High-Frequency
Integrated Circuits
SORIN VOINIGESCU + materiale sotto forma di slide fornito a lezione dal docente
Obiettivi Formativi
La finalità del corso è quella di introdurre gli studenti alla conoscenza dei blocchi funzionali di base per la realizzazione di sistemi ad alta frequenza sia dal punto di vista della analisi che delle tecniche di progettazione. Il punto di vista sarà principalmente di tipo sistemistico. Il corso partendo dalle architetture dei ricevitori e dei trasmettitori a microonde e a onde millimetriche delinerà le differenti topologie e tecnologie con cui implementare blocci funzionali che li costituiscono
Prerequisiti
Per un corretto comprensione delle tematiche affrontate all'interno del presente corso risulta utile che lo studente abbia conoscenza dei principi di funzionamento dei dispositivi elettronici ad alta frequenza, dei sistemi a microonde e a onde millimetriche e delle principali tecniche di progettazione per circuiti a microonde
Metodi Didattici
Lezioni in aula, Esercitazioni in aula
Illustrazione di esempi di sistemi commerciali
Altre Informazioni
No
Modalità di verifica apprendimento
La verifica finale consta di una prova orale in cui attraverso un approfondita discussione con il docente sarà valutato il livello di confidenza raggiunto negli argomenti proposti a lezione.
Programma del corso
- Classificazione dei circuiti elettronici
- Applicazioni HFIC
- Tipologia Circuiti
- Ricevitori
- Rappresentazione complessa di segnali modulati RF
- Topologia ricevitori
- Ricevitori eterodina
- Ricevitori supereterodina
- Mixer a reiezione di immagine
- Ricevitori a conversione diretta
- Ricevitori Zero IF
- Ricevitori low IF
- Specifiche ricevitori
- Dynamic range
- Rumore
- Fattore di rumore e cifra di rumore
- temperatura di rumore
- Noise floor e sensibilità
- Rumore e BER
- Linearità
- 1dB Compression Point IP3
- Trasmettitori a conversione indiretta
- Trasmettitori a conversione diretta
- Trasmettitori low IF
- Specifiche trasmettitori
- Specifiche trasmettitori
- EIRP
- Parametri reti 2 porte e multiporte
- Coefficiente di riflessione
- Carta di Smith
- Paramtri S due porte e multiporte
- Stabilità delle reti 2 porte
- Analisi stabilità
- Analisi stabilità
- Guadagni di potenza nelle reti 2 porte
- Rappresentazione rumore circuiti RLC
- Rumore nelle reti 2 porte e multiporte
- Rappresentazione del rumore reti multiporte
- Rappresentazione rumore utilizzando Paramtri Z, Y, S
- Rappresentazione rumore reti 2 porte
- Parametri di rumore nelle reti 2 porte
- Differenti approcci progettuali per differenti tipi di circuiti integrati
- Circuiti integrati analogici
- Circuiti integrati a monolitici a microonde
- Circuiti integrati ad alata frequenza
- Tecniche di progettazione dei circuiti
- Progettazione dei circuiti HF IC
- Adattamento di impedenza
- Reti di adattamento
- Adattamento a banda stretta
- Soluzioni analitiche e soluzioni grafiche
- Fattori di qualità e banda di una rete di adattamento
- Adattamento mediante linee di trasmissione
- Adattamento a larga banda: limitazioni
- Introduzione agli stadi amplificatori accordati di tipo CE/CS o Cascode
- Guadagno degli stadi accordati di tipo CE/CS o Cascode
- Stadi CB/CG
- Stadi CE/CS o Cascode con degenerazione induttiva
- Analisi delle stadi CE/CS o Cascode
- Tecnica di massimizzazione della banda
- Massimizzazione della banda in cascate di stadi amplificatori
- Riduzione della capacità di ingresso
- Topologie Ft doubler
- Topologia e principio di funzionamento
- Stadio Cherry Hooper
- Topologia e principio di funzionamento
- Buffering e Size scaling
- Inductive Peacking
- Topologie distribuite
- Architetture differenziali ad alta frequenza
- instabilità nei circuiti differenziali ad Alta Frequenza
- Tecniche per incrementare le performance circuiti differenziali ad alta frequenza
- Amplificatori di potenza
- Parametri fondamentali degli amplificatori di potenza
- Power Added Efficency PAE
- Potenza di Uscita
- Potenza di Ingresso
- Potenza in continua
- Classificazione dei PA
- Principi fondamentali per la progettazione dei PA
- Principi fondamentali per la progettazione dei PA
- Load Pull
- Tecnica del Source Pull
- Forme d'onda di tensione dei PA
- Forme d'onda di tensione PA classe A
- Forme d'onda di tensione PA classe B
- Forme d'onda di tensione PA classe C
