ELECTRONICS II

L'obiettivo di questo corso è l'analisi, la simulazione e la progettazione di circuiti retroazionati con particolare enfasi verso gli amplificatori a singolo e multi-stadio. Il corso metterà in risalto la progettazione di circuiti in tecnologia CMOS portando lo studente a conoscenza delle principali configurazioni circuitali a singolo transistore (source comune, drain comune e gate comune) e a più transistori (specchi di corrente, amplificatori cascode e amplificatori differenziali). Lo studente verrà altresì portato a conoscenza delle proprietà statiche e dinamiche dei circuiti retroazionati nonché delle tecniche di analisi e progettazione circuitale. Completeranno il corso alcune topologie di amplificatori per tecnologia integrata di uso comune.

Alla fine del corso gli studenti saranno in grado di analizzare il comportamento di un circuito retroazionato mediante un'analisi "carta e penna" e di simularne le principali caratteristiche in ambiente SPICE. Gli studenti, anche mediante l'ausilio del calcolatore, saranno inoltre in grado di progettare la rete di compensazione di un circuito retroazionato a uno o due stadi di guadagno e di progettare le più comuni topologie di ampificatori in tecnologia integrata.

L'insegnamento prevede lezioni frontali ed esercitazioni di tipo numerico anche con l'ausilio del simulatore circuitale SPICE. Queste saranno mirate a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici e le tecniche di progettazione apprese. Durante il corso saranno proposte diverse esercitazioni per piccoli gruppi di lavoro da svolgere al calcolatore e al di fuori delle ore di lezione. Infine saranno organizzati dei seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da industrie operanti nel settore della microelettronica.

Gli studenti devono conoscere le trasformate di Laplace, i diagrammi di Bode e i metodi di analisi di circuiti lineari (conoscenze impartite in elettrotecnica, teoria dei sistemi o in insegnamenti similari). Gli studenti devono altresì conoscere la modellistica dei principali dispositivi a semiconduttore (diodi, transistori bipolari e transistori MOS) ed essere capaci di eseguire l'analisi di circuiti semplici con elementi attivi (conoscenze impartite in un corso base di elettronica).

La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata in quanto vengono tenute e assegnate esercitazioni propedeutiche allo svolgimento dell'elaborato di corso e della prova scritta.

Bipolar transistor models
The pn junction. BJT forward active region. Large-signal dc models. Operating modes. Small-signal models. Parasitic elements.

MOS transtor models
MOS structure and operating regions. MOSFET operating regions. MOSFET I-V characteristic. Large-signal dc models. Small-signal models.

Basic MOSFET circuits
MOSFETs’ external resistances. Single-transistor circuits(CS, CD and CG). Current mirrors. Differential amplifiers. High-gain stages.

Frequency response
General amplifiers' structure. Seeking poles and zeros. Single transistor stages: CS, CD and CG. Current mirrors. Differential pair. High-gain stages.

Amplifiers dc analysis
General amplifiers' structure. Feedback. Two-port theory. Return ratio. Rosenstark method. Blackman method

Amplifiers ac analysis
Feedback amplifiers' general characteristics. Stability analysis. Stability criteria. Compensation techniques.

Voltage and current reference circuits
Voltage/Current reference parameters. Current reference circuits. VBE vs T modeling. Bandgap voltage reference circuits: Widlar, Brokaw, Kuijk and Banba.

Operational Transconductance Amplifiers (OTAs)
Two-stage class-A OTA. Stacked mirrors OTA. Folded cascode OTA

The SPICE simulator
Design of electronic circuits by means of SPICE

1. Gray, Hurst, Lewis, Meyer, Analysis and design of Analog Integrated Circuits, 5th Ed., John Wiley & Sons, Inc.
2. P. R. Gray, R. G. Meyer, Circuiti Integrati Analogici, II Edizione, McGraw-Hill
3. J. Millman & A. Grabel, Microelectronics, McGraw-Hill.
4. Alan B. Grebene, Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc.
5. A. Vladimirescu, Guida a SPICE, McGraw-Hill Libri Italia.

La piattaforma Studium (http://studium.unict.it) contiene

• Le slide del corso
• I compiti di esame
• Le esercitazioni con il simulatore LTSPICE

L’apprendimento viene verificato attraverso l'esame finale. Questo consiste in una prova scritta, della durata di 2 ore, e in un colloquio orale. Per la prima sessione di esami, gli studenti possono scegliere di sostituire la prova scritta con la stesura di un elaborato progettuale svolto tramite il simulatore SPICE.

La prova scritta, propedeutica al colloquio orale, è incentrata sull'analisi di un circuito retroazionato del quale viene chiesto:

1. Il punto di polarizzazione;
2. La funzione di trasferimento del guadagno d'anello e la progettazione della rete di compensazione;
3. Un parametro ad anello chiuso come il guadagno dell'amplificatore o la resistenza vista ad un nodo.

