아날로그 집적회로(Analog VLSI)를 다루는 동영상 강좌들
반도체 설계와 관련된 동영상 강좌를 만들어 보면 어떻겠냐는 제안을 받곤 한다. 각종 문서와 동영상 정보들이 넘쳐나는 지금 덧붙여야할 이유가 없어 거절했다. 동영상의 유무를 떠나 이미 잘 차려진 내용들을 봐주지 않으면 무슨 소용이 있으랴 싶다.
아날로그 집적회로를 다루는 동영상 강좌들은 많다. 너무나 많아서 어느것을 봐야 할지 판단하기 어렵다. 다루는 내용도 다양하고 수준의 차이도 매우 크다. 넘처나는 자료들 중 선별해주는 것도 의미 있겠다 싶어 그중 몇가지를 골라봤다.
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Design of Two Stage Operational Amplifier 45nm CMOS Process in Cadence Virtuoso step by step Process
https://www.youtube.com/watch?v=hOuBGcZ5m58
아날로그 회로 중 가장 많이 언급되고 널리 활용되는 연산 증폭기(Op-Amp, Operational Amplifier)를 설계하는 동영상이다. 제작자는 인도계 유학생인지 설명하는 발음을 알아듣기 매우 어렵다. 30여분 만에 설계와 케이던스 버츄오소를 사용한 실습까지 다루고 있다. Op-Amp를 설계하는 과정을 단계별로 설명하고 있다는 점에 주목하자. 사실 발음을 알아들었다 해도 쉽게 이해할 수 있는 내용이 아니다. 동영상을 보며 내용을 모두 따라가려 하기보다 설계 과정을 맛보기 바란다. Op-Amp의 회로구성과 레이아웃을 그리기 위해 트랜지스터의 폭과 길이를 어떻게 산출 했는지 설명하고 이어 케이던스 버츄오소(Cadence Virtuoso)를 사용한 시뮬레이션까지 보여준다.
레이아웃 "그리기"를 "설계"로 오해하는 경우가 종종있다. "그리기"는 "설계"라는 고차원의 두뇌활동 결과를 전자회로용 응용 소프트웨어로 옮기는 작업일 뿐이다. "그리기"는 "설계"로 구한 회로 요소들의 인수들을 가지고 구현 가능한 형식으로 표현하는 작업이다. 위의 동영상을 보고 "설계"를 해보고 싶어졌길 바란다.
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전자회로를 구성하는 요소들과 그 요소들의 인자들을 산출해 내는 "설계"를 위해 먼저 이론을 배워두자. 이론은 목표에 도달하는 방법이다. 그 방법은 매우 다양하기 때문에 이론을 모두 배우려고 들면 한도 끝도 없다. 경우에 따라 같은 목적을 다루는 이론(방법)들 사이에 부르는 용어가 달라 혼란 스럽기 까지 하다. 아래 강좌는 수식을 최소화 하면서 반도체 설계의 마이크로 전자회로를 직관적으로 설명한다. 전문 연구자가 아니라면 일반론으로 설명한 동영상으로 충분하다. 이 강의를 듣는데 필요한 기초는 사칙연산(뎃셈,뺄셈,곱셈,나눗셈)과 옴의 법칙이다. 개념이해에 최대한 집중하고 만일 수강 중 복잡한 수식을 마주하게되면 건너 뛰어도 좋다. 여러 이론을 근거로 복수의 방정식을 정리하여 얻은 답을 보여줄 가능성이 있다. 앞으로 반복적으로 등장할 것들이므로 그때가서 되돌아 생각하기로 하고 일단 외워두자. 공학은 그렇게 외워야할 공식이 많다. 원리를 직관적으로 이해하면 외우고 응용 하기 수월하다.
ENGR 2420: Introduction to Microelectronic Circuits
https://www.youtube.com/playlist?list=PLgsDG5BJZpBQN1Hippk9hP40fI_HZKlyk
Content videos from 2020 for ENGR 2420: Introduction to Microelectronic Circuits at Olin College of Engineering during the COVID-19 pandemic.
1. Basic Circuit Quantities and Kirchhoff's Laws
2. Independent Sources and Linear Dependent Sources
3. Ohm's Law and Resistors Connected in Series and in Parallel
4. Properties of the Parallel Operator, Resistive Voltage Dividers, and Resistive Current Dividers
5. Resistive Linear Combiner and the Tangent-Plane Approximation to a Surface
6. Per-Unit Variation, Per-Unit Sensitivity, and Combining Tolerances
7. Resistor Matching Data for 1% Metal-Film Resistors and Thick-Film Resistor Arrays
8. Analysis of Series / Parallel Resistive Networks
9. The Principle of Superposition and Circuit Analysis: Divide and Conquer
10. Analysis of an R-2R Ladder Network by Superposition
11. Superposition Analysis of Non-Series/Parallel Resistive Networks
12. Current Source Splitting and Superposition
13. Analysis by Output Voltage Fixing and Superposition
14. Capacitors in Series and Parallel and Capacitive Linear Combiners and Voltage Dividers
15. Nonlinear Devices and Incremental Circuit Analysis
16. Resistor in Series with a Nonlinear Device and the Incremental Resistive Voltage Divider
17. Elements of Semiconductor Physics: Basic Concepts and Terminology
18. Elements of Semiconductor Physics: Electrostatics of a PN Junction
19. Elements of Semiconductor Physics: Ideal Diode Equation
다행히 한글 동영상도 있다. 연세대학교 한건희 교수님의 강좌다. 위의 것보다 조금 어렵다.
