Pašreizējā režīma oscilatora dizains D klases audio jaudas pastiprinātājiem: 6 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Pēdējos gados D klases audio jaudas pastiprinātāji ir kļuvuši par vēlamo risinājumu pārnēsājamām audio sistēmām, piemēram, MP3 un mobilajiem tālruņiem, ņemot vērā to augsto efektivitāti un zemo enerģijas patēriņu. Oscilators ir svarīga D klases audio pastiprinātāja sastāvdaļa. Oscilatoram ir būtiska ietekme uz pastiprinātāja skaņas kvalitāti, mikroshēmas efektivitāti, elektromagnētiskajiem traucējumiem un citiem rādītājiem. Šim nolūkam šajā rakstā ir izstrādāta strāvas kontrolēta oscilatora shēma D klases jaudas pastiprinātājiem. Modulis ir balstīts uz pašreizējo režīmu un galvenokārt īsteno divas funkcijas: viens ir nodrošināt trīsstūrveida viļņu signālu, kura amplitūda ir proporcionāla barošanas spriegumam; otrs ir nodrošināt kvadrātveida viļņu signālu, kura frekvence ir gandrīz neatkarīga no barošanas sprieguma, un kvadrātveida viļņu signāla darba attiecība ir 50%.

1. darbība. Pašreizējā režīma oscilatora princips

Oscilatora darbības princips ir kontrolēt kondensatora uzlādi un izlādi ar strāvas avotu caur MOS slēdža cauruli, lai radītu trīsstūrveida viļņu signālu. Parastā strāvas režīma oscilatora blokshēma ir parādīta 1. attēlā.

Pašreizējā režīma oscilatora dizains D klases audio jaudas pastiprinātājiem

FIG. 1, R1, R2, R3 un R4 ģenerē sliekšņa spriegumus VH, VL un atsauces spriegumu Vref, dalot barošanas sprieguma spriegumu. Pēc tam atskaites spriegums tiek izvadīts caur pastiprinātāju OPA un MN1 LDO struktūru, lai radītu atsauces strāvu Iref, kas ir proporcionāla barošanas spriegumam. Tātad ir:

MP1, MP2 un MP3 šajā sistēmā var veidot spoguļstrāvas avotu, lai radītu uzlādes strāvu IB1. Spoguļa strāvas avots, kas sastāv no MP1, MP2, MN2 un MN3, rada izlādes strāvu IB2. Tiek pieņemts, ka MP1, MP2 un MP3 ir vienādas platuma un garuma attiecības, un MN2 un MN3 ir vienādas platuma un garuma attiecības. Tad ir:

Kad oscilators darbojas, uzlādes fāzē t1, CLK = 1, MP3 caurule uzlādē kondensatoru ar nemainīgu strāvu IB1. Pēc tam spriegums punktā A palielinās lineāri. Ja spriegums punktā A ir lielāks par VH, spriegums pie cmp1 izejas tiek pagriezts līdz nullei. Loģikas vadības modulis galvenokārt sastāv no RS flip-flops. Ja cmp1 izeja ir 0, izejas terminālis CLK tiek apgriezts zemā līmenī, un CLK ir augsts līmenis. Oscilators nonāk izlādes fāzē t2, kurā kondensators C sāk izlādēties pie nemainīgas strāvas IB2, izraisot sprieguma samazināšanos punktā A. Kad spriegums nokrītas zem VL, izejas spriegums cmp2 kļūst nulle. RS flip-flop apgāžas, CLK paaugstinās un CLK pazeminās, pabeidzot uzlādes un izlādes periodu. Tā kā IB1 un IB2 ir vienādi, kondensatora uzlādes un izlādes laiks ir vienāds. A punkta trīsstūra viļņa augošās malas slīpums ir vienāds ar krītošās malas slīpuma absolūto vērtību. Tāpēc CLK signāls ir kvadrātveida viļņu signāls ar darba attiecību 50%.

Šī oscilatora izejas frekvence nav atkarīga no barošanas sprieguma, un trīsstūra viļņa amplitūda ir proporcionāla barošanas spriegumam.

2. darbība. Oscilatora shēmas ieviešana

Šajā rakstā izstrādātā oscilatora shēmas konstrukcija ir parādīta 2. attēlā. Ķēde ir sadalīta trīs daļās: sliekšņa sprieguma ģenerēšanas ķēde, uzlādes un izlādes strāvas ģenerēšanas ķēde un loģikas vadības ķēde.

