Electronics for Telecommunications systems

12 CFU - 2° semestre

Docenti titolari dell'insegnamento

EGIDIO RAGONESE - Modulo Mod. Fundamentals of analog electronics - ING-INF/01 - 3 CFU
GIUSEPPE PALMISANO - Modulo Mod. Electronics for Telecommunications - ING-INF/01 - 9 CFU

Obiettivi formativi

Mod. Fundamentals of analog electronics
Conoscenza e comprensione

Il modulo si prefigge di integrare le conoscenze di base sui dispositivi elettronici e sui circuiti analogici in tecnologia CMOS e Bipolare nell’ottica di una migliore fruizione del modulo “Electronics for Telecommunications”. Saranno inoltre affrontati argomenti relativi ai componenti passivi reattivi integrati e sul loro utilizzo nei circuiti a radio frequenza (RF). Infine, saranno dati alcuni cenni al back-end delle tecnologie di integrazione e alle principali linee guida nella definizione del layout dei circuiti RF.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Alla fine del modulo lo studente avrà le conoscenze necessarie per la comprensione del modulo “Electronics for Telecommunications” e una panoramica su aspetti tecnologici fondamentali per i circuiti RF e sarà in grado di progettare componenti induttivi integrati.

Autonomia di giudizio

Lo studente sarà in grado di progettare semplici circuiti analogici e componenti induttivi integrati effettuando autonomamente le opportune scelte progettuali.

Abilità comunicative

Lo studente inizierà ad acquisire il linguaggio tecnico dell’elettronica circuitale RF. L’esame orale consentirà agli studenti di affinare il linguaggio tecnico e le capacità comunicative.

Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze attraverso l’approfondimento sui testi consigliati.
Mod. Electronics for Telecommunications
Il corso di Elettronica per le Telecomunicazioni tratta le soluzioni architetturali e circuitali dei front-end di radiofrequenza (RF) per i sistemi di comunicazione wireless, utilizzando le moderne tecnologie di integrazione VLSI su silicio. Il corso si propone di fornire le conoscenze relative alle architetture di maggiore interesse per i front-end RF nonché le tecniche elettroniche circuitali per gli aspetti più critici del processamento RF, che sono l’alta frequenza, l’alto guadagno, il basso rumore e l’elevata linearità.
Alla fine del corso lo studente acquisirà:

Conoscenza e comprensione

Conoscenza di come è fatto e come opera un moderno transceiver di comunicazione dati per le più diffuse applicazioni wireless quali la telefonia mobile, le WLAN, le WSN, il bluetooth, ecc., e come esso si interfaccia da una parte all’antenna e dall’altra ai dispositivi di sensing e trasduzione.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Capacità di progettazione dei principali blocchi di processamento RF (LNA, Mixer, oscillatori, PLL, ecc.) grazie all’acquisizione delle soluzioni implementative per questi circuiti e delle relative equazioni di progetto;

Autonomia di giudizio

Capacità di gestire ed completare le conoscenze sulle architetture dei front-end RF e sulle tecniche ellettroniche per realizzarle, essendo in grado, grazie al corso, di capire la letterettura specilistica sugli argomenti trattati;

Abilità comunicative

Capacità di comunicare e descrivere le conoscenze acquisite sui transceiver per le comunicazioni wireless, i relativi sottosistemi e blocchi base che li compongono, nonché le tecnologie utili alla loro realizzazione;

Capacità di apprendimento

Capacità di approfondire autonomamente lo studio dell'elettronica dei sistemi radio.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Mod. Fundamentals of analog electronics
L'insegnamento prevede lezioni frontali con qualche esercitazione mirata a mettere in pratica, consolidare e ampliare i contenuti teorici.

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.
Mod. Electronics for Telecommunications
L'insegnamento si basa principalmente su lezioni frontali che verranno registrate sia in forma audio che scritta e rese disponibili per gli studenti in giornata. Qualora l'insegnamento venisse impartito a distanza o in modalità mista potranno essere introdotte alcune variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Prerequisiti richiesti

Mod. Fundamentals of analog electronics
Conoscenza di elementi di base di elettronica analogica e di elettromagnetismo.
Mod. Electronics for Telecommunications
1. Conoscenze di base di elettronica circuitale: stadi di amplificazione, stadio differenziale con carico resistivo, specchi di corrente, polarizzazione;
2. Conoscenza della risposta in frequenza e del diagramma di Bode;
3. Conoscenze di base sui sistemi retroazionati e la stabilità in frequenza.

