Σχεδιασμός ταλαντωτή με βάση την τρέχουσα λειτουργία για ενισχυτές ήχου κατηγορίας D: 6 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Τα τελευταία χρόνια, οι ενισχυτές ισχύος ήχου κλάσης D έχουν γίνει η προτιμώμενη λύση για φορητά ηχοσυστήματα όπως MP3 και κινητά τηλέφωνα λόγω της υψηλής απόδοσης και της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Ο ταλαντωτής είναι ένα σημαντικό μέρος του ενισχυτή ήχου κλάσης D. Ο ταλαντωτής έχει σημαντική επίδραση στην ποιότητα ήχου του ενισχυτή, την απόδοση του τσιπ, τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και άλλους δείκτες. Για το σκοπό αυτό, αυτό το έγγραφο σχεδιάζει ένα κύκλωμα ταλαντωτή ελεγχόμενο με ρεύμα για ενισχυτές ισχύος κατηγορίας D. Η μονάδα βασίζεται στην τρέχουσα λειτουργία και εφαρμόζει κυρίως δύο λειτουργίες: η μία είναι να παρέχει ένα τριγωνικό σήμα κύματος του οποίου το πλάτος είναι ανάλογο με την τάση τροφοδοσίας. το άλλο είναι να παρέχει ένα σήμα τετραγωνικού κύματος του οποίου η συχνότητα είναι σχεδόν ανεξάρτητη από την τάση τροφοδοσίας και η αναλογία λειτουργίας του σήματος τετραγωνικού κύματος είναι 50%.

Βήμα 1: Αρχή ταλαντωτή τρέχουσας λειτουργίας

Η αρχή λειτουργίας του ταλαντωτή είναι να ελέγχει τη φόρτιση και την εκφόρτιση του πυκνωτή από την τρέχουσα πηγή μέσω του σωλήνα διακοπτών MOS για να παράγει ένα τριγωνικό σήμα κύματος. Ένα μπλοκ διάγραμμα ενός συμβατικού ταλαντωτή βασισμένου σε ρεύμα φαίνεται στο σχήμα 1.

Σχεδιασμός ταλαντωτή με βάση την τρέχουσα λειτουργία για ενισχυτές ήχου κατηγορίας D

Στο ΣΧ. 1, R1, R2, R3 και R4 δημιουργούν τάσεις κατωφλίου VH, VL και τάση αναφοράς Vref διαιρώντας μια τάση τάσης τροφοδοσίας. Στη συνέχεια, η τάση αναφοράς περνά μέσα από μια δομή LDO ενισχυτών OPA και MN1 για να παράγει ένα ρεύμα αναφοράς Iref που είναι ανάλογο με την τάση τροφοδοσίας. Υπάρχουν λοιπόν:

Τα MP1, MP2 και MP3 σε αυτό το σύστημα μπορούν να σχηματίσουν μια πηγή ρεύματος καθρέφτη για να δημιουργήσουν ρεύμα φόρτισης IB1. Η πηγή ρεύματος καθρέφτη που αποτελείται από MP1, MP2, MN2 και MN3 δημιουργεί ρεύμα εκκένωσης IB2. Θεωρείται ότι οι MP1, MP2 και MP3 έχουν ίσες αναλογίες πλάτους σε μήκος και οι MN2 και MN3 έχουν ίσες αναλογίες πλάτους σε μήκος. Στη συνέχεια υπάρχουν:

Όταν ο ταλαντωτής λειτουργεί, κατά τη φάση φόρτισης t1, CLK = 1, ο σωλήνας MP3 φορτίζει τον πυκνωτή με σταθερό ρεύμα IB1. Μετά από αυτό, η τάση στο σημείο Α αυξάνεται γραμμικά. Όταν η τάση στο σημείο Α είναι μεγαλύτερη από VH, η τάση στην έξοδο του cmp1 γίνεται μηδέν. Η μονάδα ελέγχου λογικής αποτελείται κυρίως από σαγιονάρες RS. Όταν η έξοδος του cmp1 είναι 0, το τερματικό εξόδου CLK αντιστρέφεται σε χαμηλό επίπεδο και το CLK είναι υψηλό επίπεδο. Ο ταλαντωτής εισέρχεται στη φάση εκφόρτισης t2, οπότε ο πυκνωτής C αρχίζει να εκφορτίζεται με σταθερό ρεύμα ΙΒ2, προκαλώντας πτώση της τάσης στο σημείο Α. Όταν η τάση πέσει κάτω από το VL, η τάση εξόδου του cmp2 γίνεται μηδέν. Το flip-flop RS αναποδογυρίζει, το CLK ανεβαίνει ψηλά και το CLK χαμηλώνει, ολοκληρώνοντας μια περίοδο φόρτισης και εκφόρτισης. Δεδομένου ότι τα IB1 και IB2 είναι ίσα, οι χρόνοι φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή είναι ίσοι. Η κλίση της ανερχόμενης ακμής του τριγωνικού κύματος σημείου Α είναι ίση με την απόλυτη τιμή της κλίσης της ακμής που πέφτει. Επομένως, το σήμα CLK είναι σήμα τετραγωνικού κύματος με λόγο λειτουργίας 50%.

