MICROELECTRONICS

Il corso si prefigge di fornire conoscenze avanzate sui circuiti elettronici di tipo analogico e mixed signal in tecnologia CMOS e mista Bipolare/CMOS in applicazioni a bassa frequenza. Inoltre, durante il corso sono previste esercitazioni numeriche, al calcolatore e sperimentali finalizzate al consolidamento delle tematiche e delle tecniche trattate durante le lezioni frontali.

Conoscenza e comprensione. Lo studente conoscerà le principali configurazioni circuitali e le tecniche di progettazione e di ottimizzazione dei parametri prestazionali di Comparatori, Amplificatori operazionali e a transconduttanza, Filtri discreti (tempo continui) e integrati (tempo continui e a dati campionati) e Convertitori per dati. Conoscerà in maniera più approfondita un ambiente di simulazione e di caratterizzazione sperimentale.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Lo studente sarà in grado di comprenderne, analizzare e simulare i parametri prestazionali delle configurazioni circuitali studiate e blocchi base e avanzati di tipo analogico e mixed signal presenti nei moderni sistemi integrati. Sarà inoltre in grado di scegliere la configurazione circuitale più appropriata per la risoluzione di problemi di progettazione. Infine, grazie alle attività di laboratorio, lo studente migliorerà le sue capacità di lavorare in gruppo e di problem solving.

Autonomia di giudizio. La formazione teorica è accompagnata da esempi, applicazioni, esercitazioni, sia pratiche che teoriche, che abituano lo studente a prendere decisioni e a riuscire a giudicare e prevedere l’effetto delle proprie scelte.

Abilità comunicative. A completamento del corso ci si attende che lo studente acquisirà la capacità di veicolare ai propri interlocutori, in modo chiaro e compiuto, le conoscenze acquisite.

Capacità di apprendimento. A completamento del corso ci si attende che lo studente sarà anche in grado di rielaborare le conoscenze per estenderle a situazioni non esplicitamente trattate, essendo anche in grado di apprendere in autonomia.

L'insegnamento prevede sia lezioni frontali sia esercitazioni numeriche e al simulatore (CAD), mirate a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici e le tecniche di progettazione sviluppate. Saranno inoltre organizzati dei Seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da industrie operanti nel settore della micro e nanoelettronica.

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. Il docente è disponibile anche a incontri di ricevimento in modalità telematica, previo appuntamento

Conoscenza di elementi di elettronica analogica e digitale (circuiti a diodi, stadi a singolo transistore, coppia differenziale, amplificatori operazionali, porte logiche), teoria della retroazione, teoria dei circuiti lineari, teoria dei segnali (analogici e digitali).

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

1. Dall’Elettronica alla microelettronica e alla nanoelettronica. Tecnologie VLSI. Circuit i Integrati per applicazioni specifiche. Flusso di progettazione di circuiti integrati.
2. Amplificatori operazionali (OAs) e retroazione. Applicazioni: amplificatori per strumentazione, e per sensori. Effetto della banda e guadagno finiti. Architetture. Stadi di uscita. Il uA741. Amplificatori non convenzionali (Current Feedback OAs, Current-mode OAs, Current Conveyors).
3. Distorsione armonica. Compensazione in frequenza. Slew Rate. Rumore.
4. Operational Transconductance Amplifiers (OTAs). Miller OTA (in classe A e AB). Folded Cascode OTA. Telescopic OTA etc. Soluzioni a bassa tensione di alimentazione. Amplificatori multistadio. Esempi di progetto. Architetture fully differential. Schemi per il controllo del modo comune. Amplificatore a chopper.
5. Comparatori. Architetture e applicazioni. Comparatori con auto zero. Trigger di Schmitt invertente e noninvertente.
6. Filtri. Principi base e classificazioni. Confronto tra filtri analogici e digitali. Filtri passivi e attivi, tempo continui e tempo discreti. Implementazione di celle del primo e del second ordine in tecnica RLC, Active-RC, Switched-Capacitor, Gm-C and MOSFET-C. Celle biquadratiche (Thow-Tomas, Sallen-Key, Ackerberg-Mossberg, Delyannis-Friend). Filtri di ordine elevato. Giratori (Antoniou, GmC). Tuning automatico per filtri Gm-C.
7. Convertitori A/D e D/A. Principi base della conversione A/D e D/A. Architetture e specifiche per circuiti di Sample and Hold. Esempi di architetture di conv. A/D: full flash, two step flash, time interleaved, successive approximation, ramp. Esempi di architetture di conv. D/A: current-steering (binary, thermometric, segmented), resistor-string, capacitor-string, ramp. Sigma-Delta.
8. Computer Aided Design Tools per la microelettronica.

1. Sergio Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, McGraw-Hill,4th Ed. 2015.
2. D. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley&Sons, 1997.
3. Schaumann, Van Valkemburg, Design of Analog Filters, Oxford UniversityPress, 2001.
4. R. Van De Plassche, Integrated Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Converters; Kluwer Academic Publishers, 1994.
5. G. Palumbo, Pennisi, Feedback Amplifiers: Theory and Design, Kluwer Academic Publishers, 2002.
6. F. Maloberti, Data Converters, Springer 2007.

Il materiale messo a disposizione è costituito da: lucidi delle lezioni, articoli di approfondimento, modelli di dispositivi per il simulatore, e altro. Esso è disponibile sul sito studium.unict.it

L'esame consiste in una prova orale preceduta dalla presentazione di un elaborato di corso.

L'elaborato viene svolto tipicamente in gruppo (di 2-4 studenti). L'elaborato verte sulla progettazione e simulazione di circuiti integrati a livello transistore.

La prova orale consta tipicamente di 3 domande. Una domanda verte sull'elaborato, una sui filtri e una sui convertitori per dati. Il voto complessivo dell'esame, in trentesimi, tiene conto dell'elaborato e della risposta alle 3 domande, in termini di completezza, accuratezza e proprietà di linguaggio. La durata media della prova orale è di 30 min.

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

• Comparators
• Chopper amplifier
• Schmitt trigger
• Sallen Key filters
• Switched-Capacitor integrators and filters
• Current steering DACs
• Offset-compensated S/H
• Flash ADCs
• Comparatori
• Amplificatore a Chopper
• Trigger di Schmitt
• Filtri di Sallen Key
• Integratori e filtri SC
• Current steering DAC
• S/H compensato all'offset
• Flash ADC