la conoscenza dei software di progettazione analogica.
Modalità verifica apprendimento
L'esame prevede una prova orale sulla parte di teoria ed una discussione sui risultati conseguiti nel laboratorio di progettazione analogica.
Gli studenti sono tenuti a consegnare gli elaborati riferiti ai vari progetti durante l'A.A. ed entro i termini comunicati dal docente.
Altre informazioni
WWW pages of the course at the lea.unipr.it portal (a key provided by the teacher is required for access; registration is mandatory)
-slides
-projects guidelines
-teacher-to-student communications