Pašreizējā režīma oscilatora dizains D klases audio jaudas pastiprinātājiem 2. attēls. Oscilatora ieviešanas shēma

2.1 Sliekšņa sprieguma ģenerēšanas iekārta

Sliekšņa sprieguma ģenerēšanas daļu var veidot MN1 un četri sprieguma dalīšanas rezistori R1, R2, R3 un R4 ar vienādām pretestības vērtībām. MOS tranzistors MN1 šeit tiek izmantots kā komutācijas tranzistors. Ja netiek ievadīts audio signāls, mikroshēma nosaka CTRL termināli zemu, VH un VL ir 0V, un oscilators pārstāj darboties, lai samazinātu mikroshēmas statisko enerģijas patēriņu. Ja ir signāla ievade, CTRL ir zems, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Sakarā ar salīdzināšanas ierīces augstfrekvences darbību, ja punkts B un punkts C ir tieši savienoti ar salīdzinājuma ieeju, caur MOS tranzistora parazītisko kapacitāti var rasties elektromagnētiskie traucējumi sliekšņa spriegumam. Tāpēc šī shēma savieno punktu B un punktu C ar buferšķīdumu. Ķēdes simulācijas rāda, ka buferu izmantošana var efektīvi izolēt elektromagnētiskos traucējumus un stabilizēt sliekšņa spriegumu.

2.2 Uzlādes un izlādes strāvas ģenerēšana

Barošanas spriegumam proporcionālu strāvu var radīt OPA, MN2 un R5. Tā kā OPA ieguvums ir liels, sprieguma starpība starp Vref un V5 ir niecīga. Kanāla modulācijas efekta dēļ MP11 un MN10 strāvas ietekmē avota drenāžas spriegums. Tāpēc kondensatora uzlādes-izlādes strāva vairs nav lineāra ar barošanas spriegumu. Šajā dizainā pašreizējais spogulis izmanto kaskoda struktūru, lai stabilizētu MP11 un MN10 avota iztukšošanas spriegumu un samazinātu jutību pret barošanas spriegumu. No maiņstrāvas viedokļa kaskoda struktūra palielina strāvas avota (slāņa) izejas pretestību un samazina kļūdu izejas strāvā. MN3, MN4 un MP5 tiek izmantoti, lai nodrošinātu MP12 sprieguma spriegumu. MP8, MP10, MN6 var nodrošināt MN9 sprieguma spriegumu.

2.3. Loģikas kontroles sadaļa

Flip-flop izeja CLK un CLK ir kvadrātveida viļņu signāli ar pretējām fāzēm, kurus var izmantot, lai kontrolētu MP13, MN11 un MP14, MN12 atvēršanu un aizvēršanu. MP14 un MN11 darbojas kā komutācijas tranzistori, kas darbojas kā SW1 un SW2 1. attēlā.. Asu šaušanas fenomenu galvenokārt izraisa kanāla lādēšanas iesmidzināšanas efekts, kad MOS tranzistors atrodas stāvokļa pārejā.

Pieņemot, ka MN12 un MP13 tiek noņemti, kad CLK pāreja no 0 uz 1, MP14 tiek ieslēgta izslēgtā stāvoklī un pašreizējais avots, kas sastāv no MP11 un MP12, ir spiests uzreiz iekļūt dziļajā lineārajā apgabalā no piesātinājuma apgabala, un MP11, MP12, MP13 ir Kanāla lādiņš tiek izvilkts ļoti īsā laikā, kas izraisa lielu traucējumu strāvu, izraisot sprieguma spriegumu punktā A. Tajā pašā laikā MN11 pāriet no izslēgtā stāvokļa uz ieslēgto stāvokli, un pašreizējie slāņi, kas sastāv no MN10 un MN9, iet no dziļās lineārās zonas uz piesātinājuma reģionu. Šo trīs cauruļu kanāla kapacitāte tiek uzlādēta īsā laikā, kas arī izraisa lielu apdeguma strāvu un smailes spriegumu. Līdzīgi, ja tiek noņemta palīgcaurule MN12, MN11, MN10 un MN9, ģenerējot CLK, rada arī lielu traucējumu strāvu un smailes spriegumu. Lai gan MP13 un MP14 ir vienāda platuma un garuma attiecība, vārtu līmenis ir pretējs, tāpēc MP13 un MP14 tiek ieslēgti pārmaiņus. MP13 ir divas galvenās lomas sprieguma novēršanā. Vispirms pārliecinieties, ka MP11 un MP12 darbojas piesātinājuma reģionā visa cikla laikā, lai nodrošinātu strāvas nepārtrauktību un izvairītos no strāvas spoguļa radītā asā sprieguma. Otrkārt, izveidojiet MP13 un MP14 papildu cauruli. Tādējādi CLK sprieguma maiņas brīdī vienas caurules kanāla kapacitāte tiek uzlādēta, un otras caurules kanāla kapacitāte tiek izlādēta, un pozitīvie un negatīvie lādiņi atceļ viens otru, tādējādi ievērojami samazinot traucējumu strāvu. Tāpat MN12 ieviešanai būs tāda pati loma.

