ECTS - University of Pisa
Il corso si propone di guidare lo studente alla progettazione avanzata di circuiti integrati a radiofrequenza e microonde per applicazioni terminali mobili wireless, monitoraggio di funzioni vitali, RADAR a bassa potenza ecc. A tal fine, dopo alcuni approfondimenti relativi alla progettazione integrata dei blocchi principali (LNA, Mixer, Oscillatore, filtri etc), gli strumenti CAD più avanzati verranno presentati dal docente e utilizzati direttamente dagli studenti per progettare e simulare i principali blocchi del front end a radiofrequenza. Oltre alla simulazione a livello di circuito, verranno presentati anche alcuni esempi di SoC RF con riferimento a realizzazioni presenti in letteratura e/o esistenti sul mercato.
The course aims to guide the student to the advanced design of radiofrequency and microwave integrated circuits for consumer applications, mobile terminals, healthcare, low-power RADARs, etc. To this end, after some in-depth studies relating to the integrated design of the main blocks (LNA, Mixer, Oscillator, filters, etc.), the most advanced CAD tools will be presented by the teacher and used directly by the students to design and simulate the main blocks of the radio frequency front. . In addition to the simulation at the circuit level, some examples of RF SoCs will also be presented with reference to realizations present in the literature and / or existing on the market.
Nella prova orale verrà valutata la capacità dello studente di esporre correttamente i principali argomenti presentati durante il corso. E' prevista la presentazione di una relazione relativa ad un progetto assegnato alla fine del corso a ciascuno studente, nel corso della quale lo studente deve dimostrare la capacità di utilizzare uno specifico strumento CAD (ADS) per la progettazione e la simulazione RFIC.
Metodi:
Valutazione della relazione 33%
Discussione sulla relazione 33%
Domanda orale 33%
In the oral exam the student's ability to explain correctly the main topics presented during the course will be assessed. In the laboratory report the student must demonstrate the ability to utilize a specific CAD tool (ADS) for RFIC design and simulation.
Methods:
Final oral exam
Laboratory report
Further information:
33% Laboratory Report (CAD design and simulation + report); 67% Oral exam
Oltre ad approfondire la sua conoscenza delle potenzialità e dell problematice specifiche della progettazione interata, lo studente imparerà ad utilizzare l'ambiente CAD ADS (Advanced Design System) nel progetto, a partire dalle specifiche di sistema, di tutti i blocchi di un front end radio.
The student will learn to use the CAD ADS (Advanced Design System) environment in the project, starting from the system specifications, of all the blocks of a radio front end.
Progetto su ADS di una cella RF con annessa relazione , discussione e domanda su un argomento del corso
Design with ADS of an RF cell with technical report
Lo studente imparerà l'utilizzo appropriato del CAD bilanciato dalla capacità di effettuare un dimensionamento di massima con strumenti tradizionali dal quale partire per l'ottimizzazione mediante il simulatore.
The student will learn the appropriate use of CAD balanced by the ability to carry out a rough sizing from which to start for optimization using the simulator.
Discussione finale del progetto e della relazione
Final discussion of design and report
E' essenziale aver seguito con attenzione il corso di Elettronica delle Telecomunicazioni, anche se non è stato posto un blocco formale. E' consigliato aver seguito anche il corso di Elettronica Analogica.
It is essential to have carefully followed the Telecommunication Electronics course, even if no formal block has been placed. It is advisable to have also followed the Analog Electronics course.
Nessuno
None
Nessuno
None
Lezioni ed esercitazioni in aula in presenza. La lezione si sviluppa alla lavagna senza l'utilizzo di schemi predefiniti e slide in maniera interattiva e tenendo conto degli interventi degli studenti.
Metodo di insegnmento:
Lezioni, esercitazioni numeriche, laboratorio CAD
Lectures and exercises in the classroom in the presence. The lesson is developed on the blackboard without the use of predefined schemes and slides in an interactive way and taking into account the interventions of the students.
Teaching methods:
Il corso è costituito da due moduli gestiti dai Proff. Bruno Neri, Daniele Rossi e dall'Ing. Gabriele Ciarpi
