ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| PROGETTAZIONE MIXED SIGNAL | ING-INF/01 | LEZIONI | 90 |
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Lo studente che completa il corso con successo acquisirà la capacità di progettare circuiti analogici integrati avanzati, tenendo conto delle specifiche più frequenti, quali il rumore, l’offset il range dinamico e il prodotto guadagno-banda. Lo studente imparerà a modellare sistemi complessi per l’acquisizione di dati da sensori, allo scopo di stabilire le specifiche dei principali blocchi costituenti, dal sensore stesso fino ai convertitori analogico digitali. Lo studente svilupperà una combinazione di abilità intuitive e rigorose, combinazione che è universalmente riconosciuta come la base necessaria per l’analisi e la progettazione di circuiti mixed signal innovativi. Lo studente apprenderà inoltre la capacità di scegliere la migliore topologia e architettura circuitale che permette di svolgere in modo ottimale l’amplificazione, l’elaborazione e la conversione di segnali analogici.
The student who successfully completes the course will have the ability to design advanced analog integrated circuits, taking into account the most frequent specifications, such as noise, offset, dynamic range and unity gain bandwidth. The student will learn how to model complex data acquisition systems in order to set-up the specifications for the main functional blocks involved, from the sensor to the digital-to-analog converters. The student will develop a combination of intuitive and rigorous capabilities, which is universally recognized as the necessary background for analyzing and designing complex and innovative mixed signal circuits. In terms of specific knowledge, the students will get aware of the main analog and mixed signal architectures, gaining the competence of choosing the optimal solution in most application scenarios.
Durante l’esame orale, lo studente deve essere in grado di dimostrare la sua capacità di organizzare il progetto di un circuito integrato analogico a livello di dimensionamento di transistori. Lo studente deve essere in grado di applicare le tecniche di progetto acquisite a semplici blocchi circuitali proposti dal docente nell’arco del corso. Lo studente deve essere in grado di descrivere le principali topologie e metodologie che possono essere utilizzate per l’implementazione di circuiti analogici fondamentali e convertitori analogico-digitali in versione completamente integrata.
Metodo:
During the oral exam, the student must be able to demonstrate his/her capability of managing the design of an analog integrated circuit from a transistor level perspective. The student will need to be able to apply the techniques exposed in the course to simple analog block proposed by the teacher. The student must show to know the most important architectures and approaches that can be used to implement basic analog and data conversion functions in fully integrated systems.
Methods:
Lo studente sarà in grado di progettare semplici amplificatori operazionali CMOS, partendo da specifiche realistiche.
Lo studente sarà in grado di applicare alcune regole universali al dimensionamento di blocchi circuitali di larghissima diffusione.
Lo studente sarà in grado di modellare e progettare efficaci AFE (“analog front-end”) per l’interfacciamento delle principali tipologie di sensori.
The student will be able to design a simple operational amplifier starting from realistic specifications.
The student will be able to apply simple universal rules to the design of most frequently used analog blocks.
The student will be able to design effective Analog Front-Ends for sensor interfacing.
Durante le lezioni sperimentali, lo studente sarà chiamato a progettare blocchi analogici (amplificatori operazionali “sigle-ended” e “fully-differential”, sistemi a condensatori commutati) e ad utilizzare il simulatore LTSpice (disponibile gratuitamente) per verificare la correttezza del dimensionamento teorico.
During laboratory lectures, the student will design analog blocks (operational amplifiers, fully-differential amplifiers, switched capacitor systems) and will use the free Design Tool "LTSPICE" to check if the result of theoretical work meets the specifications.
Lo studente imparerà come suddividere un sistema di acquisizione dati in blocchi semplici ed omogenei allo scopo di attuare strategie di ottimizzazione locale mirate a massimizzare l’accuratezza complessiva del sistema.
Lo studente imparerà ad analizzare sistemi complessi con un approccio gerarchico, individuando gli aspetti critici sia a livello di sistema, sia a livello di dispositivo.
The students will learn how to partition a data acquisition system in order to optimize the single components for maximum accuracy.
The student will learn to analyze complex system in a hierarchical way and recognize the critical aspects at both system level and transistor level.
Durante le lezioni teoriche gli studenti verranno periodicamente stimolati a proporre le loro soluzioni ai problemi, allo scopo di verificare se hanno veramente acquisito la capacità di attuare le corrette scelte progettuali.
Durante le lezioni pratiche, gli studenti verranno invitati a esaminare alcuni esempi particolari di sistemi di acquisizione e a valutare gli effetti dei singoli componenti sulla accuratezza globale.
During the theoretical lectures, the students will be regularly stimulated to propose their solution to problems in order to check if they have really gained the ability to make the right design choices.
During the practical lectures, the student will be invited to examine a few cases of data acquisition systems and find the effects of the single components on the overall accuracy.
Lo studente deve possedere una conoscenza di base dei principali blocchi elementari utilizzati per la sintesi di circuiti analogici, quali specchi di corrente e coppie differenziali.
Lo studente dovrà avere familiarità con i modelli dei dispositivi elettronici di maggior diffusione (MOSFET e transistori bipolari)
Lo studente dovrà essere in grado di effettuare analisi di piccolo e grande segnale su circuiti elettronici elementari.