2.4 Remonta tehnoloģijas pielietošana

Dažādu MOS cauruļu partiju parametri dažādās vafelēs būs atšķirīgi. Dažādos procesa leņķos arī MOS caurules oksīda slāņa biezums būs atšķirīgs, un attiecīgi mainīsies arī atbilstošais Cox, izraisot lādiņa un izlādes strāvas maiņu, izraisot oscilatora izejas frekvences maiņu. Integrētās shēmas dizainā apgriešanas tehnoloģiju galvenokārt izmanto, lai modificētu rezistoru un rezistoru tīklu (vai kondensatoru tīklu). Lai palielinātu vai samazinātu pretestību (vai kapacitāti), lai izveidotu dažādus rezistoru tīklus (vai kondensatoru tīklus), var izmantot dažādus rezistoru tīklus. Uzlādes un izlādes strāvas IB1 un IB2 galvenokārt nosaka pašreizējais Iref. Un Iref = Vdd/2R5. Tāpēc šis dizains izvēlas apgriezt rezistoru R5. Apgriešanas tīkls ir parādīts 3. attēlā. Attēlā visi rezistori ir vienādi. Šajā konstrukcijā rezistora R5 pretestība ir 45 kΩ. R5 sērijveidā savieno desmit mazi rezistori ar pretestību 4,5 kΩ. Sakausējot vadu starp abiem punktiem A un B, var palielināt R5 pretestību par 2,5%, un stieples sapludināšanu starp B un C var palielināt pretestību par 1,25%, starp A, B un B, C. Visi drošinātāji ir sadedzināti., kas palielina pretestību par 3,75%. Šīs apgriešanas tehnikas trūkums ir tāds, ka tā var tikai palielināt pretestības vērtību, bet ne mazo.

3. attēls pretestības remonta tīkla struktūra

3. darbība. Simulācijas rezultātu analīze

Šo dizainu var īstenot CSMC 0,5 μm CMOS procesā, un to var simulēt ar rīku Spectre.

3.1. Trīsstūra viļņa uzlabošana, izmantojot papildu komutācijas cauruli

4. attēls ir shematiska diagramma, kas parāda trīsstūrveida viļņa uzlabošanos, izmantojot papildu slēdža cauruli. No 4. attēla var redzēt, ka MP13 un MN12 viļņu formām šajā konstrukcijā nav acīmredzamu virsotņu, mainoties slīpumam, un viļņu formas asināšanas parādība pazūd pēc palīgcaurules pievienošanas.

4. attēls Papildu komutācijas caurules uzlabotā viļņa forma līdz trīsstūrveida vilnim

3.2 Barošanas avota sprieguma un temperatūras ietekme

No 5. attēla redzams, ka oscilatora frekvence mainās līdz 1,86%, kad barošanas spriegums mainās no 3 V uz 5 V. Kad temperatūra mainās no -40 ° C līdz 120 ° C, oscilatora frekvence mainās par 1,93%. Var redzēt, ka tad, ja temperatūra un barošanas avota spriegums ir ļoti atšķirīgi, oscilatora izejas frekvence var palikt stabila, lai varētu nodrošināt mikroshēmas normālu darbību.

5. attēls Sprieguma un temperatūras ietekme uz frekvenci

4. solis. Secinājums

Šis raksts izstrādā strāvas kontrolētu oscilatoru D klases audio jaudas pastiprinātājiem. Parasti šis oscilators var izvadīt kvadrātveida un trīsstūrveida viļņu signālus ar frekvenci 250 kHz. Turklāt oscilatora izejas frekvence var palikt stabila, ja temperatūra un barošanas spriegums ir ļoti atšķirīgi. Turklāt sprieguma spriegumu var noņemt, pievienojot papildu komutācijas tranzistorus. Ieviešot rezistoru tīkla apgriešanas tehniku, procesa variāciju klātbūtnē var iegūt precīzu izejas frekvenci. Pašlaik šis oscilators ir izmantots D klases audio pastiprinātājā.