Zasnova trenutnega oscilatorja za ojačevalnike zvoka moči razreda D: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

V zadnjih letih so ojačevalniki zvoka moči razreda D zaradi visoke učinkovitosti in nizke porabe energije postali prednostna rešitev za prenosne avdio sisteme, kot so MP3 in mobilni telefoni. Oscilator je pomemben del zvočnega ojačevalnika razreda D. Oscilator pomembno vpliva na kakovost zvoka ojačevalnika, učinkovitost čipa, elektromagnetne motnje in druge kazalnike. V ta namen je v tem dokumentu oblikovano trenutno krmiljeno oscilacijsko vezje za ojačevalnike moči razreda D. Modul temelji na trenutnem načinu in v glavnem izvaja dve funkciji: eno je zagotoviti signal trikotnega vala, katerega amplituda je sorazmerna z napajalno napetostjo; drugi je zagotoviti signal kvadratnega vala, katerega frekvenca je skoraj neodvisna od napajalne napetosti, razmerje obremenitve signala kvadratnega vala pa je 50%.

Korak 1: Načelo oscilatorja trenutnega načina

Načelo delovanja oscilatorja je krmiljenje polnjenja in praznjenja kondenzatorja s pomočjo tokovnega vira skozi stikalno cev MOS za ustvarjanje signala trikotnega vala. Blok diagram običajnega oscilatorja, ki temelji na trenutnem načinu, je prikazan na sliki 1.

Zasnova trenutnega oscilatorja za ojačevalnike zvoka moči razreda D

Na sl. 1, R1, R2, R3 in R4 ustvarijo pragove napetosti VH, VL in referenčno napetost Vref z delitvijo napetosti napajalne napetosti. Referenčna napetost se nato prenese skozi strukturo LDO ojačevalnikov OPA in MN1, da se ustvari referenčni tok Iref, ki je sorazmeren z napajalno napetostjo. Torej obstajajo:

MP1, MP2 in MP3 v tem sistemu lahko tvorijo zrcalni vir toka za ustvarjanje polnilnega toka IB1. Zrcalni vir toka, sestavljen iz MP1, MP2, MN2 in MN3, ustvarja razelektritveni tok IB2. Predpostavlja se, da imajo MP1, MP2 in MP3 enaka razmerja širine in dolžine, MN2 in MN3 pa enaka razmerja širine in dolžine. Potem so tu še:

Ko oscilator deluje, med fazo polnjenja t1, CLK = 1, cev MP3 napolni kondenzator s konstantnim tokom IB1. Po tem se napetost v točki A linearno dvigne. Ko je napetost v točki A večja od VH, se napetost na izhodu cmp1 obrne na nič. Logični krmilni modul je v glavnem sestavljen iz RS natikačev. Ko je izhod cmp1 0, je izhodni priključek CLK obrnjen na nizko raven, CLK pa na visoko raven. Oscilator vstopi v fazo praznjenja t2, pri kateri se kondenzator C začne prazniti pri konstantnem toku IB2, zaradi česar napetost v točki A pade. Ko napetost pade pod VL, izhodna napetost cmp2 postane nič. RS flip-flop se obrne, CLK gre visoko, CLK pa se zniža, kar zaključi obdobje polnjenja in praznjenja. Ker sta IB1 in IB2 enaka, sta čas polnjenja in praznjenja kondenzatorja enaka. Nagib naraščajočega roba trikotnega vala točke A je enak absolutni vrednosti naklona padajočega roba. Zato je signal CLK kvadratni val z razmerjem obremenitve 50%.

Izhodna frekvenca tega oscilatorja je neodvisna od napajalne napetosti, amplituda trikotnega vala pa je sorazmerna z napajalno napetostjo.

2. korak: Izvajanje vezja oscilatorja

Zasnova oscilatornega vezja, zasnovana v tem dokumentu, je prikazana na sliki 2. Vezje je razdeljeno na tri dele: vezje za ustvarjanje praga napetosti, vezje za ustvarjanje toka polnjenja in praznjenja in logično krmilno vezje.

