Jelenlegi módú oszcillátor tervezése D osztályú audioerősítőkhöz: 6 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Az elmúlt években a D osztályú hangteljesítmény -erősítők váltak a hordozható audiorendszerek, például az MP3 és a mobiltelefonok preferált megoldásává nagy hatékonyságuk és alacsony energiafogyasztásuk miatt. Az oszcillátor a D osztályú audió erősítő fontos része. Az oszcillátor fontos hatással van az erősítő hangminőségére, chip -hatékonyságára, elektromágneses interferenciájára és más mutatókra. Ebből a célból ez a dokumentum áramvezérelt oszcillátor áramkört tervez a D osztályú teljesítményerősítőkhöz. A modul az aktuális üzemmódra épül, és főként két funkciót valósít meg: az egyik egy háromszög alakú hullámjel biztosítása, amelynek amplitúdója arányos a tápfeszültséggel; a másik az, hogy olyan négyzethullámú jelet kell biztosítani, amelynek frekvenciája szinte független a tápfeszültségtől, és a négyzethullámú jel teljesítményaránya 50%.

1. lépés: Az aktuális mód oszcillátor elve

Az oszcillátor működési elve az, hogy a kondenzátor töltését és kisütését az áramforrás vezérli a MOS kapcsolócsövön keresztül, hogy háromszög alakú hullámjelet állítson elő. A hagyományos árammódú oszcillátor tömbvázlata az 1. ábrán látható.

Jelenlegi módú oszcillátor tervezése D osztályú audioerősítőkhöz

Ábrán látható. Az 1., R1, R2, R3 és R4 a tápfeszültség elosztásával VH, VL küszöbfeszültséget és Vref referenciafeszültséget generál. A referenciafeszültséget ezután az OPA és MN1 erősítők LDO struktúráján vezetik át, hogy a tápfeszültséggel arányos Iref referenciaáramot hozzanak létre. Tehát vannak:

Az MP1, MP2 és MP3 ebben a rendszerben tükröző áramforrást képezhet az IB1 töltőáram előállításához. Az MP1, MP2, MN2 és MN3 tüköráramforrás IB2 kisülési áramot generál. Feltételezzük, hogy az MP1, MP2 és MP3 szélesség- és hosszaránya egyenlő, az MN2 és MN3 szélesség -hosszúság aránya pedig egyenlő. Aztán vannak:

Amikor az oszcillátor működik, a t1 töltési fázisban, CLK = 1, az MP3 cső az IB1 állandó árammal tölti fel a kondenzátort. Ezt követően az A pont feszültsége lineárisan emelkedik. Ha az A pont feszültsége nagyobb, mint a VH, akkor a cmp1 kimenetén lévő feszültséget nullára kell fordítani. A logikai vezérlőmodul főként RS papucsokból áll. Ha a cmp1 kimenete 0, akkor a CLK kimeneti terminál alacsony szintre kerül, a CLK pedig magas szintre. Az oszcillátor belép a t2 kisülési fázisba, ekkor a C kondenzátor állandó IB2 áramnál kezd kisülni, ami miatt az A pont feszültsége csökken. Amikor a feszültség VL alá csökken, a cmp2 kimeneti feszültsége nullává válik. Az RS flip-flop felborul, a CLK magas, a CLK pedig alacsony, befejezve a töltési és kisütési időszakot. Mivel az IB1 és IB2 egyenlő, a kondenzátor töltési és kisütési ideje azonos. Az A-pont háromszöghullám emelkedő élének meredeksége megegyezik az eső él lejtésének abszolút értékével. Ezért a CLK jel négyzethullámú jel, 50%-os teljesítményaránnyal.

Ennek az oszcillátornak a kimeneti frekvenciája független a tápfeszültségtől, és a háromszög hullám amplitúdója arányos a tápfeszültséggel.

2. lépés: Az oszcillátor áramkör megvalósítása

Az ebben a cikkben tervezett oszcillátor áramkör kialakítása a 2. ábrán látható. Az áramkör három részre oszlik: küszöbfeszültség -generáló áramkörre, töltő- és kisütőáram -előállító áramkörre és logikai vezérlő áramkörre.

Árammódú oszcillátor tervezése D osztályú audió teljesítményerősítőkhöz 2. ábra oszcillátor megvalósító áramkör

2.1 Küszöbfeszültség -előállító egység

A küszöbfeszültség -generáló részt MN1 és négy egyenlő ellenállásértékű R1, R2, R3 és R4 feszültségosztó ellenállás alkothatja. Az MN1 MOS tranzisztor itt kapcsoló tranzisztorként használatos. Ha nem érkezik audiojel, a chip alacsonyra állítja a CTRL terminált, a VH és a VL egyaránt 0V, és az oszcillátor leáll, hogy csökkentse a chip statikus energiafogyasztását. Ha van jelbemenet, a CTRL alacsony, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. A komparátor nagyfrekvenciás működése miatt, ha a B és a C pont közvetlenül az összehasonlító bemenethez van csatlakoztatva, az MOS tranzisztor parazita kapacitása révén elektromágneses interferencia keletkezhet a küszöbfeszültséghez. Ezért ez az áramkör összeköti a B és a C pontot a pufferrel. Az áramköri szimulációk azt mutatják, hogy a pufferek használata hatékonyan elkülöníti az elektromágneses interferenciát és stabilizálja a küszöbfeszültséget.

