Dabartinio režimo osciliatoriaus, skirto D klasės garso stiprintuvams, dizainas: 6 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Pastaraisiais metais D klasės garso stiprintuvai tapo populiariausiu nešiojamų garso sistemų, tokių kaip MP3 ir mobilieji telefonai, sprendimu dėl didelio efektyvumo ir mažos energijos sąnaudos. Osciliatorius yra svarbi D klasės garso stiprintuvo dalis. Osciliatorius turi didelę įtaką stiprintuvo garso kokybei, lusto efektyvumui, elektromagnetiniams trikdžiams ir kitiems rodikliams. Šiuo tikslu šiame dokumente sukurta srovės valdoma osciliatoriaus grandinė D klasės galios stiprintuvams. Modulis yra pagrįstas dabartiniu režimu ir daugiausia įgyvendina dvi funkcijas: viena yra suteikti trikampio bangos signalą, kurio amplitudė yra proporcinga maitinimo įtampai; kita - suteikti kvadratinių bangų signalą, kurio dažnis beveik nepriklauso nuo maitinimo įtampos, o kvadratinių bangų signalo darbo santykis yra 50%.

1 žingsnis: dabartinio režimo osciliatoriaus principas

Osciliatoriaus veikimo principas yra valdyti kondensatoriaus įkrovimą ir iškrovimą srovės šaltiniu per MOS jungiklio vamzdį, kad būtų sukurtas trikampio bangos signalas. Įprastinio srovės režimo generatoriaus blokinė schema parodyta 1 paveiksle.

Dabartinio režimo osciliatoriaus dizainas D klasės garso stiprintuvams

Fig. 1, R1, R2, R3 ir R4 generuoja slenkstinę įtampą VH, VL ir etaloninę įtampą Vref, padalindami maitinimo įtampos įtampą. Tada etaloninė įtampa perduodama per stiprintuvų OPA ir MN1 LDO struktūrą, kad būtų sukurta etaloninė srovė Iref, proporcinga maitinimo įtampai. Taigi yra:

MP1, MP2 ir MP3 šioje sistemoje gali sudaryti veidrodinį srovės šaltinį, kad generuotų įkrovimo srovę IB1. Veidrodinis srovės šaltinis, sudarytas iš MP1, MP2, MN2 ir MN3, generuoja išleidimo srovę IB2. Daroma prielaida, kad MP1, MP2 ir MP3 pločio ir ilgio santykis yra vienodas, o MN2 ir MN3 - vienodo pločio ir ilgio santykio. Tada yra:

Kai osciliatorius veikia, įkrovimo fazės t1 metu, CLK = 1, MP3 vamzdis įkrauna kondensatorių pastovia srove IB1. Po to įtampa taške A kyla tiesiškai. Kai įtampa taške A yra didesnė už VH, įtampa cmp1 išėjime pasukama į nulį. Loginį valdymo modulį daugiausia sudaro RS šlepetės. Kai cmp1 išėjimas yra 0, išėjimo gnybtas CLK yra apverstas į žemą lygį, o CLK yra aukštas lygis. Osciliatorius patenka į iškrovos fazę t2, tada kondensatorius C pradeda išsikrauti esant pastoviai srovei IB2, dėl to įtampa taške A sumažėja. Kai įtampa nukrenta žemiau VL, cmp2 išėjimo įtampa tampa lygi nuliui. RS šlepetė apverčiama, CLK pakyla aukštai, o CLK-žemai, baigiant įkrovimo ir iškrovimo laikotarpį. Kadangi IB1 ir IB2 yra lygūs, kondensatoriaus įkrovimo ir iškrovimo laikas yra vienodas. A taško trikampio bangos kylančio krašto nuolydis yra lygus absoliučiai krintančio krašto nuolydžio vertei. Todėl CLK signalas yra kvadratinių bangų signalas, kurio darbo koeficientas yra 50%.

Šio generatoriaus išėjimo dažnis nepriklauso nuo maitinimo įtampos, o trikampio bangos amplitudė yra proporcinga maitinimo įtampai.

2 žingsnis: Osciliatoriaus grandinės diegimas

Šiame dokumente sukurta osciliatoriaus grandinės konstrukcija parodyta 2 paveiksle. Grandinė yra padalinta į tris dalis: slenkstinę įtampos generavimo grandinę, įkrovimo ir iškrovimo srovės generavimo grandinę ir loginę valdymo grandinę.

