ANALOG ELECTRONICS

Il corso ha lo scopo di fornire gli strumenti per l'analisi, la simulazione e la progettazione dei circuiti retroazionati, con particolare enfasi verso gli amplificatori a singolo e multi-stadio. Il corso è principalmente orientato ai circuiti in tecnologia CMOS, sebbene verranno anche accennati quelli in tecnologia BiCMOS.

Conoscenza e comprensione

Alla fine del corso lo studente conoscerà le 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). Conoscerà, altresì, le proprietà statiche e dinamiche dei circuiti retroazionati e le relative tecniche di analisi e progettazione circuitale. Completeranno il corso alcune topologie di circuiti per la generazione di tensioni e correnti di riferimento e alcune topologie di amplificatore di uso comune per tecnologia integrata.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di analizzare il comportamento di un circuito retroazionato mediante un'analisi “carta e penna” e di simularne le principali caratteristiche in ambiente Cadence. Lo studente, anche mediante l'ausilio del calcolatore, sarà 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 amplificatori in tecnologia integrata.

Autonomia di giudizio

Nella progettazione di un amplificatore in tecnologia integrata, lo studente sarà in grado di effettuare autonomamente le opportune scelte progettuali sulla base delle specifiche richieste. Tale capacità è affinata attraverso esercitazioni numeriche, simulazioni al calcolatore e mediante lo svolgimento di un esercizio di progettazione che sarà descritto in un apposito elaborato o svolto nel corso di una prova scritta.

Abilità comunicative

Lo studente rafforzerà il linguaggio tecnico dell’elettronica e sarà in grado di interagire con i colleghi di lavoro per discutere le scelte progettuali effettuate nella risoluzione di un problema circuitale. A tale scopo, durante le ore di laboratorio, gli studenti saranno divisi in piccoli gruppi per affinare la capacità di lavorare in gruppo. La stesura dell’elaborato finale e l’esame orale consentiranno di perfezionare il linguaggio tecnico e le capacità comunicative.

Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze di elettronica analogica attraverso l’approfondimento dei testi di riferimento, la lettura di articoli su riviste scientifiche specializzate e gli spunti offerti dalle attività seminariali organizzate all’interno dell’insegnamento. 

L'insegnamento prevede 87 ore di lezioni frontali (42 ore di lezioni teoriche, 30 ore di esercitazioni e 15 ore di laboratorio) affiancate da ulteriori 30 ore di tutorato. Le attività pratiche saranno incentrate sull'utilizzo dell'ambiente di simulazione Cadence e sullo 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. L'insegnamento includerà anche uno o più 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 sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente 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 il 70% delle ore previste non potranno svolgere l'elaborato progettuale e 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 Cadence Design Environment

Design of electronic circuits by means of Cadence

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

L’apprendimento viene verificato attraverso l'esame finale. 

Esclusivamente per gli appelli della prima sessione (sessione invernale), l'esame finale consiste in un colloquio orale preceduto dalla valutazione di un elaborato progettuale. 

Per gli appelli di tutte le altre sessioni, l'esame finale consiste in un colloquio orale preceduto da una prova scritta della durata di 2 ore. Questa stessa modalità, indipendentemente dal periodo dell'appello, si applicherà anche agli studenti che non hanno frequentato le lezioni di laboratorio per almeno il 70% delle ore previste e agli studenti che hanno ottenuto un giudizio negativo nella valutazione dell'elaborato progettuale o che non l'hanno consegnato entro i termini previsti.

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:

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 della sessione invernale. 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) o sul canale Teams dell'insegnamento in tempo utile per sostenere il colloquio orale. 

La prova scritta, di durata pari a 2 ore, viene svolta prima del colloquio orale ed è obbligatoria per tutti gli appelli che si svolgono al di fuori della prima sessione d'esame (sessione invernale). È altresì obbligatoria per gli studenti che non hanno frequentato le lezioni di laboratorio per almeno il 70% delle ore previste e per gli studenti che hanno ottenuto un giudizio negativo nella valutazione dell'elaborato progettuale o che non l'hanno consegnato entro i termini previsti. 

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 terrà 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) o sul canale Teams dell'insegnamento, 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.

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.

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.