Course Syllabus
Obiettivi
Il corso di Laboratorio di Elettronica II è diviso in due parti:
- studio e simulazioni di circuiti analogici utilizzando i software di Computer-Aided-Design (CAD);
- caratterizzazione elettrica di semplici circuiti analogici in laboratorio (utilizzando strumentazione specifica (alimentatore, generatore di segnale, oscilloscopio, spectrum analyzer, etc)).
Più specificatamente gli obiettivi del corso sono focalizzati ad acquisire competenze di:
- Progettazione di Circuiti Analogici Integrati (Amplificatori Operazionali, Filtri Analogici, Amplificatori di Carica, Amplificatori a basso rumore per sensori) in Tecnologia CMOS fortemente scalata;
- Apprendimento dei tool di Computer-Aided-Design (CAD) per la caratterizzazione dei circuiti integrati (simulazioni in condizioni nominali e al variare della temperatura, includendo le deviazioni fisiche ed elettriche dovute al processo CMOS);
- Caratterizzazione di Circuiti Analogici nel dominio statico (punto operativo) e dinamico (tempo e frequenza);
- Studio e caratterizzazione della densità spetrale di potenza di rumore (ingresso e uscita) degli Amplificatori;
- Caratterizzazione Elettrica in Laboratorio di semplici circuti analogici.
Contenuti sintetici
- Introduzione alla progettazione di circuiti analogici mediante Computer-Aided-Design (CAD)
- Progettazione CMOS di Operational Transconductance Amplifiers (OTA)
- Procedura di progettazione di Operational Transconductance Amplifiers (OTA)
- Simulazioni dei circuiti analogici in condizioni nominali (punto operativo, frequenza, tempo, rumore sia nel dominio del tempo che della frequenza, stabilità ad anello chiuso)
- Densità spettrale di potenza di rumore nei circuiti ad anello chiuso
- Simulazioni PVT (Process-Voltage-Temperature)
- Simulazioni Montecarlo
- Esercitazioni circuitali in laboratorio
Programma esteso
Lezione 1: Operational Transconductance Amplifiers (OTA) compensati tramite schema Miller
- Introduzione
- Schema base di OTA con stadio di uscita in classe A
- Punto Operativo
- Modello di Piccolo segnale
- Comportamento sul Grande Segnale
- Densità Spettrale di Potenza di Rumore riferita all'ingresso
- Circuito di Common-Mode Feedback
Lezione 2: Procedura di progettazione di Operational Transconductance Amplifiers (OTA) compensati tramite schema Miller
- Introduzione
- Specifiche dell'amplificatore
- Stadio differenziale
- Capacità di Miller di Ingresso
- Stadio di uscita in classe A
- Stadio di uscita in classe AB
- Dimensionamento del Circuito di Common-Mode Feedback
Lezione 3: Strumenti CAD
- Creazione di uno schematico circuitale e di un simbolo
- Simulazione di semplici circuiti analogici utilizzando il tool Analog Design Environment
- Esecuzione di simulazioni che includono le variazioni di processo/tensione/temperatura
- Esecuzione di simulazioni Montecarlo
Prerequisiti
Laurea di I livello in fisica o equivalente.
Modalità didattica
Preferibilmente le lezioni verranno tenute in modalità frontale.
Tutte le lezioni saranno registrate e disponibili in streaming sincrono.
Materiale didattico
- Dispense e Slides fornite dal docente
- Johns, David A., and Ken Martin. Analog integrated circuit design. John Wiley & Sons, 2008.
- Sansen, Willy M. Analog design essentials. Vol. 859. Springer Science & Business Media, 2007.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esami orali in presenza.
Lo studente presenterà due Relazioni di Laboratorio basate su:
- Progetto e simulazione di un circuito analogico (il cui schema generale verrà fornito dai docenti del corso durante le lezioni);
- Misure elettriche ed elettroniche su semplici configurazioni circuitali.
