Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Alapszintű villamosságtan és elektronikai ismeretek.

A tantárgy célkitűzése az analóg integrált áramköri elektronikai tervezés bemutatása, a szükséges eszközfizikai és áramköri ismeretek alkalmazásorientált átadása, esettanulmányokkal demonstrálva. A tárgy az alapozó villamosmérnöki tantárgyak (Elektronika 1, Elektronika 2, Mikroelektronika) során megszerzett ismereteknek a mai modern integráltáramköri tervezés gyakorlatára fókuszáló elmélyítését célozza meg. E szemlélet mentén a jelen tantárgy szisztematikusan tárgyalja az egyes jellegzetes analóg áramköri blokkokra vonatkozó ismereteket, egységes egésszé szintetizálva az alapozó tárgyak során megszerzett ismereteket. Az itt megszerezhető többlettudás segítségével a hallgatók képessé válnak komplex áramkörök analízisére és gyakorlati megtervezésére. A bemutatott integrált elektronikai ismeretek segítségével magabiztosan képesek lesznek valamennyi analóg IC alkalmazására, adatlapjának értelmezésére, nagyobb diszkrét áramkörös rendszerekbe építésére.

A tantárgy keretén belül megismertetjük a hallgatókat az analóg integrált elektronika alapjaival. A félév elején az eszközfizikai és áramkörszimuláció kérdéseivel foglalkozunk, különös tekintettel a szimuláció modern integrált áramkörökkel kapcsolatos vonatkozásaira. Ezt követően az egyszerűbb egytranzisztoros kapcsolások analízisével és tervezési kérdéseivel ismerkedünk meg, majd az egyre bonyolultabb áramköröket tárgyaljuk, mindvégig figyelembe véve a modern integrált áramköri megvalósítások szempontjait. Foglalkozunk a különböző áramkörök frekvenciatartománybeli viselkedésével, annak tervezésével, majd érintjük az áramkörökben előálló zajok témakörét is. A második nagy témacsoport a visszacsatolt áramkörökkel foglalkozik, ismertetjük az integrált műveleti erősítők tervezését, valamint azok stabilitási és frekvenciakompenzálási kérdéseit, hangsúlyt helyezve az integrált áramkörök tervezésekor kritikus nemlinearitási és mismatch kérdésekre. Kitérünk az oszcillátorok és a lineáris feszültségszabályozók speciális vonatkozásaira, valamint az áramkörök elektrosztatikus kisülések elleni védelemére is.

Heti bontásban:

E - Előadás, Gy - Gyakorlat

1. hét:

E: MOS eszközfizikai alapok: általános megfontolások, áram-feszültség karakterisztika levezetése, a modern integrált áramköri technológiákkal való megvalósítás során jelentkező másodlagos hatások, az IC tervezéskor használt fejlett MOS eszközmodellek,

Gy: Áramkörszimuláció alapjai: Egy analóg integrált áramköri blokk áramkörszimulációjának gyakorlati lépései: A netlista extrakciója, a DC munkapontszámítás konvergenciájának biztosítása, a dinamikus analízis (AC, tranziens) előkészítése, a numerikus analízis stabilitás és pontosság kérdései; a MOS eszközök működésének intuitív megértését segítő feladatok kézi és számítógépes analízise

2. hét:

E: Egyfokozatú (C)MOS erősítők: koncepcionális alapok, földelt source-os fokozat különböző terhelések esetén, source követő, földelt gate-es fokozat, kaszkód fokozat. Az áramköri layout kialakításból származó parazita hatások figyelembe vétele.

Gy: Egyfokozatú erősítők: feladatok kézi és számítógépes analízise

3. hét:

E: Differenciál erősítők: Single-ended és differenciális működés, alap differenciál pár elvi és számszerű analízise, közös módusú válasz, MOS terhelésű differenciál pár. Termikus parazita hatásokat minimalizáló layout kialakítások áttekintése, az elektrotermikus szimuláció jelentősége.

Gy: Differenciál erősítők: feladatok kézi és számítógépes analízise

4. hét:

E: Passzív és aktív áramtükrök: alap áramtükrök, kaszkód áramtükrök, aktív áramtükrök nagy- és kisjelű analízise

Gy: Passzív és aktív áramtükrök: feladatok kézi és számítógépes analízise

5. hét:

E: Erősítők frekvenciatartománybeli válasza: általános megfontolások, Miller-hatás, pólusok csomóponthoz rendelése, egyfokozatú erősítők vizsgálata, differenciál pár vizsgálata. Az áramköri layout kialakításból származó parazita hatások figyelembe vétele, a termikus visszacsatolás hatása a frekvenciatartománybeli viselkedésre.

