Última actualización: 29/04/2019


Curso Académico: 2019/2020

Diseño de subsistemas analógicos y digitales
(12414)
Titulación: Máster Universitario en Ingeniería de Sistemas Electrónicos y Aplicaciones (304)
Escuela de Ingeniería y Ciencias Básicas


Coordinador/a: ENTRENA ARRONTES, LUIS ALFONSO

Departamento asignado a la asignatura: Departamento de Tecnología Electrónica

Tipo: Obligatoria
Créditos: 6.0 ECTS

Curso:
Cuatrimestre:




Competencias que adquiere el estudiante y resultados del aprendizaje.
COMPETENCIAS - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación. - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio. - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios. - Elaborar documentación concisa, clara y razonadamente y especificar los trabajos a realizar para el desarrollo, integración y aplicación de sistemas electrónicos complejos y de alto valor añadido - Concebir, diseñar, poner en práctica y mantener un sistema electrónico en una aplicación específica. - Adquirir capacidades para la comprensión de nuevas tecnologías de uso en sistemas electrónicos y su adecuada utilización e integración para la resolución de nuevos problemas o aplicaciones. - Adoptar el método científico como herramienta de trabajo fundamental a aplicar tanto en el campo profesional como en el de investigación. - Capacidad de diseñar sistemas electrónicos tanto a nivel conceptual, partiendo de unas especificaciones concretas, como a nivel sistema, utilizando herramientas de modelado y simulación, como a nivel subsistema utilizando entre otros lenguajes de descripción hardware. - Capacidad para manejar herramientas, técnicas y metodologías avanzadas de diseño de sistemas o subsistemas electrónicos - Capacidad para diseñar un dispositivo, sistema o aplicación que cumpla unas especificaciones dadas, empleando un enfoque sistémico y multidisciplinar e integrando los módulos y herramientas avanzadas que son propias del campo de la Ingeniería Electrónica. RESULTADOS DEL APRENDIZAJE A la superación de esta materia los estudiantes deberán ser capaces de: - Especificar y diseñar subsistemas analógicos avanzados para instrumentación, audio, control industrial y comunicaciones tales como amplificadores de acondicionamiento, conversión de datos, amplificadores de potencia y de conmutación, circuitos de capacidades conmutadas. - Conocer las últimas tecnologías y arquitecturas de sistemas digitales, y ser capaces de especificar y concebir arquitecturas digitales a partir de especificaciones de sistema. - Especificar y diseñar subsistemas digitales de elevada complejidad de manera óptima, seleccionando las tecnologías y elementos de procesado adecuados y atendiendo a las prestaciones del sistema y los recursos necesarios (coste/área, potencia) - Conocer las herramientas de síntesis de alto nivel y las herramientas que permiten la descripción hardware de circuitos analógicos, digitales y de señal mixta. - Utilizar las técnicas de análisis avanzado de señales tales como el análisis espectral de señales (DFT, FFT, estimación espectral), técnicas de conversión de sistemas discretos- continuos (residuos, invarianza al impulso) aplicadas al procesado digital de señales, tratamiento estadístico de señales continuas y muestreadas, error de cuantificación, ruido shot y ruido térmico. - Evaluar la influencia del ruido en sistemas electrónicos y utilizar técnicas de diseño de bajo ruido.
Descripción de contenidos: Programa
Subsistemas digitales 1. Fundamentos del diseño en el Nivel de Transferencia entre Registros (RTL) 1.1. Sistemas digitales y niveles de abstracción 1.2. Estructura de un sistema digital en el nivel RT: ruta de datos y control 1.3. Arquitecturas de propósito general: el microprocesador 1.4. Arquitecturas de aplicación específica. Aceleración hardware 2. Evaluación y optimización del diseño (I) 2.1. Estimación del área 2.2. Estimación del retardo 2.2.1. Análisis y modelado del retardo 2.2.2. Restricciones temporales 2.2.3. Static Timing Analysis (STA) 2.3. Optimización del diseño en el nivel lógico para área y prestaciones 2.3.1. Optimización en el nivel lógico 2.3.2. Technology mapping 2.3.3. Estrategias de optimización 2.4. Optimización del diseño en el nivel RT para área y prestaciones 2.4.1. Implementación serie 2.4.2. Implementación paralela 2.4.3. Implementación segmentada 2.4.4. Retemporización 3. Síntesis de Alto Nivel (HLS) 3.1. Fundamentos de la Síntesis de Alto Nivel 3.2. Análisis de flujo de datos 3.3. Planificación (Scheduling) 3.3.1. Planificación con restricciones temporales 3.3.2. Planificación con recursos limitados 3.4. Asignación y vinculación de recursos (Allocation & Binding) 3.5. Rendimiento del sistema e interfaces 3.6. Ejemplos de aplicación 4. Evaluación y optimización del diseño (II) 