Pokročilý návrh integrovaných systémů

Garant předmětu:

Jiří Jakovenko

Přednášející:

Dalibor Barri, Jiří Jakovenko

Cvičící:

Dalibor Barri

Předmět zajišťuje:

katedra mikroelektroniky

Anotace:

Předmět se zaměřuje na komplexní proces návrhu integrovaných obvodů od teoretických základů až po praktické fyzikální realizace (layout). V přednáškách jsou postupně probírány principy návrhu čipů, rozdíly mezi diskrétní a integrovanou technologií, technologie CMOS a BCD, metodiky správného návrhu tranzistorů a obvodových struktur, pokročilé přístupy k výkonovým MOS tranzistorům a stavebním blokům (referenční obvody, děliče, mix-signal prvky, stabilita).

Další části se věnují návrhu lineárních regulátorů napětí (LDO), ochranám (OCP, eFuse, ESD), problematice parazitních jevů, topologiím čipu a metodám fyzikálního návrhu včetně automatizace a programování v Pythonu. Součástí je také problematika testování, diagnostiky chyb a ekonomických aspektů výroby čipů.

Cvičení poskytují praktickou zkušenost s návrhovým prostředím Cadence Virtuoso a jazykem SKILL. V rámci předmětu se realizuje kompletní návrh integrovaného LDO regulátoru s proudovou ochranou, včetně detailního návrhu výkonového tranzistoru a zpětnovazební rezistorové děličky. Dále se zaměřují na pokročilé proudové zrcadla, řešení stability obvodů a postupné doplňování ochranných mechanismů. V rámci fyzikálního návrhu se procvičuje tvorba výkonových MOSFET struktur, párových prvků a programovatelných rezistorových děliček, následně je prováděna verifikace (DRC, LVS). Kurz je zakončen praktickými cvičeními zaměřenými na automatizaci analogového návrhu integrovaných obvodů.

Požadavky:

Osnova přednášek:

1.Zrození nového čipu; návrh hierarchie, rozdíl mezi diskrétní a integrovanou technologií, popis technologie BCD a CMOS, pokročilý pohled na základní stavbní prvky návrhu integrovaných obvodů.

2.Správné návrhové postupy zrcadlení, kaskodování, rozměry tranzistorů, párové struktury, proudová zatížitelnost, Rdson, Comon Mode+CASC, „škálování“ rozměrů u digitálních a analogových obvodů, přesnost.

3.Pokročilý návrh výkonových integrovaných MOS tranzisotorů v analogových obvodech, typy výkonových MOS tranzistorů, napěťová třída výkonových tranzisotrů, popis copy MOS tranzistorů.

4.Pokročilý návrh stavebních bloků část I Startovací obvod, přesná reference napětí a proudu, pokročilá konfigurovatelnost.

5.Pokročilý návrh stavebních bloků část II Pokročilá konfigurovatelnost, děliče, obvody v režimu Mix (ADC, DAC atd.).

6.Pokročilý návrh stavebních bloků část III Popis metod k zajištění stability obvodů

7.Pokročilá konstrukce IP bloku I - lineární regulátory napětí (LDO), elektronické pojistky (eFuse), proudové ochrany (OCP)

8.Čip jako minové pole: ESD ochrana, odolnost proti latch-up, Triming, testovatelnost; parazitní struktury, Post layout simulace.

9.Pokročilý návrh topologie čipu - analogový TOP, digitální TOP; efekty závislé na rozložení (WPE, STI, wSTI, ant. dioda, PID, metalizace); půdorys (metodologie, vstupně výstupní bloky, umístění padů)

10.Metody automatizace rozložení fyzikálního návrhu integrovaných obvodů

11.Metody automatizace rozložení fyzikálního návrhu integrovaných obvodů v Python programovacím jazyce

12.Základní „zlatá“ pravidla při fyzikálním návrhu integrovaných obvodů

13.Metody analýzy chyb v návrhu IC: Elektrické diagnostické metody, reprodukce, Optická, elektronová mikroskopie, SAW, RTG, IR, Obirch, LASER řez, FIB řez + depozice, metal fix.

14.Možnosti realizace čipů, nutné vstupy, ekonomická stránka.

Osnova cvičení:

1.Uvedení do programovacího jazyka SKILL ve vývojovém prostředí Virtuoso Cadence

2.Popis navrhovaného čipu (LDO s OCP), přesný návrh zpětnovazební konfigurovatelné rezistorové děličky

3.Přesný návrh výkonového tranzistoru s respektováním podmínek pro danou LDO strukturu a s požadavky na RDS_ON

4.Pokročilý návrh LDO s jednoduchým proudovým zrcadlem

5.Pokročilý návrh LDO s kaskodovým proudovým zrcadlem

6.Řešení stability obvodů - part I

7.Řešení stability obvodů - part II

8.Doplnění pokročilého návrhu LDO s kaskodovým proudovým zrcadlem o proudovou ochranu (OCP)

9.Fyzikální návrh výkonového tranzistoru MOSFET včetně vodících vrstev (metal layers)

10.Fyzikální návrh rezistorové děličky použité v LDO (programovatelná rezistorová dělička)

11.Fyzikální návrh párových struktur v LDO topologii (diferenciální stupeň, proudové zrcadlo s kaskodou)

12.Verifikace fyzikálního návrhu, DRC, LVS

13.Automatizované rozvržení analogového návrhu integrovaných obvodů - part I

14.Automatizované rozvržení analogového návrhu integrovaných obvodů - part II

Cíle studia:

Studijní materiály:

Povinná literatura:

Analog design:

1) Razavi: Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGRAW-Hill,

2) Murari, F. Bertotti, G.A.Vignola: Smart Power ICs, Springer,

3) Gray, P Hurst, s. Lewis, R. Mayer: Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley and Sons.

Doporučená literatura:

Analog design:

1) Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th Edition, by J. Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H.

Lewis, Robert G. Meyer

2) Analog Integrated Circuit Design, by Tony Chan Carusone, David Johns, Kenneth Martin

Analog layout:

1) The Art of Analog Layout, by Alan Hastings

2) Fundamentals of Power Semiconductor Devices, by BJ Baliga

3) Analog-to-Digital Conversion, by Marcel J.M. Pelgrom

Digital design:

1) P. J. Ashenden, The Designer's Guide to VHDL, Morgan Kaufmann, 2008

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2025/2026:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út
St	místnost T2:B2-s141k Jakovenko J. Barri D. 09:15–10:45 (přednášková par. 1) Dejvice Cvičebnamístnost T2:C3-s143 Barri D. 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 101) Dejvice POČ. UČEBNAmístnost T2:C3-s143 Barri D. 12:45–14:15 (přednášková par. 1 paralelka 102) Dejvice POČ. UČEBNA místnost T2:B2-s141k Jakovenko J. Barri D. 09:15–10:45 (přednášková par. 1) Dejvice Cvičebna
Čt
Pá

Rozvrh na letní semestr 2025/2026:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Elektronika a komunikace - Elektronika (povinně volitelný předmět)