università degli studi di pavia anno accademico 2003/2004 microfono digitale in banda audio per...

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


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


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


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


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


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


Introduzione

Descrizione dell’architetturaDescrizione dell’architettura


Buffer di ingresso



Conclusioni



Current and Voltagegenerators

ModulatorMIC.Buffer

Gain Antialias

VDD Clock

Data-Out

GND

MIC.


Introduzione


Preamplificatore e anti-aliasPreamplificatore e anti-alias

Buffer di ingresso



Conclusioni



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



1° Stadio 2° Stadio 3° Stadio



Effetto della compensazione nested-Miller



Common Mode Feedback


Introduzione



Buffer di ingressoBuffer di ingresso



Conclusioni


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)


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


Introduzione



Buffer di ingresso

Modulatore Modulatore Circuiti di servizio


Conclusioni


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


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


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


Modulatore Modellizzazione MATLAB


Modulatore

Realizzazione SC dei blocchi di integrazione

c11

1

zIN OUT

DACOUT


Modulatore


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


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


Introduzione



Buffer di ingresso

Modulatore Circuiti di servizioCircuiti di servizio


Conclusioni


Circuiti di servizio

Generatore della corrente di riferimento

1

)ln(1

1

R

nVR

VVI

T

BEnBEREF


Circuiti di servizioBand-gap e riferimenti di tensione

TBETBEBG mVVVR

RnVV

1

2)ln(

VBE: coefficiente di temperatura negativoVT: coefficiente di temperatura positivo


Circuiti di servizio

VREF Buffer

TCC

szH

sTzz

CCCz

CC

CzH

12

1

1)(

1

212

121

1)( 1

1

1


Introduzione



Buffer di ingresso


Prestazioni ComplessivePrestazioni Complessive

Conclusioni


Prestazioni complessiveSchema circuitale complessivoSchema circuitale complessivo


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



Rumore [20 Hz ÷ 20 kHz] = 37 V = -85.6 dBFS (A-weight)


Introduzione



Buffer di ingresso



ConclusioniConclusioni


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


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


Considerazioni aggiuntive

Distorsione introdotta dai diodi di protezione

Buffer diingresso

Diodi di protezione


Modulatore

SC Amplifier

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