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
LEZIONI FRONTALI in cui saranno presentati i concetti fondamentali della progettazione analogica in tecnologia CMOS.
ESERCITAZIONI in aula con presentazione e discussione di esempi di circuiti analogici a livello transistor.
ESERCITAZIONI nel laboratorio di elettronica dove gli studenti saranno divisi per gruppi (2 studenti per gruppo).
Gli studenti seguiranno esercitazioni guidate, precedute da una presentazione in aula.
LAVORO di GRUPPO per sviluppo e simulazione stadi analogici.
La frequenza è fortemente raccomandata ed è essenziale per tutte le attività.
Il corso verrà erogato in Italiano.
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.
- Kularatna, Nihal. Digital and analogue instrumentation: testing and measurement. No. 11. IET, 2003.
- M. Norgia, R. Ottoboni, A. Pesatori, C. Svelto. Misure - Dai fondamenti alla strumentazione. Ed. Esculapio.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consta di una PROVA ORALE.
Durante la prova orale, lo studente presenterà due Relazioni di Laboratorio:
- RelazioneCAD: Progetto e simulazione a livello transistor di un circuito analogico (il cui schema generale verrà fornito dai docenti del corso durante le lezioni);
- RelazioneMeas: Misure elettriche ed elettroniche su semplici configurazioni circuitali.
L'esame consterà di:
- Colloquio sulle Relazioni di Laboratorio;
- Colloquio su argomenti svolti a Lezione.
Le COMPETENZE e conoscenze richieste sono basate su:
- analisi e sintesi di stadi analogici con amplificatore operazione a transconduttanza (amplificatori e filtri attivi);
- simulazioni CAD degli stadi analogici oggetto della RelazioneCAD;
- conoscenza approfondita delle problematiche dei setup di misura oggetto della RelazioneCAD.
I CRITERI di valutazione sono:
- livello di conoscenza dei circuiti oggetto delle due relazioni di laboratorio, sia a livello di architettura sia a livello transistor;
- livello di originalità e approfondimento delle soluzioni circuitali adottate relative alla RelazioneCAD e alla RelazioneMeas.
Orario di ricevimento
Lun. 10-12
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
LECTURES in which the fundamental concepts of analogue design in CMOS technology will be presented.
Classroom EXERCISES with presentation and discussion of examples of analog circuits at the transistor level.
EXERCISES in the electronics laboratory where students will be divided into groups (2 students per group).
Students will follow guided exercises, preceded by a classroom presentation.
GROUP WORK for development and simulation of analogue stages.
Attendance is strongly recommended and is essential for all activities.
The course will be delivered in Italian.
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.
- Kularatna, Nihal. Digital and analogue instrumentation: testing and measurement. No. 11. IET, 2003.
- M. Norgia, R. Ottoboni, A. Pesatori, C. Svelto. Misure - Dai fondamenti alla strumentazione. Ed. Esculapio.
Semester
second semester
Assessment method
The exam consists of an ORAL EXAM.
During the oral exam, the student will present two Laboratory Reports:
- RelazioneCAD: Design and simulation at transistor level of an analog circuit (whose general scheme will be provided by the course teachers during the lessons);
- Meas Report: Electrical and electronic measurements on simple circuit configurations.
The exam will consist of:
- Interview on Laboratory Reports;
- Interview on topics covered in class.
The SKILLS and knowledge required are based on:
- analysis and synthesis of analog stages with transconductance amplifier operation (active amplifiers and filters);
- CAD simulations of the analogue stages covered by the CAD Report;
- in-depth knowledge of the measurement setup issues covered by the CAD Report.
The evaluation CRITERIA are:
- level of knowledge of the circuits covered by the two laboratory reports, both at an architectural and transistor level;
- level of originality and in-depth analysis of the circuit solutions adopted relating to the RelazioneCAD and the RelazioneMeas.
Office hours
Monday 10-12
Sustainable Development Goals
Staff
-
Andrea Baschirotto
-
Marcello De Matteis
