Dizajnimi i oshilatorit të bazuar në modalitetin aktual për përforcuesit e fuqisë audio të klasës D: 6 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Vitet e fundit, përforcuesit e fuqisë audio të Klasës D janë bërë zgjidhja e preferuar për sistemet audio portative si MP3 dhe telefonat celularë për shkak të efikasitetit të tyre të lartë dhe konsumit të ulët të energjisë. Lëkundësi është një pjesë e rëndësishme e amplifikatorit audio të klasës D. Lëkundësi ka një ndikim të rëndësishëm në cilësinë e zërit të amplifikatorit, efikasitetin e çipit, ndërhyrjen elektromagnetike dhe tregues të tjerë. Për këtë qëllim, ky punim harton një qark oshilator të kontrolluar nga rryma për përforcuesit e fuqisë së klasës D. Moduli bazohet në modalitetin aktual dhe kryesisht zbaton dy funksione: njëri është të sigurojë një sinjal valor trekëndësh, amplituda e të cilit është proporcionale me tensionin e furnizimit me energji elektrike; tjetra është të sigurojë një sinjal valor katror, frekuenca e të cilit është pothuajse e pavarur nga tensioni i furnizimit me energji, dhe raporti i detyrës i sinjalit të valës katrore është 50%.

Hapi 1: Parimi i oshilatorit të modalitetit aktual

Parimi i funksionimit të oshilatorit është të kontrollojë ngarkimin dhe shkarkimin e kondensatorit nga burimi aktual përmes tubit të kalimit MOS për të gjeneruar një sinjal valor trekëndësh. Një diagram bllok i një oshilatori konvencional të bazuar në modalitetin aktual është treguar në Figurën 1.

Dizajnimi i oshilatorit të bazuar në modalitetin aktual për përforcuesit e fuqisë audio të klasës D

Në FIG. 1, R1, R2, R3, dhe R4 gjenerojnë tensione pragu VH, VL dhe një tension referimi Vref duke ndarë një tension të tensionit të furnizimit me energji. Tensioni i referencës kalohet më pas përmes një strukture LDO të amplifikatorëve OPA dhe MN1 për të gjeneruar një rrymë referente aktuale që është proporcionale me tensionin e furnizimit. Pra ka:

MP1, MP2 dhe MP3 në këtë sistem mund të formojnë një burim aktual pasqyre për të gjeneruar rrymën e karikimit IB1. Burimi aktual i pasqyrës i përbërë nga MP1, MP2, MN2 dhe MN3 gjeneron një rrymë shkarkimi IB2. Supozohet se MP1, MP2 dhe MP3 kanë raporte të barabarta gjerësi me gjatësi, dhe MN2 dhe MN3 kanë raporte të barabarta gjerësi me gjatësinë. Pastaj ka:

Kur oshilatori është duke punuar, gjatë fazës së karikimit t1, CLK = 1, tubi MP3 ngarkon kondensatorin me një rrymë konstante IB1. Pas kësaj, tensioni në pikën A rritet në mënyrë lineare. Kur tensioni në pikën A është më i madh se VH, tensioni në daljen e cmp1 kthehet në zero. Moduli i kontrollit logjik është i përbërë kryesisht nga rrokullisjet RS. Kur dalja e cmp1 është 0, terminali dalës CLK përmbyset në një nivel të ulët, dhe CLK është një nivel i lartë. Lëkundësi hyn në fazën e shkarkimit t2, në atë pikë kondensatori C fillon të shkarkohet në një rrymë konstante IB2, duke bërë që tensioni në pikën A të bjerë. Kur tensioni bie nën VL, tensioni dalës i cmp2 bëhet zero. Rrokullisja RS e rrokullisjes, CLK shkon lartë dhe CLK shkon poshtë, duke përfunduar një periudhë ngarkimi dhe shkarkimi. Meqenëse IB1 dhe IB2 janë të barabartë, koha e ngarkimit dhe shkarkimit të kondensatorit është e barabartë. Pjerrësia e skajit në rritje të valës trekëndore të pikës A është e barabartë me vlerën absolute të pjerrësisë së skajit në rënie. Prandaj, sinjali CLK është një sinjal i valës katrore me një raport detyre prej 50%.

Frekuenca e daljes së këtij oshilatori është e pavarur nga tensioni i furnizimit, dhe amplituda e valës trekëndore është proporcionale me tensionin e furnizimit.

Hapi 2: Zbatimi i qarkut oshilator

Dizajni i qarkut oshilator i projektuar në këtë punim është treguar në Figurën 2. Qarku ndahet në tri pjesë: një qark gjenerues i tensionit të pragut, një qark gjenerues të rrymës së ngarkimit dhe shkarkimit dhe një qark kontrolli logjik.

