Electronics for Telecommunications systems

Modulo Mod. Electronics for Telecommunications

Obiettivi 

Il corso tratta le soluzioni architetturali e circuitali dei front-end a radiofrequenza (RF) e ad onde millimetriche (mm-wave) per i sistemi wireless (comunicazione, radar, sensing), utilizzando le moderne tecnologie di integrazione VLSI (i.e., CMOS, BiCMOS). Il corso si prefigge di fornire le conoscenze relative alle architetture di maggiore interesse per i front-end RF/mm-wave, le tecniche di progettazione fondamentali per il processamento del segnale in relazione agli aspetti critici e peculiari (i.e., elevata frequenza, alto guadagno, basso rumore, elevata linearità, limiti di area di integrazione e costo del chip). Inoltre, si affronteranno le principali caratteristiche delle diverse tecnologie. Durante il corso saranno anche forniti contenuti relativi all'impiego di software CAD per la progettazione RF di alcuni blocchi base e/o componenti passivi integrati.

Conoscenza e comprensione

 Alla fine del corso lo studente conoscerà:

• la struttura ed il funzionamento di un tipico transceiver di comunicazione dati per applicazione wireless e per applicazioni radar
• le tecniche di progettazione per i principali blocchi di un transceiver RF/mm-wave
• le tecniche di progettazione di componenti induttivi integrati
• le strategie di layout per circuiti RF/mm-wave
• le metodologie di valutazione dei parassiti RLC 

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Alla fine del corso lo studente avrà acquisito le competenze di progettazione per i principali blocchi di processamento RF (LNA, Mixer, oscillatori, PLL, ecc.) e per i componenti induttivi integrati grazie all’acquisizione delle soluzioni implementative e delle relative equazioni di progetto. Inoltre, lo studente sarà in grado di progettare alcuni blocchi e/o componenti RF/mm-wave mediante l’uso di strumenti CAD circuitali ed elettromagnetici.

Autonomia di giudizio

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di analizzare criticamente le prestazioni dei blocchi base di un trasceiver RF e di effettuare scelte di progettazione su di essi, individuando le soluzioni implementative più adatte. 

Abilità comunicative

Lo studente acquisirà le abilità di comunicazione relativamente alle tecnologie, i componenti, i circuiti e i sistemi RF/mm-wave, nonché la capacità di trasferire efficacemente in ambito scientifico/industriale il flusso di progettazione e le criticità implementative. Avrà, inoltre, acquisito un linguaggio tecnico appropriato alla disciplina.

Capacità di apprendimento

Alla fine del corso lo studente avrà acquisito la capacità di approfondire, anche in maniera autonoma, le tematiche trattate durante l'insegnamento. Lo studente sarà in grado di leggere e comprendere testi scientifici nell'ambito delle architetture wireless, dei circuti RF/mm-wave e dei componenti RF. 

L'insegnamento prevede lezioni frontali (49 ore, pari a 7 CFU) ed esercitazioni (30 ore, pari a 2 CFU) anche svolte al simulatore (CAD). Queste ultime sono mirate a mettere in pratica e consolidare i contenuti teorici e le tecniche di analisi e progettazione sviluppate.  Le lezioni frontali saranno svolte utilizzando delle slide di supporto proiettate in aula. Le slide saranno rese disponibili per gli studenti prima della lezione, utilizzando le piattaforme di condivisione approvate dal corso di studio, in modo da aiutare gli studenti nella frequenza del corso.

Nella prima parte del corso si affronteranno gli aspetti architetturali, nella seconda parte di presenteranno i principali blocchi circuitali RF ed infine nell’ultima parte si concentreranno le esercitazioni CAD di progettazione.

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.

Conoscenze indispensabili:

• Elettronica analogica e digitale di base (stadi amplificazione, stadio differenziale, specchi di corrente, circuiti di polarizzazione, circuiti combinatori e sequenziali)
• Teoria della retroazione e stabilità in frequenza
• Trasformata di Fourier/Laplace
• Risposta in frequenza e diagrammi di Bode

 Conoscenze importanti:

• Teoria del rumore
• Tecniche di modulazione analogica e digitale
• Filtri

 Conoscenze utili:

• Teoria dell’elettromagnetismo
• CAD progettazione circuitale di base
• Conoscenza delle tecnologie VLSI

Il corso non prevede obbligo di frequenza. La frequenza delle lezioni è comunque fortemente consigliata, anche per il carattere fortemente specialistico delle argomentazioni trattate.

Parte 1: Introduzione al corso (1 ora)

[Didattica frontale: 1 ora – Esercitazioni: 0 ore]

●        Obiettivi del corso

●        Modalità di esame

●        Materiale didattico

Parte 2: Sistemi di comunicazione wireless (2 ore)

[Didattica frontale: 2 ore – Esercitazioni: 0 ore]

●        Front-end radio

●        Front-end analogico di banda base,

●        Digital signal processing (DSP),

●        Front-end analogico per sensori e trasduttori.