Zasnova oscilatorja, ki temelji na trenutnem načinu za ojačevalnike zvoka moči razreda D Slika 2 vezje izvedbe oscilatorja

2.1 Enota za ustvarjanje praga napetosti

Del za ustvarjanje praga napetosti lahko sestavljajo MN1 in štirje napetostni delilni upori R1, R2, R3 in R4 z enakimi vrednostmi upora. MOS tranzistor MN1 se tukaj uporablja kot preklopni tranzistor. Ko ni vhodnega zvočnega signala, čip nastavi terminal CTRL na nizko, VH in VL sta oba 0V, oscilator pa preneha delovati, da zmanjša statično porabo energije čipa. Ko je vhod signala, je CTRL nizek, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Zaradi visokofrekvenčnega delovanja primerjalnika, če sta točka B in točka C neposredno povezani z vhodom primerjalnika, lahko pride do elektromagnetnih motenj do praga napetosti skozi parazitsko kapacitivnost tranzistorja MOS. Zato to vezje povezuje točko B in točko C z medpomnilnikom. Simulacije vezja kažejo, da lahko uporaba odbojnikov učinkovito izolira elektromagnetne motnje in stabilizira mejno napetost.

2.2 Ustvarjanje polnilnega in praznilnega toka

Tok, sorazmeren z napajalno napetostjo, lahko ustvarijo OPA, MN2 in R5. Ker je dobiček OPA velik, je razlika v napetosti med Vref in V5 zanemarljiva. Zaradi učinka modulacije kanala na tokove MP11 in MN10 vpliva napetost vir-odtok. Zato tok polnjenja-praznjenja kondenzatorja ni več linearen glede na napajalno napetost. Pri tej zasnovi trenutno ogledalo uporablja strukturo cascode za stabilizacijo napetosti odvoda in odtoka MP11 in MN10 ter zmanjšanje občutljivosti na napajalno napetost. Z vidika izmeničnega toka struktura kodne kode poveča izhodni upor tokovnega vira (plasti) in zmanjša napako v izhodnem toku. MN3, MN4 in MP5 se uporabljajo za zagotavljanje pristranske napetosti za MP12. MP8, MP10, MN6 lahko zagotovijo pristransko napetost za MN9.

2.3 Oddelek za logično krmiljenje

Izhodna CLK in CLK flip-flopa sta kvadratna valovna signala z nasprotnimi fazami, ki ju lahko uporabimo za nadzor odpiranja in zapiranja MP13, MN11 in MP14, MN12. MP14 in MN11 delujeta kot preklopna tranzistorja, ki delujeta kot SW1 in SW2 na sliki 1. MN12 in MP13 delujeta kot pomožni cevi, katerih glavna naloga je zmanjšati razpoke polnilnega in praznilnega toka ter odpraviti pojav ostrega streljanja trikotnih valov. Pojav ostrega streljanja je predvsem posledica učinka vbrizgavanja naboja kanala, ko je tranzistor MOS v prehodu stanja.

Ob predpostavki, da sta MN12 in MP13 odstranjena, ko CLK preide iz 0 v 1, se MP14 vklopi v izklopljeno stanje, trenutni vir, sestavljen iz MP11 in MP12, pa je prisiljen takoj vstopiti v globoko linearno območje iz območja nasičenosti in MP11, MP12, MP13 so Kanal se napolni v zelo kratkem času, kar povzroči velik tok napake, kar povzroči konico napetosti v točki A. Hkrati MN11 skoči iz stanja izklopa v stanje vklopa in trenutni sloji, sestavljeni iz MN10 in MN9, gredo iz globokega linearnega območja v območje nasičenja. Kapaciteta kanala teh treh cevi se napolni v kratkem času, kar povzroči tudi velik Burrov tok in napetost. Podobno, če odstranite pomožno cev MN12, MN11, MN10 in MN9 prav tako ustvarijo velik tok napake in konico napetosti, ko CLK skoči. Čeprav imata MP13 in MP14 enako razmerje med širino in dolžino, je raven vrat nasprotna, zato se MP13 in MP14 izmenično vklopita. MP13 igra dve glavni vlogi pri odpravljanju konjske napetosti. Najprej zagotovite, da MP11 in MP12 delujeta v območju nasičenosti med celotnim ciklom, da zagotovite neprekinjenost toka in se izognete ostri strelni napetosti, ki jo povzroči trenutno ogledalo. Drugič, naj MP13 in MP14 tvorita komplementarno cev. Tako se v trenutku spremembe napetosti CLK napolni kapacitivnost kanala ene cevi, kapacitivnost kanala druge cevi pa se izprazni, pozitivni in negativni naboji pa se medsebojno izničijo, s čimer se močno zmanjša tok napake. Podobno bo enaka vloga imela uvedba MN12.

