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Università degli Studi di Pavia
Anno Accademico 2003/2004
Microfono digitale in banda Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulareaudio per telefonia cellulare
Tesi di laurea di Andrea Barbieri
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
IntroduzioneIntroduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Unico package contenente:•Trasduttore acustico-elettrico (MIC)•Preamplificatore e
convertitore A/D su circuito integrato
Elettrete
I.C.
Data-OutClock
VDD
GND
Air-Gap
MembranaSezione del package microfonico
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Package
MIC
J-FET
CA
k
VBIAS
Signal/Bias
Vout
GND
Microfono tradizionale a J-FET
Limiti:•Non-linearità del J-FET•Basso guadagno•Elevato consumo di corrente•Necessità di una rete esterna a
componenti discreti che massimizzi la reiezione ai disturbi
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
MICN
MICP
OUTN
OUTP
CA
CA
CODEC
L’utilizzo di una rete ester-na a componenti discreti implica sia un aumento dei costi di realizzazione e delle dimensioni della board sia un degrado delle prestazioni in banda audio.
MICROFONO A J-FET
REF
Gain Anti-alias A/DConverter
Voice-Codec
ANALOG ASIC
DSP0100100101
MICN
MICP
VBIAS
VBIAS
OUTP
OUTN
Architettura tradizionale
Rete esterna di polarizza-
zione, EMI rejection e
ac-coupling
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Microfono di nuova concezione
Vantaggi:•Maggiore
miniaturizzazione•Elevata robustezza verso le interferenze•Prestazioni di qualità audio (rumore, distorsione)•Basso consumo•Basso costo
1011000101011A/D
DIGITALMIC
DSPClock
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Specifiche di progetto
Parametro Min. Typ. Max.
VDD 1.7 V 1.8 V 2.86 V
Temperatura -30 °C(5 °C) 27 °C 90 °C
(50 °C)
Clock 1 MHz 2.4 MHz 3.25 MHz
Acoustic Overload Point (-6 dBFS) 114 dBSPL
SNR (A-weighting at 1kHz, 94 dBSPL) 60 dB
THD (at 1 kHz, 114 dBSPL) 1%
PSRR (measured with 217 Hz square wave and broad band noise, both 100 mVPP)
70 dB
Consumo di corrente 1 mA
Guadagno assoluto -1 dB +1 dB
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architetturaDescrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Descrizione dell’architettura
Current and Voltagegenerators
ModulatorMIC.Buffer
Gain Antialias
VDD Clock
Data-Out
GND
MIC.
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-aliasPreamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Preamplificatore e anti-alias
Proprietà:
•Guadagno selezionabile tra 0 dB e 20 dB a passi discreti•Filtro anti-alias del primo
ordine•Amplificatore operazionale ad elevato guadagno, basso rumore (pochi V) e basso offset
(pochi mV)•Struttura fully-differential per massimizzare il PSRR
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Preamplificatore e anti-alias
1° Stadio 2° Stadio 3° Stadio
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Preamplificatore e anti-alias
Effetto della compensazione nested-Miller
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Preamplificatore e anti-alias
Common Mode Feedback
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingressoBuffer di ingresso
Modulatore Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Buffer di ingresso
Proprietà:
•“Shifter” di tensione: trasla il segnale di ingresso ad un livello intermedio tra VDD e GND (circa 0.8 V)
•Basso rumore (≈ 1 V)•Bassa capacità di ingresso (< 1 pF)•Bassa impedenza di uscita (≈ 1 k)•Basso offset (≈ 2 mV)
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Stadio di buffering, preamplificazione e filtraggio
PrestazioniProprietà Typ.