Han's Lecture Room
Complete microelectronics in 10 hours
https://www.youtube.com/playlist?list=PL-D4jX-4dgT0Z5vOxxjWvYuaubjEXgGdA
1. Basics
2. Semiconductor
3. MOS FET
4. OP Analysis
5. DC Analysis
6. Small signal Analysis
7. Amplifier
8. AC Analysis
9. Transient Analysis and SPICE
10. OP Amp
11. Feedback Circuits
12. Nonlinear Circuits
13. Active Filter
14. DAC ADC
15. MOSFET
16. OTA design
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조지아 공대의 아날로그 전자공학 과목도 있다. 회로의 방정식을 세우고 풀이하여 공식을 도출해내는 과정을 설명한다. 40여편에 가까운 동영상으로 구성되어 있다. 직관적 이해를 넘어 공식의 궁금증을 풀어보고 싶은 생각이 들면 찾아보면 좋을 것이다.
ECE3400 Analog Electronics
https://www.youtube.com/playlist?list=PLOunECWxELQSbOv3ekzuwC4K8ygV-Jkiy
Op-Amp 집중적으로 다룬 강좌가 있다. 10분 내외의 짧은 동영상 90여편으로 구성되었다. Op-Amp에 관련된 공식 설명과 시뮬레이션, 응용 등을 다룬다.
Electronics with Prof. Fiore
Op-Amps
https://www.youtube.com/playlist?list=PLxuejeK2BP_dMJcEapPFavqaItrewjjT1
Fiore는 MVCC(MOHAWK VALLEY COMMUNITY COLLEGE)의 교수로 전자회로를 가르치고 있다고 한다.
https://www2.mvcc.edu/users/faculty/jfiore/index.cfm
그가 가르치는 과목의 교과서와 실험서를 직접 집필하고 공개하였다.
https://www.jimfiore.org/Books.html
내용이 방대하고 충실해서 수업에 사용할 교재를 만들때 참고하기 좋다.
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[참고] Analog VLSI Design
https://www.youtube.com/playlist?list=PLBDB2c4Mp7hDu6dGJF4T5m0-Myuh06xix
Description
The playlist content have several reference books. Major one being: Design of Analog CMOS Integrated Circuits By Behzad Razavi. Special thank to Razavi sir's video lectures and Prof Rajesh Zele, IITB
무려 130여편으로 구성된 강좌다. Behzad Razavi의 CMOS 아날로그 집적회로 교과서를 참고 했다고 한다. 2단 Op-Amp 설계를 보여주는 강의 한편을 소개한다. 인도계 영어라 알아듣기 조금 불편하지만 보여주는 자료가 선명하다.
Analog VLSI Design Lecture 42.4: Two stage OTA design procedure
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이론으로 머리에 쥐가 난다. 틈틈이 실습으로 쉬어가기로 하자. 전자회로 설계 자동화 EDA(Electronic Design Automation) 도구를 써서 앞서 배운 이론을 손과 눈으로 체험해 보자. 상용의 케이던스(Cadence)사의 버츄오소라는 소프트웨어 사용법이다. 이 동영상에 등장하는 PDK 중 AMI06은 "내 칩 MPW"와 유사한 0.6um 공정이다.
ECE x310 EDA Tutorials
https://www.youtube.com/playlist?list=PLlW-GQWsAyZBthLVzDcxdeFDOlMFV2TgA
1. Cadence AMI06 Design Tutorial: Schematics, DC Simulation, and Layout
2. Cadence AMI06 Design Tutorial: Symbols, Passing Parameters, and Transient Simulations
3. Cadence GPDK Design Tutorial: Schematics and SPECTRE DC Simulation
4. Cadence GPDK Design Tutorial: Symbols, Parameters, and Transient Simulation
5. Cadence GPDK Design Tutorial: Layout View, DRC, and LVS
회로도를 그리고 시뮬레이션을 수행하는데 필요한 도구(EDA 소프트웨어)의 가격은 과도하게 비싸다. 다행히 무료로 사용 할 수 있는 오픈-소스 도구들도 있다.
오픈-소스 EDA 도구의 사용법을 다룬 동영상 강좌다.
