Analóg integrált elektronikai tervezés

A tantárgy angol neve: Analog Integrated Electronics Design

Adatlap utolsó módosítása: 2018. március 14.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Villamosmérnöki Szak

Szabadon választható tárgy

Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIEEAV17   2/2/0/v 4  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Ress Sándor László, Elektronikus Eszközök Tanszéke
4. A tantárgy előadója

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Takács Gábor

egyetemi tanársegéd

Elektronikus Eszközök Tsz.

Dr. Szalai Albin

analóg IC tervező mérnök

Silicon Laboratories Hungary Kft.

Dr. Gärtner Péter

c. egyetemi docens

Elektronikus Eszközök Tsz.

Dr. Ress Sándor

egyetemi docens

Elektronikus Eszközök Tsz.

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

Alapszintű villamosságtan és elektronikai ismeretek.

6. Előtanulmányi rend
Ajánlott:

Elektronika 1 (VIHIAB02)

Mikroelektronika (VIEEAB00)

7. A tantárgy célkitűzése

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.

8. A tantárgy részletes tematikája

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

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

Heti 2 óra előadás és 2 óra gyakorlat.

10. Követelmények

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

11. Pótlási lehetőségek

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.

12. Konzultációs lehetőségek

Az előadóval történt egyeztetést követően folyamatos.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom
  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
14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra

56

Készülés előadásokra

6

Készülés gyakorlatokra

14

Készülés laborra

0

Készülés zárthelyire

0

Házi feladat elkészítése

10

Önálló tananyag-feldolgozás

0

Vizsgafelkészülés

34

Összesen

120

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Takács Gábor

egyetemi tanársegéd

Elektronikus Eszközök Tsz.

Dr. Szalai Albin

analóg IC tervező mérnök

Silicon Laboratories Hungary Kft.

Dr. Gärtner Péter

c. egyetemi docens

Elektronikus Eszközök Tsz.

Dr. Ress Sándor

egyetemi docens

Elektronikus Eszközök Tsz.