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

Proceedings of the Mobile Satellite Conference

A satellite-based mobile communications system provides voice and data communications to mobile users over a vast geographic area. The technical and service characteristics of mobile satellite systems (MSSs) are presented and form an in-depth view of the current MSS status at the system and subsystem levels. Major emphasis is placed on developments, current and future, in the following critical MSS technology areas: vehicle antennas, networking, modulation and coding, speech compression, channel characterization, space segment technology and MSS experiments. Also, the mobile satellite communications needs of government agencies are addressed, as is the MSS potential to fulfill them

NASA Tech Briefs, August 1994

Topics covered include: Computer Hardware; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery; Fabrication Technology; Mathematics and Information Sciences; Life Sciences; Books and Reports