Università degli Studi di Pavia Anno Accademico 2003/2004 Microfono digitale in banda audio per...
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Descrizione dell’architettura
Current and Voltagegenerators
ModulatorMIC.Buffer
Gain Antialias
VDD Clock
Data-Out
GND
MIC.
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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
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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
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Preamplificatore e anti-alias
1° Stadio 2° Stadio 3° Stadio
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Preamplificatore e anti-alias
Effetto della compensazione nested-Miller
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Preamplificatore e anti-alias
Common Mode Feedback
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore Modellizzazione MATLAB
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
Realizzazione SC dei blocchi di integrazione
c11
1
zIN OUT
DACOUT
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
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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
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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
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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
![Page 28: Università degli Studi di Pavia Anno Accademico 2003/2004 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Tesi di laurea di Andrea Barbieri.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081518/5542eb5b497959361e8c9a90/html5/thumbnails/28.jpg)
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
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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
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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
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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
![Page 32: Università degli Studi di Pavia Anno Accademico 2003/2004 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Tesi di laurea di Andrea Barbieri.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081518/5542eb5b497959361e8c9a90/html5/thumbnails/32.jpg)
Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessiveSchema circuitale complessivoSchema circuitale complessivo
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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
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessive (simulazioni)
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Prestazioni complessive (simulazioni)
Rumore [20 Hz ÷ 20 kHz] = 37 V = -85.6 dBFS (A-weight)
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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
![Page 37: Università degli Studi di Pavia Anno Accademico 2003/2004 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Tesi di laurea di Andrea Barbieri.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081518/5542eb5b497959361e8c9a90/html5/thumbnails/37.jpg)
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
![Page 38: Università degli Studi di Pavia Anno Accademico 2003/2004 Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare Tesi di laurea di Andrea Barbieri.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081518/5542eb5b497959361e8c9a90/html5/thumbnails/38.jpg)
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
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Considerazioni aggiuntive
Distorsione introdotta dai diodi di protezione
Buffer diingresso
Diodi di protezione
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Microfono digitale in banda audio per telefonia cellulare
Modulatore
SC Amplifier