Η συχνότητα εξόδου αυτού του ταλαντωτή είναι ανεξάρτητη από την τάση τροφοδοσίας και το πλάτος του τριγωνικού κύματος είναι ανάλογο με την τάση τροφοδοσίας.

Βήμα 2: Εφαρμογή κυκλώματος ταλαντωτή

Ο σχεδιασμός του κυκλώματος ταλαντωτών που σχεδιάστηκε σε αυτό το έγγραφο φαίνεται στο σχήμα 2. Το κύκλωμα χωρίζεται σε τρία μέρη: ένα κύκλωμα δημιουργίας τάσης κατωφλίου, ένα κύκλωμα δημιουργίας ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης και ένα κύκλωμα λογικού ελέγχου.

Σχεδιασμός ταλαντωτή με βάση την τρέχουσα λειτουργία για ενισχυτές ισχύος ήχου κλάσης D Σχήμα 2 κύκλωμα εφαρμογής ταλαντωτή

2.1 Μονάδα παραγωγής τάσης κατωφλίου

Το τμήμα δημιουργίας τάσης κατωφλίου μπορεί να αποτελείται από MN1 και τέσσερις αντιστάσεις διαίρεσης τάσης R1, R2, R3 και R4 που έχουν ίσες τιμές αντίστασης. Το τρανζίστορ MOS MN1 χρησιμοποιείται εδώ ως τρανζίστορ μεταγωγής. Όταν δεν εισάγεται ηχητικό σήμα, το τσιπ ρυθμίζει τον ακροδέκτη CTRL χαμηλά, τα VH και VL είναι και τα δύο 0V και ο ταλαντωτής σταματά να λειτουργεί για να μειώσει τη στατική κατανάλωση ισχύος του τσιπ. Όταν υπάρχει είσοδος σήματος, το CTRL είναι χαμηλό, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Λόγω της υψηλής συχνότητας λειτουργίας του συγκριτή, εάν το σημείο Β και το σημείο Γ συνδέονται απευθείας με την είσοδο του συγκριτή, μπορεί να δημιουργηθεί ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή στην τάση κατωφλίου μέσω της παρασιτικής χωρητικότητας του τρανζίστορ MOS. Επομένως, αυτό το κύκλωμα συνδέει το σημείο Β και το σημείο C με το buffer. Οι προσομοιώσεις κυκλωμάτων δείχνουν ότι η χρήση ρυθμιστικών μπορεί να απομονώσει αποτελεσματικά τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και να σταθεροποιήσει την τάση κατωφλίου.

2.2 Δημιουργία ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης

Το ρεύμα ανάλογο με την τάση τροφοδοσίας μπορεί να δημιουργηθεί από OPA, MN2 και R5. Δεδομένου ότι το κέρδος του OPA είναι υψηλό, η διαφορά τάσης μεταξύ Vref και V5 είναι αμελητέα. Λόγω της επίδρασης διαμόρφωσης καναλιού, τα ρεύματα των MP11 και MN10 επηρεάζονται από την τάση αποστράγγισης πηγής. Επομένως, το ρεύμα φόρτισης-εκφόρτισης του πυκνωτή δεν είναι πλέον γραμμικό με την τάση τροφοδοσίας. Σε αυτόν τον σχεδιασμό, ο τρέχων καθρέφτης χρησιμοποιεί δομή cascode για να σταθεροποιήσει την τάση αποστράγγισης πηγής MP11 και MN10 και να μειώσει την ευαισθησία στην τάση τροφοδοσίας. Από πλευράς εναλλασσόμενου ρεύματος, η δομή cascode αυξάνει την αντίσταση εξόδου της τρέχουσας πηγής (στρώσης) και μειώνει το σφάλμα στο ρεύμα εξόδου. Τα MN3, MN4 και MP5 χρησιμοποιούνται για την παροχή τάσης πόλωσης για το MP12. Τα MP8, MP10, MN6 μπορούν να παρέχουν τάση πόλωσης για το MN9.