Projektimi i oshilatorit të bazuar në modalitetin aktual për përforcuesit e fuqisë audio të klasës D Figura 2 Qarku i zbatimit të oshilatorit

2.1 Njësia e gjenerimit të tensionit të pragut

Pjesa e gjenerimit të tensionit të pragut mund të përbëhet nga MN1 dhe katër rezistenca ndarëse të tensionit R1, R2, R3 dhe R4 që kanë vlera të barabarta të rezistencës. Transistori MOS MN1 përdoret këtu si një tranzistor komutues. Kur nuk futet asnjë sinjal audio, çipi e vendos terminalin CTRL në nivelin e ulët, VH dhe VL janë të dy 0V, dhe oshilatori ndalon punën për të zvogëluar konsumin statik të energjisë të çipit. Kur ka një hyrje sinjali, CTRL është e ulët, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Për shkak të funksionimit të frekuencës së lartë të krahasuesit, nëse pika B dhe pika C lidhen drejtpërdrejt me hyrjen e krahasuesit, ndërhyrja elektromagnetike mund të gjenerohet në tensionin e pragut përmes kapacitetit parazitar të transistorit MOS. Prandaj, ky qark lidh pikën B dhe pikën C me tampon. Simulimet e qarkut tregojnë se përdorimi i tamponëve mund të izolojë në mënyrë efektive ndërhyrjen elektromagnetike dhe të stabilizojë tensionin e pragut.

2.2 Gjenerimi i rrymës së ngarkimit dhe shkarkimit

Rryma proporcionale me tensionin e furnizimit mund të gjenerohet nga OPA, MN2 dhe R5. Meqenëse përfitimi i OPA është i lartë, diferenca e tensionit midis Vref dhe V5 është e papërfillshme. Për shkak të efektit të modulimit të kanalit, rrymat e MP11 dhe MN10 ndikohen nga tensioni i burimit-kullimit. Prandaj, rryma e ngarkimit-shkarkimit të kondensatorit nuk është më lineare me tensionin e furnizimit. Në këtë dizajn, pasqyra aktuale përdor strukturën e kaskodit për të stabilizuar tensionin e burimit të kullimit të MP11 dhe MN10 dhe për të zvogëluar ndjeshmërinë ndaj tensionit të furnizimit me energji. Nga një perspektivë AC, struktura e kaskodit rrit rezistencën e daljes së burimit (shtresës) aktuale dhe zvogëlon gabimin në rrymën dalëse. MN3, MN4 dhe MP5 përdoren për të siguruar një tension të njëanshëm për MP12. MP8, MP10, MN6 mund të sigurojnë tension të njëanshëm për MN9.

2.3 Seksioni i Kontrollit Logjik

CLK dhe CLK dalëse e flip-flop janë sinjale valësh katrore me faza të kundërta, të cilat mund të përdoren për të kontrolluar hapjen dhe mbylljen e MP13, MN11 dhe MP14, MN12. MP14 dhe MN11 veprojnë si tranzistorë komutues, të cilët funksionojnë si SW1 dhe SW2 në Figurën 1. MN12 dhe MP13 veprojnë si tuba ndihmës, funksioni kryesor i të cilëve është të zvogëlojnë rrjedhat e ngarkesës dhe shkarkimit të rrymës dhe të eliminojnë fenomenin e goditjes së mprehtë të valëve trekëndore Me Fenomeni i xhirimit të mprehtë shkaktohet kryesisht nga efekti i injektimit të ngarkesës së kanalit kur transistori MOS është në tranzicion shtetëror.

Duke supozuar se MN12 dhe MP13 hiqen, kur CLK kalon nga 0 në 1, MP14 ndizet në gjendje të fikur dhe burimi aktual i përbërë nga MP11 dhe MP12 detyrohet të hyjë në rajonin e thellë linear nga rajoni i ngopjes në çast, dhe MP11, MP12, MP13 janë Ngarkesa e kanalit tërhiqet në një kohë shumë të shkurtër, e cila shkakton një rrymë të madhe të prishjes, duke shkaktuar një rritje të tensionit në pikën A. Në të njëjtën kohë, MN11 kërcen nga gjendja e fikur në gjendjen e ndezur dhe shtresat aktuale të përbëra nga MN10 dhe MN9 shkojnë nga rajoni i thellë linear në rajonin e ngopjes. Kapaciteti i kanalit të këtyre tre tubave ngarkohet në një kohë të shkurtër, gjë që gjithashtu shkakton një rrymë të madhe Burr dhe tension të rritjes. Në mënyrë të ngjashme, nëse tubi ndihmës MN12 hiqet, MN11, MN10 dhe MN9 gjithashtu gjenerojnë një rrymë të madhe të prishjes dhe një tension kur rritet CLK. Edhe pse MP13 dhe MP14 kanë të njëjtin raport gjerësi-gjatësi, niveli i portës është i kundërt, kështu që MP13 dhe MP14 ndizen në mënyrë alternative. MP13 luan dy role kryesore në eliminimin e tensionit të rritjes. Së pari, sigurohuni që MP11 dhe MP12 të punojnë në rajonin e ngopjes gjatë gjithë ciklit për të siguruar vazhdimësinë e rrymës dhe për të shmangur tensionin e goditjes së mprehtë të shkaktuar nga pasqyra aktuale. Së dyti, bëni që MP13 dhe MP14 të formojnë një tub plotësues. Kështu, në momentin e ndryshimit të tensionit CLK, kapaciteti i kanalit të një tubi ngarkohet, dhe kapaciteti i kanalit të tubit tjetër shkarkohet, dhe ngarkesat pozitive dhe negative anulojnë njëra -tjetrën, duke zvogëluar kështu shumë rrymën e prishjes. Në mënyrë të ngjashme, futja e MN12 do të luajë të njëjtin rol.

