Syllabus del corso
Obiettivi
L'insegnamento di Laboratorio di Elettronica I ha l'obiettivo di fornire agli studenti le conoscenze di base e le competenze operative necessarie per l'analisi, la progettazione, la simulazione e la caratterizzazione di circuiti analogici integrati in tecnologia CMOS, affrontando blocchi circuitali di complessità crescente, dai singoli dispositivi MOS fino agli amplificatori operazionali. Attraverso l'utilizzo di strumenti professionali di Computer-Aided Design (CAD) e di metodologie progettuali adottate in ambito industriale e della ricerca, il corso introduce gli studenti al flusso professionale di sviluppo dei circuiti integrati, dalla progettazione e simulazione circuitale fino alle attività di verifica del progetto propedeutiche alla prototipazione su silicio e alla successiva caratterizzazione sperimentale.
Il corso si articola in tre attività complementari:
- Introduzione ai principi della progettazione di circuiti integrati analogici in tecnologia CMOS, mediante lo studio dei dispositivi MOS, degli stadi elementari a singolo transistore, degli amplificatori differenziali e degli amplificatori operazionali, con particolare attenzione alle metodologie di analisi e progettazione dei principali blocchi funzionali dell'elettronica analogica integrata.
- Introduzione all'utilizzo di strumenti professionali di Computer-Aided Design (CAD) per la progettazione, la simulazione e la verifica di circuiti integrati analogici.
- Introduzione alla strumentazione elettronica di laboratorio, comprendente oscilloscopio, alimentatore, generatore di funzione, multimetro e altra strumentazione di base, nonché alle principali tecniche di misura per la caratterizzazione elettrica dei circuiti elettronici.
Al termine del corso gli studenti saranno in grado di analizzare e simulare circuiti analogici integrati mediante strumenti CAD professionali, interpretarne i risultati di simulazione e utilizzare la principale strumentazione elettronica di laboratorio per effettuare misure e verifiche sperimentali.
Risultati di apprendimento attesi
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Conoscenza e capacità di comprensione (Knowledge and understanding)
Gli studenti acquisiranno le conoscenze fondamentali della progettazione di circuiti analogici integrati in tecnologia CMOS, dei dispositivi MOS e dei principali blocchi funzionali dell'elettronica analogica, dei principi di funzionamento degli strumenti professionali di Computer-Aided Design (CAD) e della principale strumentazione elettronica di laboratorio. -
Capacità di applicare conoscenza e comprensione (Applying knowledge and understanding)
Gli studenti saranno in grado di analizzare e simulare semplici circuiti analogici integrati mediante strumenti CAD, eseguire analisi circuitali di base e utilizzare la strumentazione elettronica di laboratorio per effettuare semplici misure e verifiche sperimentali. -
Autonomia di giudizio (Making judgements)
Gli studenti svilupperanno la capacità di interpretare criticamente i risultati delle simulazioni e delle misure sperimentali, confrontandoli con le previsioni teoriche e valutando il comportamento dei principali blocchi circuitali analogici. -
Abilità comunicative (Communication skills)
Gli studenti saranno in grado di descrivere il funzionamento dei circuiti analizzati, discutere i risultati delle simulazioni e delle misure sperimentali e redigere semplici relazioni tecniche utilizzando una terminologia scientifica e tecnica appropriata. -
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 il successivo insegnamento di Laboratorio di Elettronica II e per corsi più avanzati di microelettronica e progettazione di circuiti integrati.
Contenuti sintetici
- Nozioni di progettazione analogica in tecnologia CMOS
- Uso del software CADENCE per simulazione di circuiti analogici CMOS
- Nozioni di strumentazione elettronica per la caratterizzazione dei circuiti integrati
Programma esteso
Il corso introduce lo studente ai principi della progettazione di circuiti integrati analogici in tecnologia CMOS e si articola in tre attività complementari.
- Lezioni frontali dedicate ai fondamenti della progettazione analogica CMOS.
Gli argomenti trattati comprendono: tecnologia CMOS, dispositivi MOS, interruttori analogici, specchi di corrente, riferimenti di tensione e di corrente, stadi di amplificazione e amplificatori operazionali. - Esperienze di laboratorio di progettazione assistita da calcolatore, finalizzate all'apprendimento dell'utilizzo dell'ambiente CAD Cadence® per la progettazione, simulazione e verifica di circuiti integrati analogici.
