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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare

Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare. Tesi di laurea di Andrea Barbieri. Introduzione Descrizione dell’architettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore SD Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni. Introduzione.

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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare

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Presentation Transcript

  1. Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Tesi di laurea di Andrea Barbieri

  2. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  3. Introduzione Sezione del package microfonico Membrana • Unico package contenente: • Trasduttore acustico-elettrico (MIC) • Preamplificatore e convertitore A/D su circuito integrato Air-Gap Elettrete I.C. VDD Data-Out Clock GND

  4. Introduzione Microfono tradizionale a J-FET VBIAS • 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 kW CA Signal/Bias Package Vout J-FET MIC GND

  5. Architettura tradizionale VBIAS DSP ANALOG ASIC CODEC REF MICN OUTN Rete esterna di polarizza-zione, EMI rejection e ac-coupling 0100100101 Voice-Codec OUTP A/D Converter Gain Anti-alias MICP VBIAS MICROFONO A J-FET 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. CA OUTN MICN MICP CA OUTP Introduzione

  6. DSP 1011000101011 A/D DIGITAL MIC Clock Introduzione Microfono di nuova concezione • Vantaggi: • Maggiore miniaturizzazione • Elevata robustezza verso le interferenze • Prestazioni di qualità audio (rumore, distorsione) • Basso consumo • Basso costo

  7. Introduzione • Specifiche di progetto

  8. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  9. VDD Clock MIC. Buffer SD Modulator MIC. Data-Out Gain Anti alias Current and Voltage generators GND Descrizione dell’architettura

  10. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  11. 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 mV) e basso offset (pochi mV) • Struttura fully-differential per massimizzare il PSRR

  12. Preamplificatore e anti-alias 1° Stadio 2° Stadio 3° Stadio

  13. Preamplificatore e anti-alias Effetto della compensazione nested-Miller

  14. Preamplificatore e anti-alias Common Mode Feedback

  15. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  16. 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 mV) • Bassa capacità di ingresso (< 1 pF) • Bassa impedenza di uscita (≈ 1 kW) • Basso offset (≈ 2 mV)

  17. Stadio di buffering, preamplificazione e filtraggio • Prestazioni

  18. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  19. Comparatore H(z) Loop Filter Modulatore SD • Caratteristiche • 4° ordine • Single loop • Uscita digitale a 1 bit • Clock 2.4 MHz ÷ 3.5 MHz • Architettura Switched-Capacitor • Struttura fully-differential

  20. Modulatore SD • Metodologia di progetto Modello lineare • Stabilità di un modulatore SD 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 Q(z) Quantization Noise H(z) Loop Filter X(z) Y(z)

  21. Modulatore SD 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):

  22. Modulatore SD Modellizzazione MATLAB

  23. Modulatore SD • Realizzazione SC dei blocchi di integrazione OUT IN c1 DACOUT

  24. Modulatore SD

  25. Modulatore SD • Condizioni di instabilità: • Tensione in uscita agli integratori (differenziale) > 1 V • Tensione in ingresso al modulatore (differenziale) > 0.65 V • Soluzioni adottate: • Circuito di ripristino della stabilità: rileva il verificarsi dell’instabilità e tramite un segnale di reset scarica le capacità di integrazione del modulatore SD • Limitatore di tensione: limita la tensione di uscita del preamplificatore a ±0.6 V

  26. Modulatore SD Prestazioni

  27. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  28. Circuiti di servizio • Generatore della corrente di riferimento

  29. Circuiti di servizio Band-gap e riferimenti di tensione VBE: coefficiente di temperatura negativo VT: coefficiente di temperatura positivo

  30. Circuiti di servizio VREF Buffer

  31. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  32. Prestazioni complessive Schema circuitale complessivo

  33. Prestazioni complessive (simulazioni)

  34. Prestazioni complessive (simulazioni)

  35. Prestazioni complessive (simulazioni) Rumore [20 Hz÷ 20 kHz] = 37 mV = -85.6 dBFS (A-weight)

  36. Introduzione • Descrizione dell’architettura • Preamplificatore e anti-alias • Buffer di ingresso • Modulatore SD • Circuiti di servizio • Prestazioni Complessive • Conclusioni

  37. 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

  38. VDD CLOCK DATA-OUT I.C. GND MICROFONO DIGITALE Considerazioni aggiuntive Adattabilità al microfono a silicio • Permette di escludere il blocco di preamplificazione • Ridistribuzione ottimale del rumore dei rimanenti blocchi analogici con conseguente riduzione del consumo di corrente Elevata sensibilità

  39. Considerazioni aggiuntive Distorsione introdotta dai diodi di protezione Diodi di protezione Buffer di ingresso

  40. Modulatore SD • SC Amplifier

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