La prova scritta deve dimostrare la capacità dello studente di analizzare correttamente un circuito retroazionato. Nello specifico la valutazione terrà conto della capacità di identificare e analizzare correttamente i circuiti elementari studiati a lezione, della capacità di identificare e progettare l'adeguata rete di compensazione e della capacità di applicare correttamente le tecniche di analisi per i circuiti retroazionati. Per ogni punto, la valutazione della prova tiene conto anche della correttezza e coerenza del procedimento, della chiarezza espositiva, della correttezza dei calcoli numerici (ove richiesti) e di quanto lo studente sia riuscito a completare. Il risultato della prova scritta, pubblicato sulla piattaforma Studium (http://studium.unict.it), viene espresso tramite una scala di giudizi (RISERVA, SUFFICIENTE, DISCRETO, BUONO). Gli eventuali ammessi con riserva, avranno una limitazione sul voto finale (max 25/30).

La stesura di un elaborato progettuale è un metodo di valutazione alternativo alla prova scritta che può essere richiesto dallo studente ma solo nella prima sessione d'esame. L'elaborato va chiesto al docente per email. La finestra temporale in cui è possibile chiedere l'elaborato va dal giorno immediatamente successivo alla fine delle lezioni al decimo giorno precedente la data dell'ultimo appello previsto nella prima sessione (questo per consentire allo studente di sostenere il colloquio orale nei tempi e modi previsti). Dal momento dell'assegnazione da parte del docente, lo studente ha 7 giorni di tempo per consegnare l'elaborato, pena l'annullamento della prova. L'elaborato è incentrato sull'analisi di un circuito retroazionato del quale viene chiesto:

1. Il dimensionamento del circuito per ottenere un determinato punto di polarizzazione (valutazione carta e penna della polarizzazione e confronto con i risultati ottenuti in simulazione);
2. La funzione di trasferimento del guadagno d'anello e la progettazione della rete di compensazione (valutazione carta e penna, simulazione con i valori iniziali di progetto e successivo perfezionamento al simulatore);
3. Il guadagno asintotico e la resistenza di uscita applicando i metodi di Rosenstark e Blackman (valutazione carta e penna e confronto con i risultati ottenuti in simulazione);
4. Simulazione del massimo segnale che garantisca il corretto funzionamento del circuito;
5. Simulazione della banda passante del circuito ad anello chiuso;
6. Simulazione della risposta al gradino e misura del tempo di assestamento;
7. Simulazione della risposta al gradino per ampio segnale e misura dello slew-rate;
8. Simulazione della risposta temporale ad una sinusoide e misura della distorsione armonica totale.

Durante la settimana di sviluppo dell'elaborato, lo studente ha la possibilità di interloquire con il docente una sola volta per verificare la correttezza di quanto sta svolgendo (N.B. durante la stesura dell'elaborato, lo studente sta di fatto svolgendo il proprio esame, non può pertanto essere ammesso al ricevimento per spiegazioni riguardante altro). L'elaborato va consegnato in versione pdf all'indirizzo email del docente. La valutazione dell'elaborato è espressa come AMMESSO/NON AMMESSO al colloquio orale. L'elenco degli ammessi alla prova orale sarà pubblicato sulla piattaforma Studium (http://studium.unict.it) in tempo utile per sostenere il colloquio orale.

Il colloquio orale è la parte conclusiva dell'esame e si svolge con due domande incentrate su altrettanti argomenti del corso e sui quali lo studente deve dimostrare adeguata comprensione, padronanza degli argomenti discussi e chiarezza espositiva. Agli studenti che hanno svolto l'elaborato progettuale, può essere rivolta un'ulteriore domanda riguardante l'elaborato stesso. La durata media del colloquio orale è di 40 minuti. Il voto finale terrà conto del risultato della prova scritta (o della qualità e correttezza dell'elaborato progettuale) e, con maggior peso, dell’esito del colloquio orale.

La prova scritta consiste nell'analisi di un circuito retroazionato e nella progettazione della sua rete di compensazione. La durata della prova scritta è 2 ore. Il portale Studium (http://studium.unict.it) raccoglie una collezione di compiti d'esame dei passati anni accademici.

Di seguito si elencano, a titolo di esempio e in maniera non esaustiva, alcuni argomenti che vengono chiesti nel corso del colloquio orale.

• Il modello di piccolo segnale del BJT
• Gli specchi di corrente in tecnologia CMOS
• La risposta in frequenza della coppia differenziale
• Il metodo di Blackman
• I criteri di stabilità di un circuito retroazionato
• I riferimenti di corrente di tipo autopolarizzato
• L'amplificatore Stacked Mirror