2.3 Ενότητα ελέγχου λογικής

Τα έξοδα CLK και CLK του flip-flop είναι σήματα τετραγωνικού κύματος με αντίθετες φάσεις, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο του ανοίγματος και του κλεισίματος των MP13, MN11 και MP14, MN12. Τα MP14 και MN11 λειτουργούν ως τρανζίστορ μεταγωγής, τα οποία λειτουργούν ως SW1 και SW2 στο Σχήμα 1. Τα MN12 και MP13 λειτουργούν ως βοηθητικοί σωλήνες, των οποίων η κύρια λειτουργία είναι να μειώσουν τις φούσκες του ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης και να εξαλείψουν το φαινόμενο της αιχμηρής λήψης τριγωνικών κυμάτων Ε Το φαινόμενο αιχμηρού πυροβολισμού προκαλείται κυρίως από το φαινόμενο έγχυσης φορτίου καναλιού όταν το τρανζίστορ MOS βρίσκεται σε κατάσταση μετάβασης.

Υποθέτοντας ότι τα MN12 και MP13 αφαιρούνται, όταν το CLK μεταβαίνει από 0 σε 1, το MP14 ενεργοποιείται στην κατάσταση απενεργοποίησης και η τρέχουσα πηγή που αποτελείται από MP11 και MP12 αναγκάζεται να εισέλθει στη βαθιά γραμμική περιοχή από την περιοχή κορεσμού ακαριαία, και MP11, MP12, MP13 είναι Η φόρτιση του καναλιού εξαντλείται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, γεγονός που προκαλεί μεγάλο ρεύμα διακοπής, προκαλώντας αύξηση τάσης στο σημείο Α. Ταυτόχρονα, το MN11 πηδά από την κατάσταση απενεργοποίησης στην κατάσταση ενεργοποίησης και τα τρέχοντα στρώματα που αποτελούνται από MN10 και MN9 πηγαίνουν από τη βαθιά γραμμική περιοχή στην περιοχή κορεσμού. Η χωρητικότητα του καναλιού αυτών των τριών σωλήνων φορτίζεται σε σύντομο χρονικό διάστημα, γεγονός που προκαλεί επίσης μεγάλο ρεύμα Burr και τάση αιχμής. Παρομοίως, εάν αφαιρεθεί ο βοηθητικός σωλήνας MN12, οι MN11, MN10 και MN9 παράγουν επίσης ένα μεγάλο ρεύμα διακοπής και μια τάση αιχμής όταν το CLK είναι πεταχτό. Παρόλο που τα MP13 και MP14 έχουν τον ίδιο λόγο πλάτους προς μήκος, το επίπεδο της πύλης είναι αντίθετο, οπότε τα MP13 και MP14 ενεργοποιούνται εναλλάξ. Το MP13 παίζει δύο κύριους ρόλους στην εξάλειψη της τάσης αιχμής. Πρώτον, βεβαιωθείτε ότι τα MP11 και MP12 λειτουργούν στην περιοχή κορεσμού καθ 'όλη τη διάρκεια του κύκλου για να διασφαλίσετε τη συνέχεια του ρεύματος και να αποφύγετε την τάση απότομης λήψης που προκαλείται από τον τρέχοντα καθρέφτη. Δεύτερον, κάντε τα MP13 και MP14 να αποτελούν συμπληρωματικό σωλήνα. Έτσι, τη στιγμή της αλλαγής τάσης CLK, η χωρητικότητα καναλιού ενός σωλήνα φορτίζεται και η χωρητικότητα καναλιού του άλλου σωλήνα αποφορτίζεται και τα θετικά και αρνητικά φορτία ακυρώνουν το ένα το άλλο, μειώνοντας έτσι σημαντικά το ρεύμα διακοπής. Ομοίως, η εισαγωγή του MN12 θα παίξει τον ίδιο ρόλο.

