D класының дыбыс күшейткіштері үшін ағымдағы режимге негізделген осциллятордың дизайны: 6 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Соңғы жылдары D класының дыбыс күшейткіштері жоғары тиімділік пен қуатты аз тұтынудың арқасында MP3 және ұялы телефондар сияқты портативті аудио жүйелер үшін таңдаулы шешім болды. Осциллятор D класының дыбыс күшейткішінің маңызды бөлігі болып табылады. Осциллятор күшейткіштің дыбыс сапасына, чиптің тиімділігіне, электромагниттік кедергіге және басқа көрсеткіштерге маңызды әсер етеді. Осы мақсатта бұл құжат D класының күшейткіштері үшін токпен басқарылатын осциллятор тізбегін жобалайды. Модуль ток режиміне негізделген және негізінен екі функцияны орындайды: біреуі амплитудасы қоректену кернеуіне пропорционалды үшбұрышты толқын сигналын беру; екіншісі - жиілігі қоректену кернеуіне тәуелсіз дерлік квадрат толқынды сигналды қамтамасыз ету, ал квадрат толқын сигналының жұмыс коэффициенті 50%.

1 -қадам: Осциллятордың ағымдағы режимінің принципі

Осциллятордың жұмыс принципі үшбұрышты толқындық сигналды генерациялау үшін MOS қосқыш түтігі арқылы ток көзі арқылы конденсатордың зарядталуын және разрядталуын бақылау болып табылады. Кәдімгі ток режиміне негізделген осциллятордың блок -схемасы 1 -суретте көрсетілген.

D класының дыбыс күшейткіштері үшін ағымдағы режимге негізделген осциллятордың дизайны

БІРІНШІ 1, R1, R2, R3 және R4 ток кернеуінің кернеуін бөлу арқылы VH, VL шектік кернеуін және Vref эталондық кернеуін жасайды. Содан кейін сілтеме кернеуі OPA және MN1 күшейткіштерінің LDO құрылымы арқылы өткізгіштік кернеуге пропорционалды Iref эталондық токты құру үшін өтеді. Сонымен бар:

Бұл жүйеде MP1, MP2 және MP3 зарядталатын ток IB1 құру үшін айналы ток көзін құра алады. MP1, MP2, MN2 және MN3 -тен тұратын айналы ток көзі IB2 разрядты токты шығарады. MP1, MP2 және MP3 ені ұзындыққа тең, ал MN2 және MN3 ендікке ендікке тең деп есептеледі. Содан кейін мыналар бар:

Осциллятор жұмыс істеп тұрған кезде t1 CLK = 1 зарядтау кезеңінде MP3 түтігі конденсаторды тұрақты токпен IB1 зарядтайды. Осыдан кейін А нүктесіндегі кернеу сызықты түрде көтеріледі. А нүктесіндегі кернеу VH артық болғанда, cmp1 шығысындағы кернеу нөлге айналады. Логикалық басқару модулі негізінен RS флип-флоптарынан тұрады. Cmp1 шығысы 0 болғанда CLK шығыс терминалы төмен деңгейге, ал CLK - жоғары деңгейге бұрылады. Осциллятор разряд фазасына t2 кіреді, осы кезде С конденсаторы IB2 тұрақты токында разрядты бастайды, бұл А нүктесіндегі кернеудің төмендеуіне әкеледі. Кернеу VL -ден төмен түссе, cmp2 шығыс кернеуі нөлге айналады. RS флип-флоп аударылады, CLK жоғарылайды және CLK төмендейді, зарядтау мен разряд кезеңін аяқтайды. IB1 мен IB2 тең болғандықтан, конденсатордың зарядтау және разрядтау уақыты тең. А нүктесіндегі үшбұрышты толқынның көтерілетін шеттік көлбеуі құлайтын жиектің көлбеуінің абсолюттік мәніне тең. Демек, CLK сигналы - бұл 50%жұмыс коэффициенті бар төртбұрышты сигнал.

Бұл осциллятордың шығу жиілігі қоректену кернеуіне тәуелді емес, ал үшбұрышты толқынның амплитудасы кернеуге пропорционалды.

2 -қадам: Осциллятор тізбегін енгізу

Бұл жұмыста жасалған осциллятор тізбегінің дизайны 2 -суретте көрсетілген. Схема үш бөлікке бөлінеді: шекті кернеуді генерациялау тізбегі, зарядтау және разряд тогы генераторлық схемасы және логикалық басқару тізбегі.

