Insegnamento PROGETTAZIONE DI CIRCUITI INTEGRATI RF CON LABORATORIO
- Corso
- Ingegneria elettronica per l'internet-of-things
- Codice insegnamento
- A001075
- Curriculum
- Comune a tutti i curricula
- Docente
- Federico Alimenti
- Docenti
-
- Federico Alimenti
- Ore
- 80 ore - Federico Alimenti
- CFU
- 9
- Regolamento
- Coorte 2021
- Erogato
- 2022/23
- Attività
- Caratterizzante
- Ambito
- Ingegneria elettronica
- Settore
- ING-INF/01
- Tipo insegnamento
- Obbligatorio (Required)
- Tipo attività
- Attività formativa monodisciplinare
- Lingua insegnamento
- ITALIANO
- Contenuti
- L'insegnamento tratta della progettazione di circuiti integrati RF in tecnologie CMOS e BiCMOS avanzate. Verranno descritti: i transistori a microonde, il funzionamento sotto soglia del MOSFET, gli amplificatori a basso rumore e di potenza, gli oscillatori e i mixer. Saranno proposti: modelli teorici, equazioni di base, metodi di progetto ed esempi al CAD.
- Testi di riferimento
- [1] S. Voinigescu, "High-Frequency Integrated Circuits," Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-87302-4
[2] T.H. Lee, "The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits," Cambridge University Press, ISBN 0-521-63922-0 - Obiettivi formativi
- In questo insegnamento vengono presentati concetti fondamentali nell'ambito dell'ingegneria elettronica quali: amplificatori RF (incluso il rumore e le nonlinearità), mixer e oscillatori. Tutti gli argomenti vengono trattati partendo dalla teoria dei circuiti elettrici e fornendo competenze sia in termini di analisi sia in termini di progettazione.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
1) Conoscere il funzionamento di amplificatori, oscillatori, mixer e delle principali metodologie di analisi.
2) Conoscere elementi della teoria del rumore delle reti a due porte dal punto di vista elettrico.
3) Conoscere le principali tecnologie del silicio (CMOS e BiCMOS) e come queste sono impiegate nei front-end radio.
Le principali abilità saranno:
a) Saper identificare le specifiche e i vincoli di progetto che determinano il dimensionamento dei circuiti elettronici a microonde.
b) Saper analizzare e progettare i principali building-block attivi a microonde.
c) Saper utilizzare un CAD di simulazione RF (EDA software). - Prerequisiti
- Per comprendere e saper applicare le tecniche descritte nell'insegnamento è necessario aver sostenuto con successo gli esami di area elettronica della triennale e l'esame di teoria dei circuiti. Inoltre, alcuni argomenti del programma richiedono la conoscenza delle serie di Fourier e le capacità di base dell'analisi matematica. Tali prerequisiti sono indispensabili per lo studente che voglia seguire l'insegnamento con profitto.
- Metodi didattici
- L'insegnamento è organizzato nel modo seguente:
1) lezioni frontali (teoria e metodi di progetto);
2) lezioni frontali a carattere seminariale (software CAD, ADS, Cadence, nuove technologie);
3) esercitazioni di laboratorio.
In particolare le esercitazioni di laboratorio saranno relative alla simulazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di circuiti attivi ad alta frequenza (amplificatori di segnale, oscillatori, convertitori di frequenza, etc.). Gli studenti, inoltre, verranno introdotti all'utilizzo di strumentazione RF di base (generatori di segnale, generatore tracking, analizzatore di spettro, analizzatore di rete vettoriale). - Altre informazioni
- La frequenza delle lezioni è raccomandata.
Sede: Dipartimento d'Ingegneria, via G. Duranti 93, Perugia. Aule delle lezioni in accordo con l’orario del corso di studi.
Ricevimento degli studenti presso Il Dipartimento d’Ingegneria, studio del docente. Orario: Lunedì 9-13; Martedì 9-13. - Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame prevede una prova orale e/o l'esposizione di un elaborato tecnico prodotto in modo autonomo o in gruppo.