Le esercitazioni comprendono, a titolo esemplificativo, il progetto e la simulazione di singoli transistor con particolare attenzione agli aspetti di funzionamento dei dispositivi CMOS in scala nanometrica, stadi differenziali, amplificatori operazionali a singolo e doppio stadio. - Esperienze di laboratorio sperimentale, dedicate all'utilizzo della principale strumentazione elettronica di laboratorio (oscilloscopio, alimentatore, generatore di funzione, multimetro e analizzatore di spettro) per la caratterizzazione elettrica di semplici circuiti analogici e l'introduzione alle principali tecniche di misura.
Prerequisiti
Laurea di I livello in Fisica o equivalente. Nozioni di Elettronica analogica di base
Modalità didattica
L'insegnamento prevede un totale di 120 ore, articolate in tre attività complementari:
- 48 ore di lezioni frontali, dedicate ai fondamenti della progettazione di circuiti integrati analogici in tecnologia CMOS. Le lezioni trattano gli aspetti teorici dell'analisi e della progettazione dei principali blocchi funzionali dell'elettronica analogica integrata.
- 48 ore di attività di laboratorio CAD, dedicate all'utilizzo dell'ambiente professionale Cadence® per la progettazione, la simulazione e la verifica di circuiti integrati analogici. Le esercitazioni guidano gli studenti nello sviluppo e nell'analisi di semplici blocchi circuitali, quali dispositivi MOS, stadi differenziali e amplificatori operazionali.
- 24 ore di laboratorio sperimentale, dedicate all'utilizzo della strumentazione elettronica di laboratorio (oscilloscopio, alimentatore, generatore di funzione, multimetro e analizzatore di spettro) per la caratterizzazione elettrica di semplici circuiti analogici e l'apprendimento delle principali tecniche di misura.
La frequenza è fortemente raccomandata, in particolare per le attività di laboratorio CAD e per le esperienze sperimentali, che costituiscono una parte essenziale del percorso formativo.
L'insegnamento è erogato in lingua italiana; su richiesta di uno o più studenti, potrà essere erogato in lingua inglese.
Materiale didattico
Testi di riferimento:
A. Baschirotto “Dispense di Microelettronica”
Gray, Hurst, Lewis, Meyer, “Analysis and design on analog integrated circuits”
F. Maloberti, “Analog designfor CMOS VLSI systems”
B. Razavi, “Design of analog integrated circuits”
M. Norgia, R. Ottoboni, A. Pesatori, C. Svelto, “Misure - Dai fondamenti alla strumentazione”, Ed. Esculapio.
Nihal Kularatna, “Digital and Analogue Instrumentation: Testing and Measurement”, IEE.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esami orali (colloqui) in presenza su appuntamento (da fissare via mail a andrea.baschirotto@unimib.it)
Lo studente potrà presentare due Relazioni di Laboratorio basate su:
- Progetto e simulazione di semplici circuiti analogici a singolo transistor;
- Misure elettriche ed elettroniche su semplici configurazioni circuitali.
L'esame consterà di:
- Colloquio sulle Relazioni di Laboratorio (se presentate)
- Colloquio su argomenti svolti a Lezione
Orario di ricevimento
Il ricevimento avverrà su appuntamento con i docenti del corso (da contattare via mail a andrea.baschirotto, marcello.dematteis, valeria.vadala@unimib.it).
Sustainable Development Goals
Aims
The Electronics Laboratory I course aims to provide students with the fundamental knowledge and practical skills required for the analysis, design, simulation, and characterization of CMOS analog integrated circuits, covering circuit building blocks of increasing complexity, from individual MOS devices to operational amplifiers. Through the use of professional Computer-Aided Design (CAD) tools and design methodologies adopted in both industry and research, the course introduces students to the professional integrated circuit development flow, from circuit design and simulation to design verification activities that prepare a circuit for silicon prototyping and subsequent experimental characterization.
The course is organized into three complementary activities:
- Introduction to the principles of CMOS analog integrated circuit design, through the study of MOS devices, single-transistor building blocks, differential amplifiers, and operational amplifiers, with particular emphasis on the analysis and design methodologies of the main functional blocks of analog integrated circuits.
- Introduction to the use of professional Computer-Aided Design (CAD) tools for the design, simulation, and verification of analog integrated circuits.
- Introduction to electronic laboratory instrumentation, including oscilloscopes, power supplies, function generators, digital multimeters, and other basic laboratory equipment, together with the fundamental measurement techniques for the electrical characterization of electronic circuits.
Upon successful completion of the course, students will be able to analyze and simulate analog integrated circuits using professional CAD tools, critically interpret simulation results, and use standard electronic laboratory instrumentation to perform basic electrical measurements and experimental verification.