Parte 3: Parametri di prestazione di un front-end RF/mm-wave (3 ore)

[Didattica frontale: 2 ore – Esercitazioni: 1 ora]

●        Sensibilità

●        Frequenza operativa

●        Guadagno di tensione e di potenza

●        Figura di rumore e rumore di fase

●        Parametri di linearità,

●        Efficienza

Parte 4: Rumore nei transistori (2 ore)

[Didattica frontale: 2 ore – Esercitazioni: 0 ore]

●        Sorgenti di rumore nei MOS e nei BJT

●        Tensioni e correnti di rumore

●        Rapporto segnale/rumore e Figura di rumore

Parte 5: Trasformazione d’impedenza e adattamento (3 ore)

[Didattica frontale: 2 ore – Esercitazioni: 1 ora]

●        Il problema della trasformazione di impedenza

●        Reti reattive e adattamento

●        Parametri di definizione dell’adattamento

Parte 6: Blocchi di base per il processamento RF/mm-wave (28 ore)

[Didattica frontale: 23 ore – Esercitazioni: 5 ore]

●        Amplificatore a basso rumore

●        Mixer semplice ed in quadratura

●        Mixer a reiezione di immagine

●        Amplificatore a guadagno variabile

●        Amplificatori a frequenza intermedia (IF)

●        Reti di sfasamento

●        Amplificatori di potenza

Parte 7: Anello ad aggancio di fase (PLL) (10 ore)

[Didattica frontale: 6 ore – Esercitazioni: 4 ore]

●        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

Parte 8: Architetture dei front-end RF/mm-wave (7 ore)

[Didattica frontale: 6 ore – Esercitazioni: 1 ora]

●        Conversione supereterodina

●        Conversione omodina,

●        Conversione a bassa IF

●        Conversione di tipo sliding IF

●        Architettura dei sistemi radar

Parte 9: Componenti passivi reattivi integrati (6 ore)

[Didattica frontale: 3 ore – Esercitazioni: 3 ore]

●        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

Parte 10: BEOL delle tecnologie RF e layout dei circuiti RF (3 ore)

[Didattica frontale: 2 ore – Esercitazioni: 1 ora]

●        Caratteristiche dei layer metallici (materiali, spessori)

●        Modello distribuito di una connessione

●        Principali linee guida nella definizione del layout dei circuiti RF

Parte 11: Simulatori EM 2D (5 ore)

[Didattica frontale: 0 ore – Esercitazioni: 5 ore]

●        Introduzione al simulatore elettromagnetico (EM) 2D Momentum di Keysight Technologies

●        Simulazione EM di componenti induttivi integrati

Parte 12: Progettazione e simulazione di alcuni blocchi base RF (9 ore)

[Didattica frontale: 0 ore – Esercitazioni: 9 ore]

●        Progettazione e simulazione circuitale di un LNA

●        Progettazione e simulazione circuitale di un mixer

●        Progettazione e simulazione circuitale di un VCO

Contributo dell’insegnamento agli obiettivi dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile

Gli argomenti trattati nel corso e le conoscenze acquisite sono direttamente o indirettamente funzionali allo sviluppo di soluzioni tecnologiche sostenibili, oltre che contribuire ad una formazione di qualità, in accordo con gli obiettivi 3, 4, 7, 9, 11, 12, 13, 14 e 15 dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile.

1. B. Razavi, “RF Microelectronics”, Ed. Theodore S. R., Prentice Hall
2. Frank Ellinger, “Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies”. Ed. Springer
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.
4. S. Saponara, M. Greco, E. Ragonese, G. Palmisano, B. Neri, "Highly integrated low power radars," Artech House, (ISBN: 9781608076659), June 2014.
5. Slides proiettate a lezione

L’apprendimento viene verificato attraverso un colloquio orale. Il colloquio orale si svolge, generalmente, con tre domande incentrate su altrettanti argomenti del corso, sui quali lo studente deve dimostrare adeguata comprensione, padronanza degli argomenti discussi e chiarezza espositiva. Nel corso del colloquio orale può essere chiesto di impostare lo svolgimento di un esercizio numerico riguardante la progettazione di un circuito elettronico. La durata media del colloquio orale è di 40 minuti.

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

L'esame orale verrà valutato sulla base della correttezza formale e pertinenza degli argomenti sviluppati, la qualità del linguaggio tecnico adottato, la capacità di fornire la soluzione corretta per i problemi proposti. 

Il voto finale terrà anche conto della partecipazione dello studente a lezioni (attraverso la presenza e le esercitazioni assegnate) e, con maggior peso, dell'esito del colloquio orale.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere, previa approvazione dagli organi centrali di Ateneo.

●        Descrivere il ricevitore omodina evidenziandone vantaggi e limitazioni

●        Disegnare e commentare lo schema di un front-end RF supereterodina

●        Disegnare e discutere lo schema di un sistema radar

●        Disegnare lo schema di un LNA e discuterne le principali equazioni di progetto

●        Disegnare lo schema e discutere le equazioni di progetto di un mixer

●        Disegnare e discutere lo schema di un PLL

●        Discutere lo schema e discutere le equazioni di progetto di un VCO

●        Reti di trasformazione di impedenza di tipo lossless

●        Descrivere i principali parametri di prestazione di un front-end RF

●        Discutere le principali caratteristiche e limitazioni dei componenti integrati