La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici, metodologici e applicativi indicati nel programma. La prova consiste in tre domande e nei relativi approfondimenti e consentirà inoltre di verificare la capacità di comunicazione e la proprietà di linguaggio dell'allievo.
L'esposizione dell'elaborato tecnico consiste nella discussione di un caso di studio proposto dal docente e tipicamente basato sulla progettazione di circuiti elettronici RF mediante CAD (ADS, Cadence). L'elaborato tecnico sconta pare della prova orale (due domande su tre). La discussione può avvalersi di slides (circa 10) e prevedere la richiesta di approfondimenti teorici e di chiarimenti di dettaglio da parte dei membri della commissione. Durante tale prova verranno valutate le conoscenze tecniche e la comprensione della materia da parte dell'allievo, la capacità di applicare le competenze acquisite e di sviluppare soluzioni originali, la proprietà di linguaggio e di sintesi. - Programma esteso
- Transistor e componenti passivi per microonde integrati su silicio. Modello a piccolo segnale; capacità interne; effetti di package. Matrice ammettenza (calcolo). Frequenza di transizione (fT) e sua dipendenza dalla polarizzazione. Ammettenza d'ingresso e d'uscita. Adattamento coniugato simultaneo. Stabilità, caso dell'amplificatore a carico risonante. Circonferenze di stabilità e criterio di stabilità. Potenze e guadagni di potenza (definizioni), circonferenze a guadagno costante. Massima frequenza d'oscillazione (fmax) e sua dipendenza dalla polarizzazione. Criterio dell'invarianza di fT e fmax rispetto alla tecnologia per una fissata densità di corrente (current-density invariance - Voinigescu). Componenti passivi per RF. Induttori integrati e modelli circuitali; fattore di merito; elementi parassiti. Trasformatori integrati e modelli circuitali; fattore di accoppiamento. Resistori e condensatori integrati: dimensionamento. Cifra di rumore di un transistore RF. Modelli di rumore dei BJT e dei MOSFET. Cifra di rumore. Formula per il calcolo della cifra di rumore di un sistema. Cifra di rumore minima e impedenza di sorgente ottima. Circonferenze a cifra di rumore costante. Amplificatori di segnale. Spostamenti sulla carta di Smith. Reti di adattamento a L e a pi-greco (costanti concentrate). Richiami sulle reti di adattamento a costanti distribuite. Amplificatori a basso rumore (LNA). Tecnica del noise matching e degenerazione induttiva di emettitore. Progettazione di LNA in configurazione cascode. Amplificatori a larga banda (gain-block). Tecnica del feedback resistivo. Progettazione di gain-block con HBT in configurazione darlington. Amplificatori di potenza (PA). Sistemi non lineari. Introduzione alla serie di potenze e alla serie di Volterra. Richiami su: punto di compressione a 1dB, intermodulazione del terzo ordine, IIP3, stima di IM3 nota IIP3 e Pin, dinamica libera da spurie (SFDR). Amplificatori in classe A, in classe AB e in classe B; terminazioni armoniche; dynamic load-line. Scelta del punto di riposo e dimensionamento del transistore. Metodo di Cripps ed effetto delle capacità interne. Load-pull e stima dell'impedenza d'uscita ottima. Oscillatori. Criteri di innesco delle oscillazioni; saturazione e stabilizzazione dell'ampiezza. Oscillatori a tre punti, configurazioni base; analisi topologica. Analisi dell'oscillatore di Colpitts. Oscillatori controllati in tensione (VCO); varactor; legge di tuning. Oscillatori differenziali. Il rumore negli oscillatori. Il rumore 1/f. Il rumore di fase e la formula di Leeson. Mixer e detector. Mixer doppiamente bilanciati a cella di Gilbert. Mixer a diodi semplicemente e doppiamente bilanciati. Progettazione dei mixer a cella di Gilbert in tecnologia bipolare e CMOS. Cifra di rumore di un mixer. Building-blocks low-power per tag RFID. Funzionamento del MOSFET sotto-soglia e circuiti elementari. Architettura e circuiti di un tag RFID integrato: rettificatore, detector, modulatore di back-scattering, duplicatore di frequenza.