- Forme d'onda di tensione PA classe AB
- Forme d'onda di tensione PA classe D
- Analisi processi di fornderia Bi-CMOS
- Famiglia processi SG25
- Descrizione dei differenti processi
- Diagramma della cross section
- Current maximum rating
- Parametri caratteristici dei bipolari dei differenti famiglie
- Modelli dei componenti passivi
- Componente Pad dimensioni caratteristiche
- Dimensioni caratteristiche Edge Seal
- Maschere per la realizzazione degli Insulatede NMOS
- Maschere per la realizzazione degli M-Varicap
- Maschere per la realizzazione degli SVaricap
- Maschere per la realizzazione degli Isolbox
- Cross Section schematica SG25H3
- Cross Section schematica SG25H4
- Regole per la realizzazione delle antenne
- Linee di trasmissione caratteristiche e modelli
- Induttori di differenti tipologie e caratteristiche
- Forme d'onda di tensione PA classe E
- Forme d'onda di tensione PA classe F
- Modulazione lineare dei PA
- Tecniche di miglioramento dell'efficienza dei PA
- Dynamic biasing
- PA subraging
- Envelop tracking
- Amplificatori Doherty
- Tecniche di combinazione della potenza
- Power combiner
- Power combinig mediante l'utilizzo di trasformatori
- Amplificatori a bassa cifra di rumore
- Principi di progettazione LNA
- Obbiettivi di progetto LNA
- Determinazione dei valori dei passivi finalizzato al matching
- LNA massimizzazione del guadagno di potenza
- LNA massimizzazione della linearità
- LNA scalatura progetto per tecnologie superiori
- Metodologia per la progettazione di un LNA basato su CE, CS o cascode.
- Procedura per scalare in frequenza un LNA CMOS
- Procedura di raffinamento della progettazione di LNA a onde millimetriche
- Progettazione di LNA CMOS sottoposti a vincoli di potenza
- CMOS LNA a bassa corrente
- LNA topologie CB e CG
- Reti di polarizzazione a bassa cifra di rumore
- Upconversion mixer
- Downconversion mixer
- Principi di funzionamento di base del moltiplicatore
- Moltiplicatore a FET a diodi a BJT
- Elementi di base del funzionamento dei mixer
- Modellizzazione dei Mixer
- Funzionamento dei mixer in downconversion
- Rumore nei mixer
- Specifiche dei Mixer
- Cifre di merito dei Mixer
- Classificazione dei Mixer
- Topologie dei Mixer
- Mixer a cella di Gilbert
- Analisi dei Mixer a Cella di Gilbert
- Principi di base del funzionamento dei VCO
- Condizioni per le oscillazioni
- Discussione delle condizioni di oscillazione
- Topologie di base per implementazione di una resistenza negativa
- Risuonatori per VCO
- Risunatori LC
- Risuonatori SAW
- Risuonatori dielettrici
- Rumore di Fase
Attività su CAD ADS
- Installazione e settaggi della libreria BiCMOS SGH25
- Caratteristiche della libreria BiCMOS SGH25
- Schematici per la determinazione delle Caratteristiche DC HBT.
- Identificazione dei punti di lavoro in regione attiva.
- Analisi di una struttura differenziale basata su HBT e suo dimensionamento
- Verifica del comportamento in DC della struttura
- Implementazione di un generatore di corrente mediante uno specchio ad HBT.
- Dimensionamento dello specchio di corrente
- Integrazione dello specchio di corrente nella struttura differenziale
- Specchi di corrente basati su PMOS RF
- Polarizzazione di base HBT mediante specchio di corrente a PMOS
- Dimensionamento e verifica delle performance in DC
- Integrazione dello specchio di corrente a PMOS nella struttura differenziale
- Comportamento al transitorio dell’amplificatore deferenziale
- In condizioni di saturazioni e in condizioni lineari
- Studio di una configurazione di mixer a cella di Gilbert basata su HBT
- Determinazione dei livelli di polarizzazione dello switch quad
- Ottimizzazione della polarizzazione e dimensionamento degli specchi di corrente
- Analisi della risposta del mixer in condizioni di funzionamento saturato
- Analisi della risposta del mixer in condizioni di funzionamento non saturato
- Analisi della risposta spettrale
- Esempi di Mixer a Cella di Gilbert in Upconversion
- Esempi di Mixer a Cella di Gilbert in Downconversion
- Mixer a bassi Valori di polarizzazione
- Esempi di Mixer a Cella di Gilbert con bassi valori di polarizzazione
- Procedura per il progetto di un mixer in downconversion
- Studio di possibili reti di matching
- Rete di matching attiva a HBT
- Dimensionamento della rete
- Analisi delle performance della rete di matching