D klasės garso galios stiprintuvų dabartinio režimo osciliatoriaus dizainas 2 pav. Osciliatoriaus įgyvendinimo grandinė

2.1 Ribinės įtampos generavimo įrenginys

Ribinę įtampą generuojančią dalį gali sudaryti MN1 ir keturi įtampos skirstymo rezistoriai R1, R2, R3 ir R4, kurių atsparumo vertės yra vienodos. MOS tranzistorius MN1 čia naudojamas kaip perjungimo tranzistorius. Kai nėra įvestas garso signalas, lustas nustato žemą CTRL gnybtą, VH ir VL yra 0V, o osciliatorius nustoja veikti, kad sumažintų statinį lusto energijos suvartojimą. Kai yra signalo įvestis, CTRL yra žemas, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Dėl aukšto dažnio lygintuvo veikimo, jei taškas B ir taškas C yra tiesiogiai prijungti prie lyginamojo įvesties, per parazitinę MOS tranzistoriaus talpą gali atsirasti elektromagnetinių trukdžių slenkstinei įtampai. Todėl ši grandinė sujungia tašką B ir tašką C su buferiu. Grandinių modeliavimas rodo, kad buferių naudojimas gali veiksmingai izoliuoti elektromagnetinius trukdžius ir stabilizuoti slenkstinę įtampą.

2.2 Įkrovimo ir iškrovimo srovės generavimas

Srovę, proporcingą maitinimo įtampai, gali generuoti OPA, MN2 ir R5. Kadangi OPA stiprinimas yra didelis, įtampos skirtumas tarp Vref ir V5 yra nereikšmingas. Dėl kanalo moduliacijos efekto MP11 ir MN10 sroves veikia šaltinio nutekėjimo įtampa. Todėl kondensatoriaus įkrovimo-iškrovimo srovė nebėra tiesinė su maitinimo įtampa. Šioje konstrukcijoje dabartinis veidrodis naudoja kaskadinę struktūrą, kad stabilizuotų MP11 ir MN10 šaltinio nutekėjimo įtampą ir sumažintų jautrumą maitinimo įtampai. Kintamosios srovės požiūriu, pakopinio kodo struktūra padidina srovės šaltinio (sluoksnio) išėjimo varžą ir sumažina išėjimo srovės klaidą. MN3, MN4 ir MP5 naudojami MP12 šalinei įtampai užtikrinti. MP8, MP10, MN6 gali suteikti MN9 šališkąją įtampą.

2.3 Logikos valdymo skyrius

„Flip-flop“išėjimas CLK ir CLK yra kvadratinių bangų signalai su priešingomis fazėmis, kuriais galima valdyti MP13, MN11 ir MP14, MN12 atidarymą ir uždarymą. MP14 ir MN11 veikia kaip perjungimo tranzistoriai, kurie 1 paveiksle veikia kaip SW1 ir SW2. MN12 ir MP13 veikia kaip pagalbiniai vamzdžiai, kurių pagrindinė funkcija yra sumažinti įkrovimo ir iškrovimo srovės įtrūkimus ir pašalinti aštrių trikampių bangų reiškinį.. Aštraus fotografavimo reiškinį daugiausia sukelia kanalo įkrovos įpurškimo efektas, kai MOS tranzistorius yra būsenos perėjime.

Darant prielaidą, kad MN12 ir MP13 pašalinami, kai CLK pereina nuo 0 iki 1, MP14 įjungiamas į išjungimo būseną, o dabartinis šaltinis, sudarytas iš MP11 ir MP12, yra priverstas akimirksniu patekti į gilią tiesinę sritį iš prisotinimo srities, o MP11, MP12, MP13 yra Kanalo įkrova ištraukiama per labai trumpą laiką, o tai sukelia didelę trikdžių srovę, sukeliančią šuolio įtampą taške A. Tuo pačiu metu MN11 pereina iš išjungtos būsenos į įjungimo būseną ir dabartiniai sluoksniai, sudaryti iš MN10 ir MN9, eina iš gilios tiesinės srities į prisotinimo sritį. Šių trijų vamzdžių kanalo talpa įkraunama per trumpą laiką, o tai taip pat sukelia didelę srovės srovę ir smaigalio įtampą. Panašiai, jei pašalinamas pagalbinis vamzdis MN12, MN11, MN10 ir MN9 taip pat sukuria didelę trikdžių srovę ir smaigalio įtampą, kai šokinėja CLK. Nors MP13 ir MP14 pločio ir ilgio santykis yra vienodas, vartų lygis yra priešingas, todėl MP13 ir MP14 įjungiami pakaitomis. MP13 atlieka du pagrindinius vaidmenis pašalinant smaigalio įtampą. Pirmiausia įsitikinkite, kad MP11 ir MP12 veikia prisotinimo srityje viso ciklo metu, kad būtų užtikrintas srovės tęstinumas ir išvengta staigios fotografavimo įtampos, kurią sukelia srovės veidrodis. Antra, padarykite MP13 ir MP14 papildomą vamzdelį. Taigi CLK įtampos pasikeitimo momentu vieno vamzdžio kanalo talpa įkraunama, o kito vamzdžio kanalo talpa iškraunama, o teigiami ir neigiami krūviai vienas kitą panaikina, todėl labai sumažėja trikdžių srovė. Panašiai vaidmenį atliks ir MN12 įvedimas.

