ANALOG ELECTRONICS

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 è principalmente focalizzato sulla progettazione di circuiti in tecnologia CMOS, sebbene verranno anche accennati quelli in tecnologia BiCMOS.

Conoscenza e comprensione

Lo studente acquisirà la 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 inoltre 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 amplificatore di uso comune per tecnologia integrata.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

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 42 ore di lezioni frontali, 30 di esercitazioni e 25 ore di laboratorio con esempi di utilizzo del simulatore circuitale SPICE e lo svolgimento di un esercizio di progettazione che sarà descritto in un elaborato finale. Quest’ultima parte sarà mirata a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici e le tecniche di progettazione apprese nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni. Infine saranno organizzati dei seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da industrie operanti nel settore della microelettronica.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

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. Gli studenti che non hanno frequentato le lezioni di laboratorio per almeno 18 ore dovranno sostenere un esame scritto.

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. BiCMOS 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 SPICE

L’apprendimento viene verificato attraverso l'esame finale. Questo consiste in un colloquio orale preceduto dalla valutazione di un elaborato progettuale. Per gli studenti che non hanno frequentato le lezioni di laboratorio per almeno 18 ore, l'elaborato progettuale è sostituito da una prova scritta della durata di 2 ore.

L’elaborato progettuale è una breve descrizione riguardante l'analisi e la progettazione di un circuito retroazionato che gli studenti in gruppi di due avranno affrontato nelle ore di laboratorio. Nell’elaborato bisognerà riportare:

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 della caratteristica di trasferimento DC ingresso-uscita e valutazione della dinamica;
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.

Il docente durante le ore di laboratorio interagirà con i diversi gruppi. Gli studenti a loro volta potranno interloquire con il docente, tenendo però presente che stanno svolgendo una prova valida per l’esame. Finito il corso, i gruppi potranno interagire una sola volta con il docente per verificare la correttezza di quanto stanno 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 almeno una settimana prima del primo appello. La valutazione dell'elaborato è espressa come SUPERATO/NON SUPERATO. Nel caso di giudizio negativo, lo studente dovrà sostenere l’esame scritto per essere ammesso alla prova 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.

La prova scritta, di durata pari a 2 ore, dovrà essere svolta prima del colloquio orale dagli studenti che non hanno almeno 18 ore di frequenza del laboratorio e/o che non hanno consegnato l’elaborato progettuale dentro la scadenza sopra indicata. Essa consiste nell'analisi di un circuito retroazionato e nella progettazione della sua rete di compensazione. Tipiche richieste sono:

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.
4. Il calcolo della dinamica di ingresso e/o di uscita.

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).

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 lavoro svolto nelle ore di laboratorio, della qualità dell'elaborato progettuale (o del risultato della prova scritta) e, con maggior peso, dell’esito del colloquio orale.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

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

Per quanto riguarda la prova scritta, il portale Studium (http://studium.unict.it) raccoglie una collezione di compiti d'esame dei passati anni accademici.