Rumore in uscita
(A-Weight)
7.8 V (Gain = 0 dB)
33 V (Gain = 20 dB)
Offset di ingresso (4) 2.2 mV
THD (at 1 kHz, 0.5 VP) < 0.1%
Capacità di ingresso 220 fF
Frequenza di taglio del filtro (vedi Figura)
40 kHz (Gain = 20 dB)
78 kHz (Gain = 0 dB)
PSRR » 70 dB
Consumo di corrente 230 A
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore Modulatore Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
Caratteristiche
•4° ordine•Single loop•Uscita digitale a 1 bit•Clock 2.4 MHz ÷ 3.5 MHz•Architettura Switched-Capacitor•Struttura fully-differential
H(z)Loop Filter
Comparatore
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
Metodologia di progetto
H(z)Loop Filter
Q(z) Quantization Noise
Modello lineare
H(z)zQ
zYNS(z)
1
1
)(
)(
X(z) Y(z)
Stabilità di un modulatore di ordine > 2:•Il guadagno ad alta frequenza di NS(z) deve essere costante e di circa 3 dB•Il primo valore della risposta all’impulso di NS(z) deve essere 1
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
Noise Transfer Function
NS(z): filtro passa alto di tipo Butterworth caratterizzato da una frequenza di taglio pari a 0.045 x fs
(fs = frequenza di campionamento)Nota la funzione ottimale NS(z), si ricava H(z):
)(
)(1)(
zNS
zNSzH
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore Modellizzazione MATLAB
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
Realizzazione SC dei blocchi di integrazione
c11
1
zIN OUT
DACOUT
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore Condizioni di instabilità:
1.Tensione in uscita agli integratori (differenziale) > 1 V
2.Tensione in ingresso al modulatore (differenziale) > 0.65 V
Soluzioni adottate:
1.Circuito di ripristino della stabilità: rileva il verificarsi dell’instabilità e tramite un segnale di reset scarica le capacità di integrazione del modulatore 2.Limitatore di tensione: limita la tensione di uscita
del preamplificatore a ±0.6 V
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
Parametro Valore (Typ.)
Rumore di quantizzazione -96 dBFS
Rumore elettrico (A-weight) 20 V
SNR max. (A-weight) 84 dB
THD < 0.1%
PSRR » 70 dB
Consumo 370 A
Prestazioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore Circuiti di servizioCircuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Circuiti di servizio
Generatore della corrente di riferimento
1
)ln(1
1
R
nVR
VVI
T
BEnBEREF
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Circuiti di servizioBand-gap e riferimenti di tensione
TBETBEBG mVVVR
RnVV
1
2)ln(
VBE: coefficiente di temperatura negativoVT: coefficiente di temperatura positivo
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Circuiti di servizio
VREF Buffer
TCC
szH
sTzz
CCCz
CC
CzH
12
1
1)(
1
212
121
1)( 1
1
1
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore Circuiti di servizio
Prestazioni ComplessivePrestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessiveSchema circuitale complessivoSchema circuitale complessivo
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessive (simulazioni)
Parametro Specifiche Risultati
VDD 1.7 V ÷ 2.86V 1.7 V ÷ 2.86V
Temperatura -30 °C ÷ 90 °C(5 °C) ÷ (50 °C)
-30 °C ÷ 90 °C(5 °C) ÷ (50 °C)
Clock 2.4 MHz ÷ 3.25 MHz 2.4 MHz ÷ 3.25 MHz
Acoustic Overload Point (-6 dBFS) 114 dBSPL 114 dBSPL
SNR (A-weighting at 1kHz, 94 dBSPL) 60 dB 60 dB ÷ 64 dB
THD (at 1 kHz, 114 dBSPL) 1% < 1%
PSRR (measured with 217 Hz square wave and broad band noise, both 100 mVPP) 70 dB > 70 dB
Consumo di corrente 1 mA 950 A
Guadagno assoluto ±1 dB ± 0.5 dB
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessive (simulazioni)
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessive (simulazioni)
Rumore [20 Hz ÷ 20 kHz] = 37 V = -85.6 dBFS (A-weight)
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
ConclusioniConclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Conclusioni
•Studio e progetto di una struttura di interfaccia di nuova concezione per microfoni ad elettrete•Integrazione di un sistema di preamplificazione e di
conversione analogico/digitale all’interno del package microfonico
•Miglioramento delle qualità audio (distorsione e rapporto Segnale/Rumore) e riduzione dei consumi e delle
dimensioni•Compatibilità con i più comuni microfoni ad elettrete e adattabilità con i microfoni a silicio
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Considerazioni aggiuntive
Adattabilità al microfono a silicio
GND
VDD
CLOCK
DATA-OUT
I.C.
MICROFONO DIGITALE
Elevata sensibilità•Permette di escludere il blocco di
preamplificazione•Ridistribuzione ottimale del rumore dei rimanenti
blocchi analogici con conseguente riduzione del consumo di corrente
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Considerazioni aggiuntive
Distorsione introdotta dai diodi di protezione
Buffer diingresso
Diodi di protezione
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
SC Amplifier
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