D класының дыбыс күшейткіштері үшін ағымдағы режимге негізделген осциллятордың дизайны 2 -сурет

2.1 Шекті кернеуді генерациялау қондырғысы

Шекті кернеудің генерацияланатын бөлігі MN1 және қарсылықты бөлетін төрт резистор R1, R2, R3 және R4 тең болуы мүмкін. Мұнда MN1 транзисторы коммутациялық транзистор ретінде қолданылады. Дыбыстық сигнал енгізілмеген кезде, чип CTRL терминалын төмен қояды, VH және VL екеуі де 0В, ал осциллятор чиптің статикалық қуат шығынын азайту үшін жұмысын тоқтатады. Сигнал кірісі болған кезде CTRL төмен болады, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Салыстырғыштың жоғары жиілікті жұмысына байланысты, егер В нүктесі мен С нүктесі компаратордың кірісіне тікелей қосылған болса, MOS транзисторының паразиттік сыйымдылығы арқылы шектік кернеуге электромагниттік кедергі пайда болуы мүмкін. Сондықтан бұл схема В нүктесі мен С нүктесін буферге қосады. Тізбекті модельдеу буферлерді қолдану электромагниттік кедергілерді тиімді оқшаулауға және шекті кернеуді тұрақтандыруға болатынын көрсетеді.

2.2 Зарядтау және разряд тогының генерациясы

Қоректену кернеуіне пропорционалды ток OPA, MN2 және R5 арқылы жасалуы мүмкін. OPA кірісі жоғары болғандықтан, Vref пен V5 арасындағы кернеудің айырмашылығы шамалы. Арналық модуляция әсерінің арқасында MP11 мен MN10 токтарына көзден ағызу кернеуі әсер етеді. Демек, конденсатордың зарядты-разрядты тогы енді кернеумен сызықты болмайды. Бұл конструкцияда ток айнасы MP11 мен MN10 ток көзінің ағызу кернеуін тұрақтандыру және қоректену кернеуіне сезімталдығын төмендету үшін каскодты құрылымды қолданады. Айнымалы ток тұрғысынан каскод құрылымы ток көзінің (қабатының) шығыс кедергісін арттырады және шығыс токтағы қателікті азайтады. MN3, MN4 және MP5 MP12 үшін кернеуді қамтамасыз ету үшін қолданылады. MP8, MP10, MN6 MN9 үшін кернеуді қамтамасыз ете алады.

2.3 Логикалық басқару бөлімі

Флип-флоптың CLK және CLK шығысы қарама-қарсы фазалы төртбұрышты толқындық сигналдар болып табылады, оларды MP13, MN11 және MP14, MN12 ашылуы мен жабылуын бақылау үшін пайдалануға болады. MP14 және MN11 ауыспалы транзисторлар ретінде әрекет етеді, олар 1-суретте SW1 және SW2 қызметін атқарады, MN12 мен MP13 қосалқы түтіктер ретінде қызмет етеді, олардың негізгі қызметі заряд пен разряд тогының бұрылыстарын азайту және үшбұрышты толқындардың өткір түсу құбылысын жою болып табылады.. Өткір атқылау құбылысы негізінен MOS транзисторы күйге ауысқан кезде каналдың зарядтау әсерінен болады.

CLK 0 -ден 1 -ге ауысқанда, MN12 мен MP13 жойылады деп есептесек, MP14 өшірулі күйге қосылады, ал MP11 мен MP12 -ден тұратын ағымдық көз қанықтық аймағынан бірден терең сызықты аймаққа кіруге мәжбүр болады және MP11, MP12, MP13 - Арна заряды өте қысқа уақыт ішінде шығарылады, бұл үлкен ақаулық тудырады, бұл А нүктесінде кернеуді тудырады. Сонымен қатар, MN11 өшірілген күйден қосулы күйге ауысады. MN10 мен MN9 -дан тұратын ағымдағы қабаттар терең сызықтық аймақтан қанықтылық аймағына өтеді. Бұл үш түтіктің арналық сыйымдылығы қысқа мерзімде зарядталады, бұл сонымен қатар үлкен Бурр тогы мен шыңдық кернеуді тудырады. Сол сияқты, егер MN12 қосалқы құбыры алынып тасталса, MN11, MN10 және MN9 сонымен қатар CLK секірген кезде үлкен ақаулық ток пен көтерілу кернеуін тудырады. MP13 және MP14 ені мен ұзындығының қатынасы бірдей болғанымен, қақпа деңгейі қарама-қарсы, сондықтан MP13 және MP14 кезектесіп қосылады. MP13 көтерілу кернеуін жоюда екі негізгі рөл атқарады. Біріншіден, MP11 мен MP12 токтың үздіксіздігін қамтамасыз ету және ток айнасынан туындаған өткір кернеуді болдырмау үшін бүкіл цикл ішінде қанықтылық аймағында жұмыс жасайтынына көз жеткізіңіз. Екіншіден, MP13 және MP14 комплементарлы түтікті құрайды. Осылайша, CLK кернеуі өзгерген сәтте бір түтіктің арналық сыйымдылығы зарядталады, ал екінші құбырдың арналық сыйымдылығы разрядталады, ал оң және теріс зарядтар бір -бірінен бас тартады, осылайша ақаулық токты айтарлықтай төмендетеді. Сол сияқты, MN12 -дің енгізілуі де сол рөлді атқарады.

