Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare

Università degli Studi di Pavia
Microfono digitale in banda
audio per telefonia cellulare
Tesi di laurea di Andrea Barbieri
Anno Accademico 2003/2004
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore SD
Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
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
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Microfono tradizionale a J-FET
VBIAS
kW
CA
Signal/Bias
Package
Vout
J-FET
MIC
GND
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
Architettura tradizionale
VBIAS
MICN
Rete esterna di
polarizzazione, EMI
rejection e
MICP
ac-coupling
MICROFONO A J-FET
REF
ANALOG
ASICCODEC
OUTN
Voice-Codec
OUTP
Gain
Anti-alias
0100100101
DSP
A/D
Converter
VBIAS
CA
OUTN
MICN
MICP
CA
OUTP
L’utilizzo di una rete esterna 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 digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Microfono di nuova concezione
•
•
•
A/D
DIGITAL
MIC
1011000101011
Clock
DSP
•
•
Vantaggi:
Maggiore miniaturizzazione
Elevata robustezza verso le
interferenze
Prestazioni di qualità audio
(rumore, distorsione)
Basso consumo
Basso costo
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Specifiche di progetto
Parametro
Min.
Typ.
Max.
VDD
1.8 V
Clock
1.7 V
-30 °C
(5 °C)
1 MHz
2.86 V
90 °C
(50 °C)
3.25 MHz
Acoustic Overload Point (-6 dBFS)
114 dBSPL
SNR (A-weighting at 1kHz, 94 dBSPL)
60 dB
Temperatura
27 °C
2.4 MHz
THD (at 1 kHz, 114 dBSPL)
PSRR (measured with 217 Hz square wave
and broad band noise, both 100 mVPP)
1%
70 dB
Consumo di corrente
Guadagno assoluto
1 mA
-1 dB
+1 dB
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore SD
Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Descrizione dell’architettura
VDD
MIC.
MIC.
Buffer
Gain
Clock
Anti
alias
Current and Voltage
generators
GND
SD Modulator
Data-Out
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore SD
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 mV) 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 ingresso
Modulatore SD
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 mV)
• Bassa capacità di ingresso (< 1 pF)
• Bassa impedenza di uscita (≈ 1 kW)
• Basso offset (≈ 2 mV)
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Stadio di buffering,
preamplificazione e filtraggio
Prestazioni
Proprietà
Typ.
Rumore in uscita
(A-Weight)
7.8 mV (Gain = 0 dB)
33 mV (Gain = 20 dB)
Offset di ingresso (4s)
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 mA
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore SD
Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
Caratteristiche
Comparatore
H(z)
Loop Filter
•
•
•
•
•
•
4° ordine
Single loop
Uscita digitale a 1 bit
Clock 2.4 MHz ÷ 3.5 MHz
Architettura Switched-Capacitor
Struttura fully-differential
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
Metodologia di progetto
Modello lineare
Q(z) Quantization Noise
X(z)
H(z)
Loop Filter
NS(z) 
Y ( z)
Q( z )

1
1  H(z)
Stabilità di un modulatore SD di
ordine > 2:
Y(z) • 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 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):
1  NS ( z )
H ( z) 
NS ( z )
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
Modellizzazione MATLAB
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
Realizzazione SC dei blocchi di integrazione
c1
IN
DACOUT
1
z 1
OUT
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
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 SD
2. Limitatore di tensione: limita la tensione di
uscita del preamplificatore a ±0.6 V
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
Prestazioni
Parametro
Valore (Typ.)
Rumore di
quantizzazione
Rumore elettrico
(A-weight)
SNR max.
(A-weight)
-96 dBFS
THD
< 0.1%
PSRR
» 70 dB
Consumo
370 mA
20 mV
84 dB
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore SD
Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Circuiti di servizio
Generatore della corrente di riferimento
I REF
VBE1  VBEn

R1
V T ln( n)

R1
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Circuiti di servizio
Band-gap e riferimenti di tensione
VBG  VBE  ln( n) 
R2
VT  VBE  mVT
R1
VBE: coefficiente di temperatura negativo
VT: coefficiente di temperatura positivo
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Circuiti di servizio
VREF Buffer
C1
H ( z) 

C1  C 2 1 
H ( z) 
1
C2
1 s
T
C1
z 1
C2
z 1
C1  C 2
z 1  1  sT
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Introduzione
Descrizione dell’architettura
Preamplificatore e anti-alias
Buffer di ingresso
Modulatore SD
Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessive
Schema circuitale complessivo
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessive (simulazioni)
Parametro
Specifiche
Risultati
VDD
Clock
1.7 V ÷ 2.86V
-30 °C ÷ 90 °C
(5 °C) ÷ (50 °C)
2.4 MHz ÷ 3.25 MHz
1.7 V ÷ 2.86V
-30 °C ÷ 90 °C
(5 °C) ÷ (50 °C)
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 mA
Guadagno assoluto
±1 dB
± 0.5 dB
Temperatura
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 mV = -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 SD
Circuiti di servizio
Prestazioni Complessive
Conclusioni
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
VDD
CLOCK
DATA-OUT
I.C.
MICROFONO DIGITALE
Elevata sensibilità
GND
• 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
Diodi di protezione
Buffer di
ingresso
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore SD
SC Amplifier