1. Principi di progettazione di front end integrati a radiofrequenza (B.Neri).
Rumore e dinamica: SNR e BER, Minimum Dynamic Sygnal e Maximum Dynamic range. Budget di potenza, equazione del collegamento, SNR, BER e raggio di copertura. Distorsioni da intermodulazioni del terzo ordine: definizione, setting di misura, rapporto con punto di compressione a 1 dB, esempio di misura con analizzatore di spettro. LNA a BJT con matching integrato: dal circuito di Giacoletto alla cifra di rumore, impedenza ottima per il rumore, scelta del punto di riposo e dell’area attiva, massimizzazione del guadagno a 50 Ohm. LNA cascode. Confronto tra configurazione differenziale e single ended. Richiami sul MOS a canale corto. Circuito equivalente per il rumore alle alte frequenze. Verso il matching integrato. Confronto dal punto di vista della cifra di rumore tra diverse configurazioni. Metodo di T.H. Lee per la ricerca della soluzione ottima condizionata al budget di potenza. Mixer integrati: Guadagno di conversione della cella di Gilbert a MOS con adattamento a 50 Ohm dell'ingresso RF. Mixer a MOS a commutazione. Oscillatori integrati a filtro risonante e ad anello e controllo della frequenza di oscillazione. Introduzione al rumore di fase da un punto di vista fenomenologico e sua misura mediante analizzatore di spettro. Estrazione del rumore di fase di un VCO mediante un PLL. Approccio classico, tempo invariante, al rumore di fase e discrepanze con le osservazioni sperimentali. Il modello tempo variante di Hajimiri, la Impulse Sensitivity Function e sua definizione, applicazioni al calcolo della componente 1/f2 e 1/f3. Rumore ciclostazionario e confronto tra oscillatore a filtro risonante e ad anello di fase. Effetto del sistema di regolazione dell'ampiezza sullo spettro del rumore in uscita ad un oscillatore. Phase Frequency Detector e sua superiorità nell'ultilizzo con il PLL nella fase di aggancio (frequenza di riferimento e frequenza di uscita al VCO differenti). La soluzione a charge pump e sua realizzazione in tecnologia integrata. Il problema della dead zone e relativi rimedi. Effetto della divisione per N sul rumore di fase del PLL. Pll N frazionale. Dual modulus prescaler e suo utilizzo nel PLL N frazionale. Il Direct Digital Syntetizer come modulatore universale. L'utilizzo come sintetizzatore di frequenza nel confronto col PLL. Amplificatori di Potenza: impedenza di massima potenza, efficienza, load pull, distorsioni. System on Chip a RF. RADAR low power integrati.
Presentazione del programma del laboratorio del corso. Blocchi principali di un sistema RF e relativi parametri di merito. Flusso di progetto di un circuito integrato RF. Ruolo dello strumento di simulazione nell’esplorazione dello spazio di progetto. Inadeguatezza degli algoritmi classici di simulazione, come SPICE. Peculiarità e requisiti per la simulazione di RFIC. Proprietà degli algoritmi di simulazione Periodic Steady State Analysis. Cenni al funzionamento degli algoritmi Shooting Method e Harmonic Balance. Presentazione del design-kit IHP SG25H4 (0,25 µm HBT BiCMOS). Introduzione all’uso del CAD ADS. Esempio guidato relativo alla simulazione delle caratteristiche statiche e all’analisi ai piccoli segnali di un transistore NMOS. Caratterizzazione del transistore bipolare in configurazione emettitore comune. Analisi AC e SP per la valutazione delle caratteristiche dinamiche e di rumore del transistore. Progettazione di un LNA bipolare in configurazione cascode: circuito di polarizzazione, applicazione della tecnica del matching integrato in ingresso, guadagno di trasduttore, analisi delle non linearità (punto di compressione a 1-dB, punto di intercetta del terzo ordine). Progettazione di un LNA CMOS in configurazione cascode: richiami sul metodo di Lee per dimensionare le dimensioni dei transitori, circuito di polarizzazione, applicazione della tecnica del matching integrato in ingresso, guadagno di trasduttore, analisi delle non linearità (punto di compressione a 1-dB, punto di intercetta del terzo ordine). Implementazione e simulazione di un Mixer a cella di Gilbert doppiamente bilanciato in tecnologia bipolare: punto di lavoro, impedenze viste alle tre porte RF, OL e IF, guadagno di conversione, analisi delle non linearità (punto di compressione a 1 dB, valutazione della cifra di rumore nel circuito realizzato tramite analisi di rumore non lineare, valutazione dell’intercetta del terzo odine). Estrazione della ISF del metodo Hajimiri per il calcolo del rumore di fase. Simulazione di Power Amplifier col metodo Load Pull. Simulazione a blocchi di un RADAR integrato low power.
The course consists of two modules managed by Profs. Bruno Neri, Daniele Rossi and Dr. Gabriele Ciarpi