4.1. Estimación del consumo 4.1.1. Análisis y modelado del consumo 4.1.2. Técnicas de estimación del consumo 4.2. Optimización del diseño para bajo consumo 4.2.1. Dynamic Voltage & Frequency Scaling (DVFS) 4.2.2. Arquitecturas DVFS 4.2.3. Técnicas de reducción del consumo al nivel RT y lógico 4.2.4. Inhibición del reloj (Clock gating) 4.2.5. Gestión dinámica del consumo 4.3. Consideraciones sobre el reloj 4.3.1. Generación del reloj: PLLs 4.3.2. Distribución del reloj 4.3.3. Interacción entre dominios de reloj. Metaestabilidad 5. Síntesis de Alto Nivel con Vivado HLS 5.1. Introducción 5.2. Creación de proyectos, validación y síntesis 5.3. Directivas de optimización 5.4. Bucles 5.4.1. Desenrollado de bucles 5.4.2. Segmentación de bucles 5.5. Vectores y matrices 5.6. Tipos de datos y precisión en bits 5.6.1. Tipos de datos de C/C++ 5.6.2. Tipos de datos con precisón en bits 5.6.3. Modos de cuantización y desbordamiento 5.6.4. Soporte a punto flotante 5.7. Optimización del uso de recursos 5.8. Interfaces 5.8.1. Señalización básica y handshaking 5.8.2. Protocolos de E/S con memorias: RAM y FIFO 5.8.3. Protocolos de E/S por bus 5.9. Ejemplos de aplicación Subsistemas analógicos 1. Introducción. 2. Filtros activos en tiempo continuo. 2.1. Conceptos básicos. Tipos de Filtros Electrónicos. 2.2. Síntesis de Filtros.. 2.3. Filtros de Primer Orden. 2.4. Filtros de Segundo Orden. 2.5. Aplicaciones y Ejemplos. 3. El ruido en los circuitos electrónicos 3.1. Introducción. 3.2. Señales Aleatorias en el Dominio del Tiempo. 3.3. Señales Aleatorias en el Dominio de la Frecuencia. 3.4. Tipos de ruido. 3.5. Modelado de ruido en componentes electrónicos. 3.6. Ruido muestreado. 4. Circuitos de muestreo y retención. Multiplexores analógicos 4.1. Problema a resolver. 4.2. Aspectos básicos de operación. 4.3. Implementación básica. 4.4. Inyección de carga. 4.5. Incertidumbre de apertura. 4.6. Circuitos prácticos y aplicaciones. 5. Circuitos de Capacidades Conmutadas 5.1. Elementos de un circuito de capacidades conmutadas 5.2. Integrador básico 5.3. Integrador insensible a capacidades parasitas con retardo 5.4. Integrador insensible a capacidades parasitas sin retardo 5.5. Sumadores y etapas de ganancia 5.6. Filtros de primer y segundo orden en tiempo discreto 6. Circuitos de conversión de datos 6.1. Ruido de cuantificador de un cuantificador uniforme 6.2. Parámetros estáticos de un conversor A/D y D/A, errores estáticos, INL y DNL. 6.3. Parámetros dinámicos. SNR, SNDR, SFDR, rango dinámico y ENOB. 6.4. Convertidores D/A por red de resistencias 6.5. Convertidores D/A con fuentes de corriente 6.6. Convertidores D/A con condensadores conmutados 6.7. Convertidores con redes R-2R 6.8. Convertidores A/D de integración (rampa, doble rampa) 6.9. Convertidores A/D de tipo aproximaciones sucesivas (SAR) 6.10. Convertidores A/D tipo pipe-line 6.11. Convertidores A/D tipo flash 7. Sobremuestreo y conformación de ruido 7.1. Concepto de sistemas sobremuestreados 7.2. Principio de conformación de ruido (Noise Shaping) 7.3. Moduladores sigma-delta de 1º y 2º orden 7.4. Implementación de conversores A/D sobremuesteados 7.5. Implementación de conversores D/A sobremuesteados 8. Circuitos de codificación temporal 8.1. Tipos de sintetizadores de frecuencia 8.2. Ecuaciones dinámicas de un bucle de control de fase (PLL) 8.3. Elementos de un PLL: Comparadores de fase, VCO tipo LC, divisores programables 8.4. Sintetizadores DDS 8.5. Osciladores en anillo. Conversores Tiempo a Digital (Time to Digital Converters) 8.6. Sintetizadores con PLL digitales
Actividades formativas, metodología a utilizar y régimen de tutorías
ACTIVIDADES FORMATIVAS Clase teórica Clases teórico prácticas Clases prácticas METODOLOGÍAS DOCENTES Exposiciones en clase del profesor con soporte de medios informáticos y audiovisuales, en las que se desarrollan los conceptos principales de la materia y se proporciona la bibliografía para complementar el aprendizaje de los alumnos. Resolución de casos prácticos, problemas, etc. planteados por el profesor y resueltos por el alumno de manera individual o en grupo con soporte de medios informáticos
Sistema de evaluación
  • Peso porcentual del Examen Final 40
  • Peso porcentual del resto de la evaluación 60
Bibliografía básica
  • A. Sedra. Microelectronic Circuits. Oxford Publishing. 1991
  • D. Gajski. Principios de Diseño Digital. Prentice Hall. 1996
  • D. Johns. Analog Integrated Circuit Design. J. Willey & Sons. 1997
  • M. Fingeroff. High-Level Synthesis Blue Book. Xlibris. 2010
  • . Vivado Design Suite User Guide. High-Level Synthesis. Xilinx. 2014

El programa de la asignatura y la planificación semanal podrían sufrir alguna variación por causa de fuerza mayor debidamente justificada o por eventos académicos comunicados con antelación.