Design of an Envelope Tracking Circuit for Piezoelectric MEMS-based Earbuds

This thesis focuses on studying and designing an Envelope Tracking (ET) circuit, which is part of an integrated system for MEMS-based earbuds. The system comprises a piezoelectric MEMS speaker, a Power Amplifier (PA) to drive the speaker and a digital front-end, all powered by a power management circuit, which in this case is implemented with a Single Inductor Multiple Output (SIMO) boost converter. The ET circuit constantly compares the audio signal of the PA with its supply voltage in order to keep this as low as possible to minimize power consumption. This operation is performed by two primary blocks: a switched capacitor circuit that processes the PA differential input signal, and a dynamic latch comparator that compares the output of the first block with a partitioned version of the PA supply voltage. Whenever the input signal value reaches the supply voltage value, the comparator sends a control signal to the central logic of the system, which then modulates the supply voltage accordingly. The design of the ET has been tested in different operating conditions, including Process, Voltage and Temperature (PVT) variations and MonteCarlo simulations.

Progettazione di un Circuito di Envelope Tracking per Auricolati basati su MEMS Piezoelettrico. Questa tesi si concentra sullo studio e sulla progettazione di un circuito di Envelope Tracking (ET), che fa parte di un sistema integrato per auricolari basati sull'utilizzo di un MEMS speaker per la riproduzione del suono. Il sistema comprende un altoparlante piezoelettrico MEMS, un amplificatore di potenza (PA) per pilotare l'altoparlante e un front-end digitale, tutti alimentati da un circuito di power management, che in questo caso è implementato con un Single Inductor Multiple Output (SIMO) boost converter. Il circuito ET confronta costantemente il segnale audio del PA con la sua tensione di alimentazione, in modo da mantenerla il più bassa possibile per ridurre al minimo il consumo di energia. Questa operazione è eseguita da due blocchi principali: un circuito a capacità commutate che elabora il segnale di ingresso differenziale del PA e un comparatore dinamico latchato che confronta l'uscita del primo blocco con una versione partizionata della tensione di alimentazione del PA. Ogni volta che il valore del segnale di ingresso raggiunge il valore della tensione di alimentazione, il comparatore invia un segnale di controllo alla logica centrale del sistema, che modula di conseguenza la tensione di alimentazione. Il progetto dell'ET è stato testato in diverse condizioni operative, tra cui variazioni di processo, tensione e temperatura (PVT) e simulazioni MonteCarlo.