Frequenza lezioni

Mod. Fundamentals of analog electronics
La frequenza non è obbligatoria ma fortemente consigliata trattandosi di un modulo con contenuti specialistici. È obbligatoria l’iscrizione alla piattaforma Studium che sarà utilizzata per tutte le comunicazioni inerenti allo svolgimento del modulo.
Mod. Electronics for Telecommunications
La frequenza sebbene non obbligatoria è fortemente raccomandata trattandosi di materia specialistica con contenuti non facilmente reperibili in un unico testo didattico e attinente l’attività di ricerca del docente.

Contenuti del corso

Mod. Fundamentals of analog electronics
Transistori bipolari: Nozioni di base sul transistore bipolare e modello equivalente per piccolo segnale in regione attiva diretta.

Stadio differenziale in tecnologia bipolare e MOS con carico resistivo: relazione di ampio segnale e guadagno.

Specchi di corrente: Specchio di corrente semplice in tecnologia bipolare e MOS. Specchio bipolare con recupero di corrente. Specchio di corrente cascode MOS. Cenni sul layout di uno specchio di corrente.

Cascole BJT e CMOS con carico resistivo in alta frequenza: guadagno, impedenze, dinamica di uscita.

Componenti passivi reattivi integrati: cenni sull’utilizzo, realizzazione su silicio, autorisonanza, perdite e fattore di qualità, cenni sulla progettazione di induttori e trasformatori integrati. Utilizzo del carico risonante e vantaggi in alta frequenza e dinamica rispetto al carico resistivo.

BEOL delle tecnologie RF e layout dei circuiti RF: caratteristiche dei layer metallici (materiali, spessori), modello distribuito di una connessione, principali linee guida nella definizione del layout dei circuiti RF.

Cenni sui simulatori EM 2D: introduzione al simulatore elettromagnetico (EM) 2D Momentum di Keysight Tecnologies.
Mod. Electronics for Telecommunications
PROGRAMMA DEL CORSO

SISTEMI DI COMUNICAZIONE WIRELESS: front-end radio, front-end analogico di banda base, digital signal processing (DSP), front-end analogico per sensori e trasduttori.

PARAMETRI DI PRESTAZIONE DI UN FRONT-END RF: sensibilità, frequenza operativa, guadagno di tensione e di potenza, figura di rumore, parametri di linearità, rumore di fase, efficienza.

RUMORE NEI TRANSISTORI: sorgenti di rumore nei MOS e nei BJT, tensioni e correnti di rumore, rapporto segnale/rumore, figura di rumore.

TRASFORMAZIONE D’IMPEDENZA E ADATTAMENTO: il problema della trasformazione d’impedenza, proprietà delle reti reattive, adattamento, parametri di definizione dell’adattamento.

BLOCCHI FONDAMENTALI NEL PROCESSAMENTO RF: amplificatore a basso rumore (LNA), mixer semplice ed in quadratura, mixer a reiezione d’immagine, amplificatore a guadagno variabile (VGA), amplificatore a frequenza intermedia (IF), reti sfasatici, amplificatore di potenza (cenni).

ANELLO AD AGGANCIO DI FASE (PLL): parametri di prestazione (frequenza operativa, range di regolazione, rumore di fase, reiezione alle spurie, stabilità). Blocchi costitutivi del PLL: oscillatore di riferimento, rivelatore di fase/frequenza (PFD), charge pump, filtro di anello, oscillatore controllato in tensione (VCO), divisore di frequenza, applicazioni del PLL nei transceiver RF.

ARCHITETTURE DEI FRONT-END RF: conversione supereterodina, conversione omodina, conversione a bassa IF, conversione di tipo sliding IF.

Testi di riferimento

Mod. Fundamentals of analog electronics
1. Sedra - Smith, Microelettronic circuits, Oxford Univerity press.
2. B. Razavi, “RF Microelectronics”, Ed. Theodore S. R., Prentice Hall.
3. A. Scuderi, E. Ragonese, T. Biondi, G. Palmisano, "Integrated inductors and transformers: characterization, design and modeling for RF and mm-wave applications," CRC Press - Taylor & Francis Group, Nov. 2010.
Mod. Electronics for Telecommunications
1. B. Razavi, “RF Microelectronics”, Ed. Theodore S. R., Prentice Hall.