ENGR3426: MADVLSI Tutorials
https://www.youtube.com/playlist?list=PLgsDG5BJZpBTEUaxjfvYUiMPpUPU_vQpr
1. CMOS Inverter VTC and Transient Simulation Tutorial Using Xschem and Ngspice
2. Creating a Hierarchical Schematic in Xschem
3. Creating a Hierarchical Layout in Magic Using the Sky130 PDK
4. Layout Versus Schematic Tutorial Using Netgen
5. Layout Versus Schematic Tutorial Using Netgen (Part 2)
6. Layout Design, Layout-Driven Schematic Capture, and LVS Verification of a Single-Phase D Flip-Flop
7. Creation, LVS Verification, and Transient Simulation of a Four-Bit Shift Register from D Flip-Flops
8. Schematic Capture, Layout, and LVS Verification of a Current-Mirror Differential Amplifier
9. Xschem / Ngspice Nested DC Sweep Tutorial Including Exporting Simulation Results to Text File
10. Xschem / Ngspice AC Analysis Tutorial
11. Xschem / Ngspice Loopgain Simulation Tutorial Using Ochoa's Z Method
12. Magic / Xschem / Ngspice Postlayout Simulation Tutorial
13. Xschem / Ngspice Tutorial Showing How to Prepare Your Installation for Monte Carlo Simulation
14. Xschem / Ngspice Inverter VTC Monte Carlo Simulation Tutorial
15. Xschem / Ngspice Resistive Voltage Divider VTC Monte Carlo Simulation Tutorial
16. Xschem / Ngspice R-2R Ladder DAC Transfer Characteristic Monte Carlo Simulation Tutorial
17. Magic / Xschem Sky130 MIM Capacitor Layout Tutorial
18. Magic / Xschem Sky130 P- Precision Poly Resistor Layout Tutorial
19. Magic / Xschem Sky130 Vertical PNP Transistor Layout / Simulation / LVS Tutorial
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오픈-소스 도구를 써서 "내 칩 제작 서비스"를 통해 내 칩을 무료로(!) 만들 수 있다.
"내 칩(My Chip) MPW 서비스": 오픈-소스 도구 활용 반도체 설계 특별과정
https://fun-teaching-goodkook.blogspot.com/2024/07/mpw.html
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반도체를 설계 하려고 전자회로 이론도 배웠고 설계 자동화 소프트웨어 도구들을 활용해 회로를 그리고 모의 실험도 해봤다. 컴퓨터 화면을 보며 그리고 말기에는 뭔가 심심하다. 동작하는 회로를 오감(?)으로 느끼고 싶은 생각이 문득 든다면 실제로 빵판에 Op-Amp를 꾸며보자. Op-Amp에 들어가는 트랜지스터를 하나하나 연결하고 그 동작을 느끼고 전자부품의 냄새를 맡아보자. 가끔 트랜지스터를 태워먹고 발열에 손을 데이면서 오감으로 전자회로를 느껴보자. 방학을 맞아 시간 여유가 있을 것이다. 학교 실험실을 열어달라 하고 만일 그마져 어려우면 내방 책상에 작은 실험실을 꾸밀 수도 있다. 요즘은 중국산 전자 부품들과 측정기들을 값싸게 구입할 수 있다. 멀티테스터, 시그널 제네레이터, 오실로스코프와 빵판과 부품들을 갖추는데 10만원이면 충분하다.
소박한 반도체 설계 실험실(사진에 컴퓨터가 빠졌다)
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트랜지스터 단품을 사용하여 Op-Amp를 꾸미는 강좌가 있다. Op-Amp에 들어가는 트랜지스터의 활용, 커런트 미러, 커런트 소스, 차동 증폭기 같은 기초 회로들을 하나하나 꾸며나간다.
Op-Amps
https://www.youtube.com/playlist?list=PLXDK0MeyK4ZgWkzd59wLkir7ZjI7fIsFn
이 동영상의 제작자는 전문가가 아닌 모양이다. 회로를 꾸미며 약간의 뻘짓을 하기도 한다. 물론 오류를 바로 수정하는데 그 과정을 남김없이 모두 보여준다. 동영상을 보면서 어떤 실수를 하고 고쳐나가는지 주의깊게 보고 토론해 보면 재미 있겠다.
Back to Basics: Transistor Current Sources and Mirrors
https://www.youtube.com/watch?v=xR0RfmmRhDw
Back to Basics: the differential amplifier, aka long-tailed pair, diff-pair
https://www.youtube.com/watch?v=mejPNuPAHBY
Building an Analog Computer with Op Amps
https://www.youtube.com/playlist?list=PL_R4uxT5thflWVbSWtl-rx5_C_q0RxjyV
긴 겨울방학이다. 잠시 짬이 나면 반도체 설계를 오감으로 씹고 뜯고 맛보고 즐겨봄이 어떠한가.
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