2.4 Uporaba tehnologije popravila

Parametri različnih serij MOS cevi se med različnimi rezinami razlikujejo. Pod različnimi koti procesa bo debela tudi oksidna plast cevi MOS drugačna, ustrezno se bo spremenil tudi ustrezen Cox, kar bo povzročilo premik napolnjenega in praznilnega toka, kar bo povzročilo spremembo izhodne frekvence oscilatorja. Pri načrtovanju integriranih vezij se tehnologija obrezovanja uporablja predvsem za spreminjanje upora in uporovnega omrežja (ali kondenzatorskega omrežja). Za povečanje ali zmanjšanje upora (ali kapacitivnosti) se lahko uporabijo različna uporovna omrežja za oblikovanje različnih uporovnih omrežij (ali kondenzatorskih omrežij). Tok polnjenja in praznjenja IB1 in IB2 v glavnem določa trenutni Iref. In Iref = Vdd/2R5. Zato se ta zasnova odloči za obrezovanje upora R5. Obrezovalno omrežje je prikazano na sliki 3. Na sliki so vsi upori enaki. V tej izvedbi je upor upora R5 45 kΩ. R5 je zaporedno povezan z desetimi majhnimi upori z uporom 4,5 kΩ. Spajanje žice med dvema točkama A in B lahko poveča upor R5 za 2,5%, zlitje žice med B in C pa lahko poveča upor za 1,25%, med A, B in B, C. Vse varovalke so pregorele, kar poveča odpornost za 3,75%. Pomanjkljivost te tehnike obrezovanja je, da lahko poveča le vrednost upora, ne pa tudi majhne.

Slika 3 Struktura omrežja za popravilo upora

3. korak: Analiza rezultatov simulacije

To zasnovo je mogoče implementirati v CSMC -jevem 0,5μm CMOS procesu in jo simulirati z orodjem Spectre.

3.1 Izboljšanje trikotnih valov s komplementarno preklopno cevjo

Slika 4 je shematski diagram, ki prikazuje izboljšanje trikotnega vala s komplementarno stikalno cevjo. Iz slike 4 je razvidno, da valovne oblike MP13 in MN12 v tej zasnovi nimajo očitnih vrhov, ko se naklon spremeni, pojav ostrenja valovne oblike pa izgine po dodajanju pomožne cevi.

Slika 4 Izboljšana oblika vala komplementarne preklopne cevi na trikotni val

3.2 Vpliv napajalne napetosti in temperature

Iz slike 5 je razvidno, da se frekvenca oscilatorja spremeni, ko se napajalna napetost spremeni iz 3V na 5V, na 1,86%. Ko se temperatura spremeni od -40 ° C do 120 ° C, se frekvenca oscilatorja spremeni za 1,93%. Vidimo lahko, da lahko, ko se temperatura in napetost napajanja močno razlikujeta, izhodna frekvenca oscilatorja ostane stabilna, tako da je mogoče zagotoviti normalno delovanje čipa.

Slika 5 Vpliv napetosti in temperature na frekvenco

4. korak: Zaključek

Ta članek oblikuje trenutno nadzorovani oscilator za ojačevalnike zvoka moči razreda D. Običajno lahko ta oscilator oddaja kvadratne in trikotne valovne signale s frekvenco 250 kHz. Poleg tega lahko izhodna frekvenca oscilatorja ostane stabilna, če se temperatura in napajalna napetost zelo razlikujeta. Poleg tega lahko končno napetost odstranimo tudi z dodajanjem komplementarnih stikalnih tranzistorjev. Z uvedbo tehnike obrezovanja uporovnega omrežja je mogoče doseči natančno izhodno frekvenco ob prisotnosti sprememb procesa. Trenutno se ta oscilator uporablja v avdio ojačevalniku razreda D.