Syllabus del corso
Obiettivi
L'insegnamento di Laboratorio di Elettronica II ha l'obiettivo di fornire agli studenti le conoscenze e le competenze necessarie per l'analisi, la progettazione, la simulazione e la caratterizzazione sperimentale di circuiti elettronici analogici.
Il corso si articola in due attività complementari: da un lato la progettazione e la simulazione di circuiti analogici integrati mediante strumenti professionali di Computer-Aided Design (CAD), dall'altro la caratterizzazione elettrica di semplici circuiti analogici mediante strumentazione elettronica di laboratorio, quali alimentatori, generatori di funzione, oscilloscopi, analizzatori di spettro e altra strumentazione dedicata.
Particolare attenzione è rivolta allo studio di amplificatori operazionali, filtri analogici, amplificatori di carica e amplificatori a basso rumore per sensori realizzati in tecnologia CMOS, all'analisi delle prestazioni nominali e statistiche dei circuiti integrati e alla caratterizzazione del comportamento statico, dinamico e del rumore elettronico.
Al termine del corso gli studenti saranno in grado di progettare e simulare semplici circuiti analogici integrati mediante strumenti CAD professionali, interpretarne criticamente i risultati di simulazione e caratterizzarne sperimentalmente il comportamento elettrico mediante misure di laboratorio.
Risultati di apprendimento attesi
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Conoscenza e capacità di comprensione
Gli studenti acquisiranno le conoscenze fondamentali relative alla progettazione e alla simulazione di circuiti analogici integrati, ai principi di funzionamento degli strumenti professionali di Computer-Aided Design (CAD), alle tecniche di caratterizzazione elettrica dei circuiti analogici e ai principali fenomeni che influenzano le prestazioni dei circuiti integrati, quali variabilità di processo, temperatura e rumore elettronico. -
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Gli studenti saranno in grado di progettare e simulare semplici circuiti analogici integrati mediante strumenti CAD, eseguire analisi statiche, dinamiche e di rumore, valutarne le prestazioni in differenti condizioni operative e caratterizzare sperimentalmente semplici circuiti analogici utilizzando la strumentazione elettronica di laboratorio. -
Autonomia di giudizio
Gli studenti svilupperanno la capacità di interpretare criticamente i risultati delle simulazioni e delle misure sperimentali, confrontare differenti soluzioni circuitali e valutare gli effetti della variabilità di processo, della temperatura e del rumore sulle prestazioni dei circuiti analogici. -
Abilità comunicative (Communication skills)
Gli studenti saranno in grado di presentare e discutere i risultati delle attività di progettazione, simulazione e caratterizzazione sperimentale utilizzando una terminologia scientifica e tecnica appropriata e redigendo relazioni tecniche chiare e complete. -
Capacità di apprendimento (Learning skills)
Gli studenti acquisiranno le competenze metodologiche necessarie per approfondire autonomamente la progettazione di circuiti analogici integrati, l'utilizzo di strumenti CAD professionali e le tecniche di misura elettronica, costituendo una base per corsi avanzati di microelettronica e progettazione di circuiti integrati.
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 Electronics Laboratory II course aims to provide students with the knowledge and practical skills required for the analysis, design, simulation, and experimental characterization of analog electronic circuits.
The course consists of two complementary activities. The first focuses on the design and simulation of analog integrated circuits using professional Computer-Aided Design (CAD) tools. The second is devoted to the electrical characterization of basic analog circuits through laboratory measurements using electronic instrumentation such as power supplies, function generators, oscilloscopes, spectrum analyzers, and other dedicated laboratory equipment.
Particular emphasis is placed on the design and analysis of operational amplifiers, analog filters, charge amplifiers, and low-noise amplifiers for sensor applications implemented in CMOS technology, together with the evaluation of nominal and statistical circuit performance and the characterization of static, dynamic, and noise behavior.
Upon successful completion of the course, students will be able to design and simulate basic analog integrated circuits using professional CAD tools, critically interpret simulation results, and experimentally characterize their electrical behavior through laboratory measurements.
Expected learning outcomes
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Knowledge and understanding
Students will acquire the fundamental knowledge of analog integrated circuit design and simulation, the operating principles of professional Computer-Aided Design (CAD) tools, the techniques for the electrical characterization of analog circuits, and the main factors affecting integrated circuit performance, including process variations, temperature, and electronic noise. -
Applying knowledge and understanding
Students will be able to design and simulate basic analog integrated circuits using CAD tools, perform DC, transient, AC, and noise analyses, evaluate circuit performance under different operating conditions, and experimentally characterize basic analog circuits using standard electronic laboratory instrumentation. -
Making judgements
Students will develop the ability to critically interpret simulation and experimental results, compare alternative circuit solutions, and evaluate the effects of process variability, temperature, and electronic noise on analog circuit performance. -
Communication skills
Students will be able to present and discuss the results of circuit design, simulation, and experimental characterization activities using appropriate scientific and technical terminology, and prepare clear and comprehensive technical reports. -
Learning skills
Students will acquire the methodological skills necessary for independent learning in analog integrated circuit design, the use of professional CAD tools, and electronic measurement techniques, providing a solid foundation for more advanced courses in microelectronics and integrated circuit design.
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
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Andrea Baschirotto
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Marcello De Matteis
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Valeria Vadalà