2.4 Εφαρμογή τεχνολογίας επισκευής

Οι παράμετροι διαφορετικών παρτίδων σωλήνων MOS θα διαφέρουν μεταξύ των γκοφρέτας. Υπό διαφορετικές γωνίες διαδικασίας, το πάχος του στρώματος οξειδίου του σωλήνα MOS θα είναι επίσης διαφορετικό και το αντίστοιχο Cox θα αλλάξει επίσης ανάλογα, προκαλώντας μετατόπιση του ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης, προκαλώντας αλλαγή της συχνότητας εξόδου του ταλαντωτή. Στο σχεδιασμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, η τεχνολογία κοπής χρησιμοποιείται κυρίως για την τροποποίηση του αντιστάτη και του αντιστάτη δικτύου (ή του πυκνωτικού δικτύου). Διαφορετικά δίκτυα αντίστασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αυξήσουν ή να μειώσουν την αντίσταση (ή χωρητικότητα) για να σχεδιάσουν διαφορετικά δίκτυα αντιστάσεων (ή δίκτυα πυκνωτών). Τα ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης IB1 και IB2 καθορίζονται κυρίως από το τρέχον Iref. Και Iref = Vdd/2R5. Επομένως, αυτός ο σχεδιασμός επιλέγει να κόψει την αντίσταση R5. Το δίκτυο κοπής φαίνεται στο σχήμα 3. Στο σχήμα, όλες οι αντιστάσεις είναι ίσες. Σε αυτό το σχέδιο, η αντίσταση της αντίστασης R5 είναι 45kΩ. Το R5 συνδέεται σε σειρά με δέκα μικρές αντιστάσεις με αντίσταση 4,5kΩ. Η συγχώνευση του σύρματος μεταξύ των δύο σημείων Α και Β μπορεί να αυξήσει την αντίσταση του R5 κατά 2,5%και η σύντηξη του σύρματος μεταξύ Β και Γ μπορεί να αυξήσει την αντίσταση κατά 1,25%, μεταξύ Α, Β και Β, C. Οι ασφάλειες είναι όλες καμένες, η οποία αυξάνει την αντίσταση κατά 3,75%. Το μειονέκτημα αυτής της τεχνικής κοπής είναι ότι μπορεί να αυξήσει μόνο την τιμή αντίστασης, αλλά όχι τη μικρή.

Εικόνα 3 Δομή δικτύου επισκευής αντίστασης

Βήμα 3: Ανάλυση αποτελεσμάτων προσομοίωσης

Αυτός ο σχεδιασμός μπορεί να εφαρμοστεί στη διαδικασία CMOS 0,5μm της CSMC και μπορεί να προσομοιωθεί με το εργαλείο Spectre.

3.1 Βελτίωση τριγωνικού κύματος με συμπληρωματικό σωλήνα μεταγωγής

Το σχήμα 4 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα που δείχνει τη βελτίωση του τριγωνικού κύματος από τον συμπληρωματικό σωλήνα διακοπτών. Μπορεί να φανεί από το Σχήμα 4 ότι οι κυματομορφές των MP13 και MN12 σε αυτό το σχέδιο δεν έχουν εμφανείς κορυφές όταν αλλάζει η κλίση και το φαινόμενο ακονίσματος κυματομορφής εξαφανίζεται μετά την προσθήκη του βοηθητικού σωλήνα.

Εικόνα 4 Βελτιωμένη κυματομορφή του συμπληρωματικού σωλήνα μεταγωγής στο τριγωνικό κύμα

3.2 Επίδραση της τάσης και της θερμοκρασίας τροφοδοσίας

Από το Σχήμα 5 φαίνεται ότι η συχνότητα του ταλαντωτή αλλάζει σε 1,86% όταν η τάση τροφοδοσίας αλλάζει από 3V σε 5V. Όταν η θερμοκρασία αλλάζει από -40 ° C σε 120 ° C, η συχνότητα των ταλαντωτών αλλάζει κατά 1,93%. Μπορεί να φανεί ότι όταν η θερμοκρασία και η τάση τροφοδοσίας ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό, η συχνότητα εξόδου του ταλαντωτή μπορεί να παραμείνει σταθερή, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η κανονική λειτουργία του τσιπ.

Εικόνα 5 Επίδραση τάσης και θερμοκρασίας στη συχνότητα

Βήμα 4: Συμπέρασμα

Αυτό το χαρτί σχεδιάζει έναν ταλαντωτή ελεγχόμενου ρεύματος για ενισχυτές ήχου τάξης D. Συνήθως, αυτός ο ταλαντωτής μπορεί να εξάγει τετράγωνα και τριγωνικά κύματα με συχνότητα 250 kHz. Επιπλέον, η συχνότητα εξόδου του ταλαντωτή μπορεί να παραμείνει σταθερή όταν η θερμοκρασία και η τάση τροφοδοσίας ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό. Επιπλέον, η τάση αιχμής μπορεί επίσης να αφαιρεθεί προσθέτοντας συμπληρωματικά τρανζίστορ μεταγωγής. Εισάγοντας μια τεχνική κοπής δικτύου αντιστάσεων, μπορεί να επιτευχθεί μια ακριβής συχνότητα εξόδου παρουσία παραλλαγών διαδικασίας. Επί του παρόντος, αυτός ο ταλαντωτής έχει χρησιμοποιηθεί σε ενισχυτή ήχου κατηγορίας D.