2.4 Aplikimi i teknologjisë së riparimit

Parametrat e tufave të ndryshme të tubave MOS do të ndryshojnë midis tallave. Nën kënde të ndryshme të procesit, trashësia e shtresës së oksidit të tubit MOS do të jetë gjithashtu e ndryshme, dhe Cox përkatëse gjithashtu do të ndryshojë në përputhje me rrethanat, duke bërë që rryma e ngarkesës dhe shkarkimit të ndryshojë, duke shkaktuar që frekuenca e daljes së oshilatorit të ndryshojë. Në hartimin e qarkut të integruar, teknologjia e zvogëlimit përdoret kryesisht për të modifikuar rrjetin e rezistencës dhe rezistencës (ose rrjetit të kondensatorit). Rrjetet e ndryshme të rezistencës mund të përdoren për të rritur ose zvogëluar rezistencën (ose kapacitetin) për të krijuar rrjete të ndryshme rezistence (ose rrjete kondensatorësh). Rrymat e ngarkimit dhe shkarkimit IB1 dhe IB2 përcaktohen kryesisht nga Iref aktual. Dhe Iref = Vdd/2R5. Prandaj, ky dizajn zgjedh të shkurtojë rezistencën R5. Rrjeti i prerjes është treguar në Figurën 3. Në figurë, të gjithë rezistorët janë të barabartë. Në këtë dizajn, rezistenca e rezistencës R5 është 45kΩ. R5 lidhet në seri me dhjetë rezistencë të vegjël me një rezistencë prej 4.5kΩ. Përzierja e telit midis dy pikave A dhe B mund të rrisë rezistencën e R5 me 2.5%, dhe bashkimi i telit midis B dhe C mund të rrisë rezistencën me 1.25%, midis A, B dhe B, C. Siguresat janë të gjitha të prishura, e cila rrit rezistencën me 3.75%. Disavantazhi i kësaj teknike të zvogëlimit është se ajo mund të rrisë vetëm vlerën e rezistencës, por jo atë të vogël.

Figura 3 Struktura e rrjetit të riparimit të rezistencës

Hapi 3: Analiza e rezultateve të simulimit

Ky dizajn mund të zbatohet në procesin e CSMC 0.5μm CMOS dhe mund të simulohet me mjetin Specter.

3.1 Përmirësimi i valës trekëndore me tub komutues komutues

Figura 4 është një diagram skematik që tregon përmirësimin e valës trekëndore nga tubi komutues komutues. Nga Figura 4 mund të shihet se format e valëve të MP13 dhe MN12 në këtë dizajn nuk kanë maja të dukshme kur pjerrësia ndryshon, dhe fenomeni i mprehjes së formës valore zhduket pasi shtohet tubi ndihmës.

Figura 4 Përmirësimi i formës valore të tubit komutues komutues në valën trekëndore

3.2 Ndikimi i tensionit dhe temperaturës së furnizimit me energji elektrike

Nga Figura 5 mund të shihet se frekuenca e oshilatorit ndryshon në 1.86% kur tensioni i furnizimit me energji ndryshon nga 3V në 5V. Kur temperatura ndryshon nga -40 ° C në 120 ° C, frekuenca e oshilatorit ndryshon me 1.93%. Mund të shihet se kur temperatura dhe tensioni i furnizimit me energji ndryshojnë shumë, frekuenca e daljes së oshilatorit mund të mbetet e qëndrueshme, në mënyrë që të sigurohet funksionimi normal i çipit.

Figura 5 Efekti i tensionit dhe temperaturës në frekuencën

Hapi 4: Përfundimi

Ky punim harton një oshilator të kontrolluar nga rryma për përforcuesit e fuqisë audio të Klasës D. Në mënyrë tipike, ky oshilator mund të nxjerrë sinjale valore katrore dhe trekëndore me një frekuencë prej 250 kHz. Për më tepër, frekuenca e daljes së oshilatorit mund të mbetet e qëndrueshme kur temperatura dhe tensioni i furnizimit ndryshojnë shumë. Për më tepër, tensioni i goditjes gjithashtu mund të hiqet duke shtuar transistorë komutues komutues. Duke futur një teknikë të zvogëlimit të rrjetit të rezistencës, një frekuencë e saktë e daljes mund të merret në prani të ndryshimeve të procesit. Aktualisht, ky oshilator është përdorur në një përforcues audio të Klasës D.