2.4 Жөндеу технологиясын қолдану

MOS түтіктерінің әр түрлі партияларының параметрлері әр түрлі болады. Әр түрлі технологиялық бұрыштарда MOS түтігінің оксидтік қабатының қалыңдығы да әр түрлі болады, сәйкесінше Кокс сәйкесінше өзгереді, бұл заряд пен разряд тогының ауысуына әкеледі, осциллятордың шығыс жиілігі өзгереді. Интегралды схема конструкциясында кесу технологиясы негізінен резистор мен резистор желісін (немесе конденсаторлар желісін) өзгерту үшін қолданылады. Әр түрлі резисторлық желілерді (немесе конденсаторлық желілерді) жобалау үшін қарсылықты (немесе сыйымдылықты) жоғарылату немесе төмендету үшін әр түрлі резисторлық желілерді қолдануға болады. IB1 және IB2 зарядтау және разряд ағымдары негізінен ағымдағы Iref арқылы анықталады. Ал Iref = Vdd/2R5. Сондықтан бұл дизайн R5 резисторын кесуді таңдайды. Кесу торабы 3 -суретте көрсетілген. Суретте барлық резисторлар тең. Бұл дизайнда R5 резисторының кедергісі 45 кОм. R5 4,5 кОм кедергісі бар он кіші резистормен тізбектей қосылады. А мен В екі нүктесі арасындағы сымның қосылуы R5 кедергісін 2,5%арттыруы мүмкін, ал В мен С арасындағы сымның қосылуы қарсылықты A, B мен B, C арасындағы 1,25%арттыруы мүмкін., бұл қарсылықты 3,75%-ға арттырады. Бұл тегістеу техникасының кемшілігі - қарсылық мәнін жоғарылата алады, бірақ кішігірім емес.

3 -сурет қарсылықты жөндеу желісінің құрылымы

3 -қадам: модельдеу нәтижелерін талдау

Бұл дизайнды CSMC 0.5μm CMOS процесінде қолдануға болады және оны Specter құралының көмегімен модельдеуге болады.

3.1 Қосымша ауыстырғыш түтік арқылы үшбұрышты толқынды жақсарту

4 -сурет - комплементарлы ауыстырғыш түтік арқылы үшбұрышты толқынның жақсаруын көрсететін схема. 4 -суреттен байқауға болады, бұл конструкциядағы MP13 және MN12 толқындық формалары көлбеу өзгерген кезде айқын шыңдары жоқ, ал қосалқы түтік қосылғаннан кейін толқын пішінінің қайрау құбылысы жоғалады.

Сурет 4 Қосымша түтіктің үшбұрышты толқынға жақсартылған толқын формасы

3.2 Қуат көзінің кернеуі мен температурасының әсері

5 -суреттен көруге болады, осциллятордың жиілігі электрмен жабдықтау кернеуі 3В -тан 5В -қа өзгергенде 1,86% -ға дейін өзгереді. Температура -40 ° C -тан 120 ° C -қа дейін өзгергенде, осциллятор жиілігі 1,93%-ға өзгереді. Көруге болады, егер температура мен қоректену кернеуі кеңінен өзгерсе, осциллятордың шығыс жиілігі тұрақты болып қалуы мүмкін, осылайша чиптің қалыпты жұмысын қамтамасыз етуге болады.

5 -сурет Кернеу мен температураның жиілікке әсері

4 -қадам: Қорытынды

Бұл құжат D класының дыбыс күшейткіштері үшін ағымдағы басқарылатын осцилляторды құрастырады. Әдетте бұл осциллятор 250 кГц жиіліктегі төртбұрышты және үшбұрышты сигналдарды шығара алады. Сонымен қатар, осциллятордың шығыс жиілігі температура мен қоректену кернеуі әр түрлі болған кезде тұрақты болып қала алады. Сонымен қатар, кернеуді қосымша коммутациялық транзисторларды қосу арқылы жоюға болады. Резисторлық желіні кесу техникасын енгізу арқылы процестің өзгеруі кезінде дәл шығыс жиілігін алуға болады. Қазіргі уақытта бұл осциллятор D класындағы аудио күшейткіште қолданылды.