Expected learning outcomes
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Knowledge and understanding
Students will acquire the fundamental knowledge of CMOS analog integrated circuit design, MOS devices and the main functional building blocks of analog electronics, the operating principles of professional Computer-Aided Design (CAD) tools, and the use of standard electronic laboratory instrumentation. -
Applying knowledge and understanding
Students will be able to analyze and simulate basic analog integrated circuits using CAD tools, perform fundamental circuit analyses, and use standard electronic laboratory instrumentation to carry out basic electrical measurements and experimental verification. -
Making judgements
Students will develop the ability to critically interpret simulation and experimental results, compare them with theoretical predictions, and evaluate the behavior of the main analog circuit building blocks. -
Communication skills
Students will be able to describe the operation of the analyzed circuits, discuss the results of simulations and laboratory measurements, and prepare technical reports using appropriate scientific and technical terminology. -
Learning skills
Students will acquire the methodological skills required for independent learning in analog integrated circuit design, the use of professional CAD tools, and electronic measurement techniques, providing a solid foundation for the subsequent Electronics Laboratory II course and for more advanced studies in microelectronics and integrated circuit design.
Contents
- Concepts of analog design in CMOS technology
- Use of CADENCE software for simulation of CMOS analog circuits
- Concepts of electronic instrumentation for the characterization of integrated circuits
Detailed program
The course introduces students to the fundamental principles of CMOS analog integrated circuit design and is organized into three complementary activities.
- Lectures covering the fundamentals of CMOS analog integrated circuit design.
Topics include CMOS technology, MOS devices, analog switches, current mirrors, voltage and current references, gain stages, differential amplifiers, and operational amplifiers. - Computer-aided design laboratory sessions, aimed at learning the use of the Cadence® design environment for the design, simulation, and verification of analog integrated circuits. Laboratory exercises include, by way of example, the design and simulation of individual MOS transistors, with particular emphasis on the operating principles of nanoscale CMOS devices, differential amplifier stages, and single-stage and two-stage operational amplifiers.
- Experimental laboratory sessions, dedicated to the use of standard electronic laboratory instrumentation—including oscilloscopes, power supplies, function generators, digital multimeters, and spectrum analyzers—for the electrical characterization of basic analog circuits and an introduction to fundamental electronic measurement techniques.
Prerequisites
Bachelor in physics or equivalent. Basic notions of analog electronics
Teaching form
The course consists of a total of 120 hours, organized into three complementary activities:
- 48 hours of lectures, devoted to the fundamentals of CMOS analog integrated circuit design. The lectures cover the theoretical aspects of the analysis and design of the main functional building blocks of analog integrated circuits.
- 48 hours of CAD laboratory sessions, dedicated to the use of the professional Cadence® design environment for the design, simulation, and verification of analog integrated circuits. The laboratory activities guide students through the development and analysis of basic circuit building blocks, including MOS devices, differential amplifiers, and operational amplifiers.
- 24 hours of experimental laboratory sessions, devoted to the use of standard electronic laboratory instrumentation—including oscilloscopes, power supplies, function generators, digital multimeters, and spectrum analyzers—for the electrical characterization of basic analog circuits and the acquisition of fundamental electronic measurement techniques.
Attendance is strongly recommended, particularly for the CAD laboratory sessions and the experimental laboratory activities, which constitute an essential part of the course.
The course is normally taught in Italian. Upon request by one or more students, it may also be delivered in English.
Textbook and teaching resource
References:
A. Baschirotto “Dispense di Microelettronica”
Gray, Hurst, Lewis, Meyer, “Analysis and design on analog integrated circuits”
F. Maloberti, “Analog designfor CMOS VLSI systems”
B. Razavi, “Design of analog integrated circuits”
M. Norgia, R. Ottoboni, A. Pesatori, C. Svelto, “Misure - Dai fondamenti alla strumentazione”, Ed. Esculapio.
Nihal Kularatna, “Digital and Analogue Instrumentation: Testing and Measurement”, IEE.
Semester
1st semester
Assessment method
Oral examinations (colloquium) in presence on appointement (to be fixed via mail to andrea.baschirotto@unimib.it)
The student may present two Laboratory Reports based on:
- Design and simulation of simple single transistor analog circuits;
- Electrical and electronic measurements on simple circuit configurations.
The exam will consist of:
- Colloquium on Laboratory Reports (if presented)
- Colloquium on topics covered during the lessons
Office hours
Discussions with prof. Baschirotto will take place upon appointment (contact via mail andrea.baschirotto, marcello.dematteis, valeria.vadala@unimib.it).
Sustainable Development Goals
Staff
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Andrea Baschirotto
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Marcello De Matteis
-
Valeria Vadalà