Gy: Erősítők frekvenciatartománybeli válasza: feladatok kézi és számítógépes analízise 

6. hét:

E: Zajok: zajok statisztikus leírása, zajtípusok, áramkörök zajai, egyfokozatú erősítők vizsgálata, differenciál pár vizsgálata, zajok sávszélessége

Gy: Zajok: feladatok kézi és számítógépes analízise

7. hét:

E: Visszacsatolás, általános megfontolások, topológiák, terhelések hatásai, visszacsatolás zajra gyakorolt hatása

Gy: Visszacsatolás: feladatok kézi és számítógépes analízise

8. hét:

E: Integrált műveleti erősítők: teljesítmény paraméterek, egyfokozatú műveleti erősítők, kétfokozatú műveleti erősítők, Gain Boosting, közös módusú visszacsatolás, bemeneti tartomány korlátai, Slew Rate, tápelnyomás, műveleti erősítők zajai. A common centroid layot kialakítás jelentősége

Gy: Műveleti erősítők: feladatok kézi és számítógépes analízise

9. hét:

E: Stabilitás és frekvenciakompenzálás: többpólusú rendszerek, fázistartalék, frekvenciakompenzálás, kétfokozatú műveleti erősítő kompenzálása

Gy: Stabilitás és frekvenciakompenzálás: feladatok kézi és számítógépes analízise

10. hét:

E: Bandgap referenciák: tápfeszültség független munkapontbeállítás, hőmérséklet független referenciák, PTAT áram előállítása, sebesség- és zajproblémák

Gy: Badgap referenciák: feladatok kézi és számítógépes analízise

11. hét:

E: Nemlinearitás és Mismatch: nemlinearitás differenciális áramkörökben, negatív visszacsatolás hatása nemlinearitásra, kapacitások nemlinearitása, linearizáló technikák, offset kompenzálási módszerek, zaj csökkentése offset kompenzálási módszerekkel

Gy: Nemlinearitás és Mismatch: feladatok kézi és számítógépes analízise

12. hét:

E: Oszcillátorok: alapelvek, ring-oszcillátor, LC-oszcillátorok, feszültségvezérelt oszcillátorok

Gy: Oszcillátorok szimulációs problémái: periodikus állandósult állapot, periodikus zajanalízis, fázis zaj, jitter. Feladatok kézi és számítógépes analízise.

13. hét:

E: Lineáris feszültség szabályozók: fő teljesítmény paraméterek, nyílt hurkú topológiák, zárt hurkú topológiák, áramkorlát

Gy: Esettanulmány

14. hét:

E: Az IC-kben alkalmazott tappancs (pad) áramkörök, az IC-k ESD védelme: ESD modellek, ESD áramút kezelése, primer és szekunder védelem, belső áramkörök közvetlen kapcsolódása a tappancsokhoz, külvilágot detektáló áramkörök, bond option

Gy: Esettanulmány

Heti 2 óra előadás és 2 óra gyakorlat.

a.       Öt kisebb házi feladat (áramkörméretezés és szimuláció) kerül kiadásra a félév során, a Mentor Graphics VLSI IC tervező labor integrált áramkörtervező szoftver eszközeinek segítségével

b.       Az aláírás megszerzésének feltétele: az előadások és a gyakorlatok legalább 70%-án történő megjelenés, valamint az öt kiadott házi feladat közül három elégséges szintű teljesítése

c.       A vizsgaidőszakban vizsga a teljes tananyagból.

d.       A tárgy sikeres teljesítésének feltételei: három elfogadott házi feladat és a vizsga legalább elégséges teljesítése

Az öt házi feladat közül csak három elkészítése szükséges, a többit nem szükséges pótolni. A vizsgát az egyetemi szabályzat szerint lehet ismételni. A jelenlét nem pótolható semmilyen formában.

Az előadóval történt egyeztetést követően folyamatos.

1. Kiadott segédletek elektronikus formában
2. Behzad Razavi - Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001
3. Roubik Gregorian, Gabor C. Temes - Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing, Wiley, 1986
4. Yannis Tsividis, Colin McAndrew - Operation and Modeling of the MOS Transistor, Oxford, 2011