Efficient delta-sigma ADC for mobile audio applications based on a LabVIEW assisted architectural design flow

Questo lavoro di tesi è il risultato della fruttuosa collaborazione tra l’azienda multinazionale ST-Ericsson e il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa. ST-Ericsson è una delle aziende ”leader” nei mercati dei “modem“ e dei processori in banda base. Il gruppo di “mixed signal design“ nell’area di Zurigo (Svizzera) unitamente al gruppo basato a Bangalore (India) hanno, tra gli altri obbiettivi, la continua ricerca di soluzioni per migliorare l’efficienza ed il costo dei sotto-sistemi audio. Questa è stata quindi la base di lavoro per l’inizio di una collaborazione con l’accademia su tali temi. Lo studio è iniziato con una valutazione dello stato dell’arte dei “computer aided design tool” (CAD tool) per gli studi architetturali e per la validazione dei progetti dei convertitori delta-sigma sia in banda audio sia per applicazioni a larga ampiezza di banda, riscontrando una mancanza di flessibilità nell’area dei flussi per la scelta di architetture orientate al progetto. Sulla base di tali evidenze è stato sviluppato un nuovo “software” implementato in LabVIEW e finalizzato a guidare la scelta dei parametri di progetto di un convertitore analogico-digitale (ADC) delta-sigma. Tale “CAD tool” considera la minimizzazione dell’area di silicio già nella scelta dell’architettura lasciando al progettista la possibilità di implementare dei requisiti addizionali per la minimizzazione dell’area piuttosto che scegliere i parametri di progetto (coefficienti della risposta in frequenza) con il solo fine di ottenere le prestazioni desiderate. L’architettura della catena di “uplink” del processore in banda base è stata inoltre riprogettata e la funzionalità di alcuni blocchi è stata implementata nel ADC. Il controllo del guadagno, tradizionalmente effettuato da un amplificatore a guadagno variabile o “programmable gain amplifier” (PGA) attivato in corrispondenza degli attraversamenti dello zero rilevati da un “zero crossing detector” (ZCD), è stato inserito nell’anello di reazione del ADC attraverso un banco di condensatori selezionabili tramite controllo digitale. Gli effetti della commutazione del guadagno sul “dithering” e sulla traslazione del “idle-tone” sono state esaminati e sono state proposte delle soluzioni. Questo ha aperto alla possibilità di migliorare la qualità delle transizioni di guadagno attraverso un controllo a modulazione di larghezza dell’impulso o “Pulse Width Modulation” (PWM) che consente una variazione del guadagno e di conseguenza del segnale audio, molto più graduale rispetto a quanto avviene nelle soluzioni attualmente disponibili sul mercato. Infine un ADC in banda audio con area pari a 0.073 mm2 e consumo di corrente pari a 950 A da una tensione di alimentazione di 2.3 V, è stato realizzato in tecnologia CMOS 40nm. Il progetto è stato validato tramite la caratterizzazione sperimentale sia su un microchip di silicio a se’ stante contenente il solo ADC, sia sulla catena audio del processore in banda base G4860 che sta per essere adottato da Samsung per una prossima generazione di telefoni cellulari. Tra i principali obiettivi innovativi raggiunti si hanno: (i) Riduzione del 15% dell’area occupata dai condensatori commutati rispetto alle soluzioni di ADC riportati in letteratura con simili prestazioni, (ii) riduzione del 25% in area e del 30% in corrente nella catena di “uplink” audio sviluppata per un progetto GSM commerciale per mezzo dell’eliminazione sia del PGA che dello ZCD nel “front-end” audio, (iii) maggiore gradualità nel cambiamento del guadagno rispetto i dispositivi esistenti grazie ad una tecnica di controllo originale che è stata proposta per l’ottenimento di un brevetto da parte di ST-Ericsson

Audio Telecom ADC Featuring Click-Free Gain Control Technique, Dithering Insertion, and Idle Tone Shifting

Applying pulsewidth modulation (PWM) to control the gain in audio codecs for mobile applications leads to several advantages, such as the smooth control of tuning parameters, smaller silicon area, and lower power consumption, as compared with other tuning techniques using programmable gain amplifiers and zero crossing detectors. The PWM has to be embedded into the main signal path, preferably in a closed-loop control scheme, in order to exploit its benefits. However, the insertion of dithering and offset controls in a gain setting loop poses the problem of controlling their effects in all gain conditions. This paper reports a novel technique aimed at solving the associated issues and limitations, and provides the experimental proof of the concept through the implementation of a test-chip design on silicon. In particular, this paper reports the design and experimental results of a delta-sigma analog-to-digital converter featuring a click-free gain control technique, dithering insertion, and idle-tone shifting, which has been implemented in a 40-nm complementary metal-oxide-semiconductor technology for commercial telecom audio codec applications

NASA Tech Briefs, April 2000

Topics covered include: Imaging/Video/Display Technology; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Bio-Medical; Test and Measurement; Mathematics and Information Sciences; Books and Reports

Proceedings of the Fifth International Mobile Satellite Conference 1997

Satellite-based mobile communications systems provide voice and data communications to users over a vast geographic area. The users may communicate via mobile or hand-held terminals, which may also provide access to terrestrial communications services. While previous International Mobile Satellite Conferences have concentrated on technical advances and the increasing worldwide commercial activities, this conference focuses on the next generation of mobile satellite services. The approximately 80 papers included here cover sessions in the following areas: networking and protocols; code division multiple access technologies; demand, economics and technology issues; current and planned systems; propagation; terminal technology; modulation and coding advances; spacecraft technology; advanced systems; and applications and experiments