1. Design principles of integrated radio frequency front ends (B. Neri).
Noise and dynamics: SNR and BER, Minimum Dynamic Sygnal and Maximum Dynamic range. Power budget, link equation, SNR, BER and coverage range. Distortions from third order intermodulations: definition, measurement setting, ratio with compression point at 1 dB, example of measurement with spectrum analyzer. BJT LNA with integrated matching: from the Giacoletto circuit to the noise figure, excellent impedance for noise, choice of the resting point and active area, maximization of gain at 50 Ohm. LNA cascode. Comparison between differential and single ended configuration. Review of short channel MOS. Equivalent circuit for high frequency noise. Towards integrated matching. Comparison from the point of view of the noise figure between different configurations. Method of T.H. Lee for the research of the optimal solution conditioned to the power budget. Integrated mixers: Gilbert cell to MOS conversion gain with 50 Ohm matching of the RF input. Switching MOS mixer. Integrated resonant and ring filter oscillators and oscillation frequency control. Introduction to phase noise from a phenomenological point of view and its measurement using a spectrum analyzer. Phase noise extraction of a VCO by means of a PLL. Classical approach, time invariant, to phase noise and discrepancies with experimental observations. Hajimiri's time variant model, the Impulse Sensitivity Function and its definition, applications to the calculation of the 1 / f2 and 1 / f3 component. Cyclostationary noise and comparison between resonant filter and phase ring oscillator. Effect of the amplitude regulation system on the noise spectrum at the output of an oscillator. Phase Frequency Detector and its superiority in the use with the PLL in the locking phase (different reference frequency and output frequency to the VCO). The charge pump solution and its implementation in integrated technology. The problem of the dead zone and its remedies. Effect of division by N on the phase noise of the PLL. Fractional Pll N. Dual modulus prescaler and its use in the fractional N PLL. The Direct Digital Syntetizer as a universal modulator. The use as a frequency synthesizer in comparison with the PLL. Power Amplifiers: maximum power impedance, efficiency, load pull, distortions. RF System on Chip. Integrated low power RADARs. Microstrip filters and microwave circuit layout simulation.
ADS environment and radio frequency front end circuit simulation (D. Rossi, G.Ciarpi)
Presentation of the workshop program of the course. Main blocks of an RF system and related parameters of merit. Design flow of an RF integrated circuit. Role of the simulation tool in the exploration of the project space. Inadequacy of classical simulation algorithms, such as SPICE. Peculiarities and requirements for simulating RFIC. Properties of Periodic Steady State Analysis simulation algorithms. Introduction to the functioning of the Shooting Method and Harmonic Balance algorithms. Presentation of the IHP SG25H4 (0.25 µm HBT BiCMOS) design kit. Introduction to the use of CAD ADS. Guided example relating to the simulation of the static characteristics and to the small-signal analysis of an NMOS transistor. Characterization of the bipolar transistor in common emitter configuration. AC and SP analysis for the evaluation of the dynamic and noise characteristics of the transistor. Design of a bipolar LNA in cascode configuration: polarization circuit, application of the integrated matching technique at the input, transducer gain, non-linearity analysis (compression point at 1-dB, third-order intercept point). Design of a CMOS LNA in cascode configuration: recalls on Lee's method for dimensioning transients, bias circuit, application of the integrated input matching technique, transducer gain, non-linearity analysis (compression point at 1-dB , third-order intercept point). Implementation and simulation of a double balanced Gilbert cell mixer in bipolar technology: working point, impedances seen at the three RF, OL and IF ports, conversion gain, non-linearity analysis (compression point at 1 dB, digit evaluation of noise in the circuit realized through non-linear noise analysis, evaluation of the third order intercept). ISF extraction of the Hajimiri method for the calculation of phase noise. Power Amplifier simulation with the Load Pull method. Block simulation of an integrated low power RADAR.
Sono consigliati per consultazione i seguenti testi reperibili in Biblioteca
Thomas H.Lee "The Design of CMOS Radiofrequency Integrated Circuits", Cambridge University Press, Second Edition, 2004
Behzad Razavi "RF Microelectronics" II Edition, Prentice Hall
Sorin Voinigescu "High Frequerncy Integrated Circuits" Cambridge University Press
The following textbooks available at Polo Bibliotecario di Ingegneria are recommended:
Thomas H.Lee "The Design of CMOS Radiofrequency Integrated Circuits", Cambridge University Press, Second Edition, 2004
Behzad Razavi "RF Microelectronics" II Edition, Prentice Hall
Sorin Voinigescu "High Frequerncy Integrated Circuits" Cambridge University Press
E' possibile seguire le lezioni dell'anno 2020/21 disponibili online. Gli studenti sono invitati a contattare il docente prima di iniziare la preparazione dell'esame.
It is possible to follow the lessons of the previous year available online. Students are advised to contact the teacher before starting exam preparation.
Nella prova orale verrà valutata la capacità dello studente di esporre correttamente i principali argomenti presentati durante il corso. Nella relazione di laboratorio lo studente deve dimostrare la capacità di utilizzare uno specifico strumento CAD (ADS) per la progettazione e la simulazione RFIC.
Metodi:
Esame orale finale
Rapporto di laboratorio
Ulteriori informazioni:
33% Report di Laboratorio (progettazione e simulazione CAD + report); 67% Esame orale
In the oral exam the student's ability to explain correctly the main topics presented during the course will be assessed. In the laboratory report the student must demonstrate the ability to utilize a specific CAD tool (ADS) for RFIC design and simulation.
Methods:
Final oral exam
Laboratory report
Further information:
33% Laboratory Report (CAD design and simulation + report); 67% Oral exam
Nessuno
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