The student should be familiar with elementary integrated analog blocks, such as current mirrors and differential pairs.
The sudent should be familiar with basic models of bipolar transistor and MOSFETS.
The student should be able to analyze basic analog block in terms of small and large signals.
Attività di apprendimento:
Frequenza: fortemente consigliata ma non obbligatoria
Metodi di insegnamento:
Erogazione di lezioni ed esercitazioni sperimentali da parte del docente in presenza degli studenti.
Erogazione: didattica frontale.
Learning activities:
Attendance: Advised
Teaching methods:
Delivery: face to face
Il programma corso è diviso in tre parte principali che vengono svolte con parziale sovrapposizione temporale. Nella prima parte vengono analizzati i sistemi di acquisizione di dati da sensori, seguendo una visione sistemistica, introducendo i parametri prestazionali più importanti. Sempre in questa parte vengono introdotti brevemente gli strumenti di modellazione dei sistemi (Simulink, linguaggi HDL-AMS).
Nella seconda parte vengono introdotte efficaci metodologie per la progettazione a livello di dispositivo (“transistor-level”) di circuiti analogici di largo impiego: amplificatori operazionali “single-ended” e “fully-differential”, OTA (operational transconductance amplifier) lineari e comparatori.
Nella terza parte vengono introdotti importanti architetture e metologie utilizzate per l’implementazione di funzionalità analogiche di vastissimo impiego, quali sistemi per la cancellazione dell’offset e del rumore flicker (“auto-zerp”, “correlated double sampling” e modulazione chopper), interfacce per sensori, filtri tempo continui (Gm-C) e tempo-discreti (a condensatori commutati), convertitori analogico-digitali e digitale-analogici ad alter prestazioni (per esempio, convertitore delta-sigma).
Le lezioni comprendono anche dimostrazione di alcuni aspetti progettuali mediante simulazione elettrica e misure effettuate su prototipi sperimentali.
The course is divided into three main parts, which are carried out in partially overlapping periods.
Part. 1: Fundamentals and key parameters of data acquisition systems. Sensors and sensor interfaces. Analog - Mixed Signal Hardware description languages (VHDL-AMS).
Part. 2 Advanced transistor-level analog circuit design. Design of operational amplifiers with realistic specifications. Fully-differential operational amplifiers. Linear Operational Transconductance Amplifiers (OTAs), comparators.
Part. 3. Architectures: Switched capacitor amplifiers and filters. Dynamic offset and flicker noise reduction techniques (Autozero, Correlated Double Sampling, chopper modulation). Time continuous Gm-C filters, DA and AD advanced converters. Lectures includes demonstration of selected topics by means of electrical simulations (Spice) and experimental set-ups.
Il materiale didattico è integralmente fornito dal docente e distribuito gratuitamente attraverso il sito web del docente stesso, al link: http://docenti.ing.unipi.it/~a008309/mat_stud/MIXED/ . Il link dà accesso ad una serie di directory denominate secondo l’anno in cui è stato tenuto il corso. Per esempio, la cartella “2017” contiene il materiale coerente con gli argomenti svolti nel 2017. Ogni cartella contiene un file “indice.pdf” che descrive i vari documenti, distinti in obbligatori ed opzionali. Il materiale, completamente in Inglese, copre tutto il contenuto del corso.
Recommended reading includes materials produced by the teacher and freely distributed through the teachers's webpage (http://docenti.ing.unipi.it/~a008309/mat_stud/MIXED/). The link gives access to several directory which are named as the year the material refer to. For example, the material related to the course given in 2017 will be named “2017”. Each directory includes a file “indice.pdf” with a description of the material, divided into mandatory and optional subjects. The documents are in English and cover all the content of the course.
Il programma è lo stesso per studenti frequentanti e non frequentanti. Gli studenti non frequentanti possono trovare materiale gratuito che copre tutto il programma del corso nella pagina web indicata dal docente.
The program is the same for attending and non-attending students. Non-attending students can find free materials that covers all the subjects exposed during the lectures in the webpage indicated by the teacher.
Gli esami consistono di una singola sessione orale.
Ogni esame orale consta di due parti, della durata di circa 25 minuti ciascuna. Nella prima parte lo studente affronta un problema di progettazione a livello di dispositivo (transistor-level). Nella seconda parte, allo studente viene richiesto di illustrare l’architettura e il funzionamento di un circuito integrato analogico o mixed signal con un grado di astrazione sistemistico.
Durante entrambe le due parti dell’esame lo studente viene frequentemente interrotto ed interrogato su singole problematiche allo scopo di valutare se ha acquisito realmente la padronanza delle metodologie esposte nel corso.
The exam consists in a single oral session.
Each oral test is divided into two parts, of nearly 25 minutes each. In the first part, the student will be asked to perform transistor-level analysis or design of a simple analog block. In the second part the student will be asked to provide a system-level description of an analog or mixed signal integrated circuit (e.g. a delta-sigma converter).
During each part the student will be queried in order to determine how he/she is really mastering the methods exposed in the course.