2.4 Remonto technologijos taikymas

Skirtingų MOS mėgintuvėlių partijų parametrai gali skirtis. Esant skirtingiems proceso kampams, MOS vamzdžio oksido sluoksnio storis taip pat bus skirtingas, o atitinkamas Cox taip pat atitinkamai pasikeis, dėl to pasikeis įkrovimo ir iškrovimo srovė, pasikeis osciliatoriaus išėjimo dažnis. Integruoto grandyno konstrukcijoje apipjaustymo technologija daugiausia naudojama rezistorių ir rezistorių tinklui (arba kondensatorių tinklui) modifikuoti. Skirtingi rezistorių tinklai gali būti naudojami norint padidinti arba sumažinti pasipriešinimą (arba talpą) projektuojant skirtingus rezistorių tinklus (arba kondensatorių tinklus). Įkrovimo ir iškrovimo sroves IB1 ir IB2 daugiausia lemia dabartinis Iref. Ir Iref = Vdd/2R5. Todėl šis dizainas pasirenka apkarpyti rezistorių R5. Apipjaustymo tinklas parodytas 3 paveiksle. Paveiksle visi rezistoriai yra lygūs. Šioje konstrukcijoje rezistoriaus R5 varža yra 45 kΩ. R5 yra nuosekliai prijungtas prie dešimties mažų rezistorių, kurių varža yra 4,5 kΩ. Sujungus laidą tarp dviejų taškų A ir B, R5 pasipriešinimas gali padidėti 2,5%, o lydymas tarp B ir C - 1,25%, tarp A, B ir B, C. Visi saugikliai sudegę., o tai padidina atsparumą 3,75%. Šios apipjaustymo technikos trūkumas yra tas, kad ji gali tik padidinti atsparumo vertę, bet ne mažą.

3 paveikslas atsparumo remonto tinklo struktūra

3 žingsnis: modeliavimo rezultatų analizė

Šis dizainas gali būti įgyvendintas naudojant CSMC 0,5 μm CMOS procesą ir gali būti imituojamas naudojant „Spectre“įrankį.

3.1 Trikampės bangos patobulinimas naudojant papildomą perjungimo vamzdį

4 paveiksle pavaizduota schema, rodanti trikampio bangos pagerėjimą papildomu jungiklio vamzdžiu. Iš 4 pav. Matyti, kad šios konstrukcijos MP13 ir MN12 bangos formos neturi akivaizdžių smailių, kai keičiasi nuolydis, o pridėjus pagalbinį vamzdelį, bangos formos galandimo reiškinys išnyksta.

4 paveikslas Patobulinta papildomo perjungimo vamzdžio bangos forma į trikampę bangą

3.2 Maitinimo įtampos ir temperatūros įtaka

Iš 5 paveikslo matyti, kad generatoriaus dažnis keičiasi iki 1,86%, kai maitinimo įtampa keičiasi nuo 3 V iki 5 V. Kai temperatūra keičiasi nuo -40 ° C iki 120 ° C, osciliatoriaus dažnis keičiasi 1,93%. Galima pastebėti, kad kai temperatūra ir maitinimo įtampa labai skiriasi, osciliatoriaus išėjimo dažnis gali išlikti stabilus, kad būtų užtikrintas normalus lusto veikimas.

5 pav. Įtampos ir temperatūros poveikis dažniui

4 žingsnis: Išvada

Šiame dokumente suprojektuotas srovės valdomas osciliatorius D klasės garso stiprintuvams. Paprastai šis generatorius gali išvesti kvadratinių ir trikampių bangų signalus, kurių dažnis yra 250 kHz. Be to, generatoriaus išėjimo dažnis gali išlikti stabilus, kai temperatūra ir maitinimo įtampa labai skiriasi. Be to, smaigalio įtampą taip pat galima pašalinti pridedant papildomus perjungimo tranzistorius. Įdiegus rezistorių tinklo apkarpymo techniką, esant tiksliam proceso variantui, galima gauti tikslų išėjimo dažnį. Šiuo metu šis osciliatorius buvo naudojamas D klasės garso stiprintuve.