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Università degli Studi di Pavia Anno Accademico 2003/2004 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Tesi di laurea di Andrea Barbieri.

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1 Università degli Studi di Pavia Anno Accademico 2003/2004 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Tesi di laurea di Andrea Barbieri

2 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni

3 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-Out Clock V DD GND Air-Gap Membrana Sezione del package microfonico

4 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Package MIC J-FET CACA k V BIAS 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

5 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione MICN MICP OUTN OUTP CACA CACA CODEC Lutilizzo 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 GainAnti-alias A/D Converter Voice-Codec ANALOG ASIC DSP MICN MICP V BIAS OUTP OUTN Architettura tradizionale Rete esterna di polarizza- zione, EMI rejection e ac-coupling

6 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 A/D DIGITAL MIC DSP Clock

7 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Specifiche di progetto ParametroMin.Typ.Max. V DD 1.7 V1.8 V2.86 V Temperatura -30 °C (5 °C) 27 °C 90 °C (50 °C) Clock1 MHz2.4 MHz3.25 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 mV PP ) 70 dB Consumo di corrente1 mA Guadagno assoluto-1 dB+1 dB

8 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni

9 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Descrizione dellarchitettura Current and Voltage generators Modulator MIC. Buffer Gain Anti alias V DD Clock Data-Out GND MIC.

10 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni

11 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

12 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Preamplificatore e anti-alias 1° Stadio2° Stadio3° Stadio

13 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Preamplificatore e anti-alias Effetto della compensazione nested-Miller

14 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Preamplificatore e anti-alias Common Mode Feedback

15 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni

16 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)

17 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Stadio di buffering, preamplificazione e filtraggio Prestazioni ProprietàTyp. 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 V P )< 0.1% Capacità di ingresso220 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

18 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni

19 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

20 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Modulatore Metodologia di progetto H(z) Loop Filter Q(z) Quantization Noise Modello lineare 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 allimpulso di NS(z) deve essere 1

21 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 x f s (f s = frequenza di campionamento) Nota la funzione ottimale NS(z), si ricava H(z):

22 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Modulatore Modellizzazione MATLAB

23 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Modulatore Realizzazione SC dei blocchi di integrazione c1 IN OUT DAC OUT

24 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Modulatore

25 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 dellinstabilità 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

26 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Modulatore ParametroValore (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

27 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni

28 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Circuiti di servizio Generatore della corrente di riferimento

29 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Circuiti di servizio Band-gap e riferimenti di tensione VBE:coefficiente di temperatura negativo VT:coefficiente di temperatura positivo

30 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Circuiti di servizio V REF Buffer

31 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni Complessive Conclusioni

32 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Prestazioni complessive Schema circuitale complessivo

33 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Prestazioni complessive (simulazioni) ParametroSpecificheRisultati V DD 1.7 V ÷ 2.86V Temperatura -30 °C ÷ 90 °C (5 °C) ÷ (50 °C) -30 °C ÷ 90 °C (5 °C) ÷ (50 °C) Clock2.4 MHz ÷ 3.25 MHz Acoustic Overload Point (-6 dBFS)114 dBSPL SNR (A-weighting at 1kHz, 94 dBSPL)60 dB60 dB ÷ 64 dB THD (at 1 kHz, 114 dBSPL)1%< 1% PSRR (measured with 217 Hz square wave and broad band noise, both 100 mV PP ) 70 dB> 70 dB Consumo di corrente1 mA 950 A Guadagno assoluto±1 dB± 0.5 dB

34 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Prestazioni complessive (simulazioni)

35 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Prestazioni complessive (simulazioni) Rumore [20 Hz ÷ 20 kHz] = 37 V = dBFS (A-weight)

36 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Introduzione Descrizione dellarchitettura Preamplificatore e anti-alias Buffer di ingresso Modulatore Circuiti di servizio Prestazioni ComplessiveConclusioni

37 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 allinterno 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 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

39 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Considerazioni aggiuntive Distorsione introdotta dai diodi di protezione Buffer di ingresso Diodi di protezione

40 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Modulatore SC Amplifier


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