Altro materiale didattico

Mod. Fundamentals of analog electronics
Il materiale messo a disposizione è costituito da: lucidi delle lezioni, articoli di approfondimento, e altro. Esso è disponibile sulla Piattaforma Studium (http://studium.unict.it).
Mod. Electronics for Telecommunications
1. Dispense del corso;
2. Lezioni registrate.
https://www.dropbox.com/sh/aogq5l1i8ly1cxj/AAD3AufUgRSFms4HEndW4dNya?dl=0

Programmazione del corso

Mod. Fundamentals of analog electronics
	Argomenti	Riferimenti testi
1	Transistori bipolari: Nozioni di base sul transistore bipolare e modello equivalente per piccolo segnale in regione attiva diretta	Testi n.1 e 2, materiale didattico su web.
2	Stadio differenziale in tecnologia bipolare e MOS con carico resistivo: relazione di ampio segnale e guadagno.	Testi n.1 e 2, materiale didattico su web.
3	Specchi di corrente: Specchio di corrente semplice in tecnologia bipolare e MOS. Specchio bipolare con recupero di corrente. Specchio di corrente cascode MOS. Cenni sul layout di uno specchio di corrente.	Testi n.1 e 2, materiale didattico su web.
4	Cascole BJT e CMOS con carico resistivo in alta frequenza: guadagno, impedenze, dinamica di uscita.	Testi n.1 e 2, materiale didattico su web.
5	Componenti passivi reattivi integrati: cenni sull'utilizzo, realizzazione su silicio, autorisonanza, perdite e fattore di qualità, cenni sulla progettazione di induttori e trasformatori integrati. Utilizzo del carico risonante e vantaggi in alta frequenza e dinamica rispetto al carico resistivo.	Testi n.2 e 3, materiale didattico su web.
6	BEOL delle tecnologie RF e layout dei circuiti RF: caratteristiche dei layer metallici (materiali, spessori), modello distribuito di una connessione, principali linee guida nella definizione del layout dei circuiti RF.	Testi n.2 e 3, materiale didattico su web.
7	Cenni sui simulatori EM 2D: introduzione al simulatore elettromagnetico (EM) 2D Momentum di Keysight tecnologies.	Testi n.2 e 3, materiale didattico su web.
Mod. Electronics for Telecommunications
	Argomenti	Riferimenti testi
1	1. Sistemi di comunicazione di tipo wireless	Libro e materiale didattico su web
2	2. Parametri di prestazione di un front-end RF	Libro e materiale didattico su web
3	3. Rumore nei transistori	Libro e materiale didattico su web
4	4. Trasformazione di impedenza ed adattamento	Libro e materiale didattico su web
5	5. Blocchi fondamentali nel processamento RF	Libro e materiale didattico su web
6	6. Anello ad aggancio di fase (PLL)	Libro e materiale didattico su web
7	7. Architetture dei front-end RF	Libro e materiale didattico su web

Verifica dell'apprendimento

MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Mod. Fundamentals of analog electronics
La verifica sarà effettuata nel corso dell’unica prova orale, fare riferimento alle informazioni inserite nel modulo “Electronics for Telecommunications”.
Mod. Electronics for Telecommunications
Prova orale tendente a verificare la maturità acquisita dallo studente sulla materia in generale nonché la conoscenza degli specifici argomenti trattati. La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

L’esame valuterà:
1. la pertinenza delle risposte rispetto alle domande;
2. la qualità dei contenuti delle risposte;
3. la capacità di collegamento dei contenuti delle risposte;
4. la capacità di riportare esempi;
5. la proprietà di linguaggio tecnico e la capacità espressiva.

ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Mod. Fundamentals of analog electronics
1. Parametri di piccolo segnale del transistore bipolare.
2. Specchi di corrente.
3. Stadio cascode in alta frequenza
4. Induttori integrati
Mod. Electronics for Telecommunications
1. Descrivere il ricevitore omodina evidenziandone vantaggi e limitazioni;
2. Disegnare e commentare lo schema di un front-end RF supereterodina;
3. Disegnare lo schema di un amplificatore a basso rumore e discuterne le principali equazioni di progetto;
4. Disegnare e discutere lo schema di un PLL;
5. Discutere le equazioni di progetto di un oscillatore controllato in frequenza (VCO);
6. Parlare delle reti di trasformazione di impedenza di tipo lossless.

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