L'esame consterà di:
- Colloquio sulle Relazioni di Laboratorio
- Colloquio su argomenti svolti a Lezione
In presenza di limitazioni dovute all'emergenza Covid-19, gli esami saranno solo telematici. Verranno svolti utilizzando la piattaforma WebEx e nella pagina e-learning dell'insegnamento verrà riportato un link pubblico per l'accesso all'esame di possibili spettatori virtuali.
Orario di ricevimento
Il ricevimento avverrà su appuntamento con il prof. Marcello De Matteis (da contattare via mail a marcello.dematteis@unimib.it) in persona o utilizzando la piattaforma WebEx
Sustainable Development Goals
Aims
The Laboratory of Electronics II course is divided into two sections:
- study and simulation of analog circuits using Computer-Aided-Design (CAD) software;
- electrical characterization of simple analog circuits in the laboratory (using specific instrumentation (power supply, signal generator, oscilloscope, spectrum analyzer, etc)).
More specifically, the objectives of the course are focused on acquiring skills in:
- Integrated Analog Circuit Design (Operational Amplifiers, Analog Filters, Charge-Sensitive Amplifiers, Low Noise Amplifiers for Sensors) in deeply scaled down CMOS Technology;
- Learning of Computer-Aided-Design (CAD) tools for the characterization of integrated circuits (simulations under nominal conditions and varying temperatures, including physical and electrical deviations of the CMOS process);
- Characterization of Analog Circuits in both static (operating point) and dynamic (time and frequency) domain;
- Study and characterization of the Noise Power Spectral Density (input and output) of the Amplifiers;
- Electrical characterization in the laboratory of simple analog circuits.
Contents
- Introduction to Analog Circuits Design by Computer-Aided-Design (CAD)
- CMOS Design of Operational Transconductance Amplifiers (OTA)
- Operational Transconductance Amplifiers Design Procedure
- Nominal Conditions Simulations (operating point, frequency, time, noise in both time and frequency domain, closed-loop stability)
- Noise Power Spectral Density in Closed-Loop Circuits
- Process-Voltage-Temperature Simulations
- Montecarlo Simulations
- Circuital exercises in the laboratory
Detailed program
Lesson 1: Miller-Compensated Operational Transconductance Amplifiers (OTA)
- Introduction
- Class-A OTA Basic Scheme
- OTA Operating Point
- Small-Signal
- Large-Signal
- Noise: Class-A OTA Input Referred Noise
- Common-Mode Feedback Circuit
Lesson 2: Miller OTA Design Procedure
- Introduction
- Opamp Specifications
- Input Differential Stage
- Miller Capacitance
- Class-A Output Stage
- Class-AB Output Stage
- Common ModeFeedback Circuit
Lesson 3: CAD Tools
- Creating a schematic and symbol.
- Simulating simple analog circuits using Analog Design Environment.
- Running process/voltage/temperature simulations.
- Running Montecarlo simulations.
Prerequisites
Bachelor in physics or equivalent.
Teaching form
Preferably the lessons will be held in frontal mode.
All lessons will be recorded and available in synchronous streaming.
Textbook and teaching resource
- Lecture notes provided by the instructor
- Johns, David A., and Ken Martin. Analog integrated circuit design. John Wiley & Sons, 2008.
- Sansen, Willy M. Analog design essentials. Vol. 859. Springer Science & Business Media, 2007.
Semester
second semester
Assessment method
Oral examinations in presence.
The student will present two Laboratory Reports based on:
- Design and simulation of analog circuits (whose general scheme will be provided by the course teachers during the lessons);
- Electrical and electronic measurements on simple circuit configurations.
The exam will consist of:
- Colloquium on Laboratory Relations
- Colloquium on topics covered during the lesson
In case of limitations due to Covid-19 pandemic, exams will be online using WebEx. A dedicated news will be posted on the e-learning page of the course with a public link to freely access the virtual room where the exam will take place.
Office hours
Discussions with prof. Marcello De Matteis will take place in person or using the WebEx upon appointment (contact via mail marcello.dematteis@unimib.it).
