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Emerging Ultra-low Voltage, Ultra-Low Power Analog and Mixed-Signal Integrated Circuits for the IoT
01DNZRV
A.A. 2023/24
Course Language
Inglese
Degree programme(s)
Doctorate Research in Ingegneria Elettrica, Elettronica E Delle Comunicazioni - Torino
Course structure
| Teaching | Hours |
|---|---|
| Lezioni | 20 |
Lecturers
| Teacher | Status | SSD | h.Les | h.Ex | h.Lab | h.Tut | Years teaching |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Crovetti Paolo Stefano | Professore Associato | IIET-01/A | 20 | 0 | 0 | 0 | 4 |
Co-lectures
Context
| SSD | CFU | Activities | Area context | *** N/A *** |
|---|
ll corso fornisce una panoramica delle sfide aperte e delle soluzioni emerse negli ultimi anni nel mondo dei circuiti integrati analogici e a segnale misto di bassa frequenza, con particolare riferimento ai circuiti a bassissima tensione di alimentazione e a bassissimo consumo di potenza adatti all'impiego in sistemi integrati energeticamente autonomi per applicazioni Internet of Things. Per ciascun blocco funzionale (amplificatori, riferimenti, convertitori A/D e D/A, oscillatori...), si discuteranno dapprima le problematiche generali in relazione ad applicazioni IoT e le principali figure di merito relative all'efficienza energetica. Si passeranno quindi in rassegna diverse tecniche e topologie proposte negli ultimi anni.
The course aims to provide an overview of low frequency analog and mixed-signal integrated circuit design challenges and circuit solutions emerged in the last years, with a special emphasis on ultra-low-voltage (ULV), ultra-low-power (ULP) design techniques and topologies suitable to operation in energy autonomous sensor nodes for the IoT. For each functional blocks (amplifiers, references, oscillators, A/D and D/A converters, etc...) the main ULV/ULP design tradeoffs and figures-of-merit (FOMs) will be first introduced. Then, an overview of emerging design techniques and circuit topologies will be given.
Concetti base di progetto di circuiti integrati analogici
Analog IC design fundamentals.
1) Introduzione (1 ora)
concetti generali di progettazione analogica e a segnale misto a bassa tensione e a basso consumo di potenza, requisiti delle applicazioni IoT.
2) Amplificatori (6 ore)
- Richiami su prestazioni e figure di merito.
- Amplificatori tradizionali e problematiche ULV/ULP.
- Amplificatori "bulk-driven"
- Amplificatori basati su invertitore logico. Circuito di Nauta
- Amplificatori multistadio e problematiche di compensazione in frequenza
- Amplificatori ad anello (ring amplifiers)
- Amplificatori dinamici
- Amplficatori basati su oscillatori controllati in tensione (VCO)
- Amplficatori digitali
2) Riferimenti di tensione/corrente e regolatori di tensione (5 ore)
- Richiami su topologie tradizionali e prestazioni
- Riferimenti ULV/ULP, Zero Temperature Coefficient (ZTC) point
- Riferimenti a due transistor. Circuito di Seok
- Riferimenti virtuali
- Regolatori LDO digitali
3) Oscillatori e wake-up timers (1 ora)
4) Convertitori Analogico-Digitali, e X-to digital converters (7 ore)
- Richiami su parametri fondamentali. Figure di Merito di Walden e Schneider. Murman's survey
- Convertitori ad approssimazioni successive (SAR) ULV/ULP:
- tecniche di commutazione energeticamente efficienti
- DAC capacitivi
- comparatori di soglia: fine-coarse comparators, floating inverter comparators
- Continuous time sigma-delta
- ADC basati su oscillatori controllati in tensione (VCO-based ADC)
- ADC flash stocastici
- DAC: convertitori Sigma Delta con tecniche di dynamic element matching (DEM), DDPM DAC; ReDAC
- Capacitance to Digital Converters (CDC)
- Time-to-digital converters
1) Introduction (1h)
Low-voltage, low-power analog and mixed signal design challenges and concepts. IoT requirements.
2) Amplifiers (6h)
- Overview on performance benchmarks and figures of merit (FOMs)
- ULV/ULP limitations of standard topologies;
- bulk-driven topologies;
- Inverter-based amplifiers, Nauta circuit;
- Multi-stage amplifiers and frequency compensation issues;
- Ring amplifiers;
- Dynamic amplifiers;
- VCO-based amplifiers;
- digital amplifiers.
2) Voltage/current references and regulators (5h)
- Overview on performance benchmarks and figures of merit (FOMs)
- ULV/ULP references, Zero Temperature Coefficient (ZTC) point
- Two-transistor references. (Seok reference)
- Virtual references
- Digital LDO
3) Wake-up timers and oscillators (1h)
4) Digital to analog, Analog-to-digital and X-to-digital converters (7h)
- Overview on performance benchmarks. Walden and Schneider FOMs, Murman's survey
- ULV/ULP Successive Approximation Register (SAR) ADC:
- energy efficient switching sequences
- capacitive DAC design
- threshold comparator: coarse-fine comparators, floating inverter comparators
- ULV/ULP continuous time sigma-delta ADC
- VCO-based ADC
- stochastic flash ADC
- DACs: Sigma-Delta DACs, dynamic element matching (DEM), DDPM DAC; ReDAC
- Capacitance to Digital Converters (CDC)
- Time-to-digital converters
In presenza
On site
Presentazione orale - Sviluppo di project work in team
Oral presentation - Team project work development
P.D.2-2 - Giugno
P.D.2-2 - June
- lunedì 17 giugno 2024 ore 9-12 - aula 16
- mercoledì 19 giugno 2024 ore 9-12 - aula 16
- martedì 2 luglio 2024 ore 9-12 - aula 13B
- mercoledì 3 luglio 2024 ore 9-12 - aula 13B
- venerdì 5 luglio 2024 ore 9-12 - aula 5M
- lunedì 8 luglio 2024 ore 9-12 - aula 13B
- martedì 9 luglio 2024 ore 9-12 - aula 13B
- Monday, June 17th, h. 9-12 - classroom 16
- Wednesday, June 19th, h. 9-12 - classroom 16
- Tuesday, July 2nd, h. 9-12 - classroom 13B
- Wednesday, July 3rd, h. 9-12 - classroom 13B
- Friday, July 5th, h. 9-12 - classroom 5M
- Monday, July 8th, h. 9-12 - classroom 13B
- Tuesday, July 9th, h. 9-12 - classroom 13B