2.2 Töltési és kisülési áram előállítása

A tápfeszültséggel arányos áramot az OPA, az MN2 és az R5 generálhatja. Mivel az OPA erősítése nagy, a feszültségkülönbség Vref és V5 között elhanyagolható. A csatorna modulációs hatás miatt az MP11 és az MN10 áramát befolyásolja a forrás-leeresztő feszültség. Ezért a kondenzátor töltési-kisülési árama már nem lineáris a tápfeszültséggel. Ebben a kialakításban az aktuális tükör cascode szerkezetet használ az MP11 és az MN10 forrás-leeresztő feszültségének stabilizálására, valamint a tápfeszültséggel szembeni érzékenység csökkentésére. Váltóáramú szempontból a kaszkódszerkezet növeli az áramforrás (réteg) kimeneti ellenállását, és csökkenti a kimeneti áram hibáját. Az MN3, az MN4 és az MP5 előfeszítő feszültséget biztosít az MP12 számára. Az MP8, MP10, MN6 előfeszítő feszültséget biztosíthat az MN9 számára.

2.3 Logikai vezérlés szakasz

A flip-flop kimenete CLK és CLK négyzethullámú jelek, ellentétes fázisokkal, amelyekkel szabályozható az MP13, MN11 és MP14, MN12 nyitása és zárása. Az MP14 és az MN11 kapcsoló tranzisztorként működik, amely SW1 és SW2 funkcióként működik az 1. ábrán.. Az éles lövés jelenséget főleg a csatorna töltés befecskendezési hatása okozza, amikor az MOS tranzisztor állapotátmenetben van.

Feltételezve, hogy az MN12 és MP13 eltávolításra kerül, amikor a CLK 0 -ról 1 -re vált, az MP14 kikapcsolt állapotba van kapcsolva, és az MP11 -ből és MP12 -ből álló áramforrás azonnal kénytelen belépni a mély lineáris régióba a telítettségi tartományból, és az MP11, MP12, MP13 vannak A csatorna töltése nagyon rövid idő alatt lemerül, ami nagy hibaáramot okoz, és az A pontban tüskefeszültséget okoz. Ugyanakkor az MN11 a kikapcsolt állapotból a bekapcsolt állapotba ugrik, és az MN10 -ből és az MN9 -ből álló jelenlegi rétegek a mély lineáris régióból a telítettségi tartományba mennek. Ennek a három csőnek a csatornakapacitása rövid időn belül feltöltődik, ami szintén nagy Burr áramot és tüskefeszültséget okoz. Hasonlóképpen, ha az MN12 segédcsövet eltávolítják, az MN11, MN10 és MN9 szintén nagy hibaáramot és tüskefeszültséget generál a CLK ugrásakor. Bár az MP13 és MP14 szélesség-hosszúság aránya megegyezik, a kapu szintje ellentétes, ezért az MP13 és az MP14 felváltva van bekapcsolva. Az MP13 két fő szerepet játszik a tüskefeszültség megszüntetésében. Először is győződjön meg arról, hogy az MP11 és MP12 a telítési tartományban dolgozik a teljes ciklus során, hogy biztosítsa az áram folyamatosságát, és elkerülje az aktuális tükör okozta éles lövési feszültséget. Másodszor, tegye az MP13 -at és az MP14 -et kiegészítő csővé. Így a CLK feszültségváltozásának pillanatában az egyik cső csatornakapacitása feltöltődik, a másik cső csatornakapacitása pedig lemerül, a pozitív és negatív töltések pedig kioltják egymást, ezáltal nagymértékben csökkentve a hibaáramot. Hasonlóképpen, az MN12 bevezetése is ugyanezt a szerepet fogja betölteni.

2.4 A javítási technológia alkalmazása

A MOS csövek különböző tételeinek paraméterei ostyánként változnak. Különböző folyamatszögek esetén a MOS cső oxid rétegének vastagsága is eltérő lesz, és a megfelelő Cox is ennek megfelelően változik, ami a töltési és kisülési áram eltolódását okozza, ami az oszcillátor kimeneti frekvenciájának megváltozását eredményezi. Az integrált áramkör -tervezésben a vágási technológiát elsősorban az ellenállás- és ellenálláshálózat (vagy kondenzátorhálózat) módosítására használják. Különböző ellenálláshálózatok használhatók az ellenállás (vagy kapacitás) növelésére vagy csökkentésére különböző ellenálláshálózatok (vagy kondenzátorhálózatok) tervezéséhez. Az IB1 és IB2 töltő- és kisülési áramokat főként az aktuális Iref határozza meg. És Iref = Vdd/2R5. Ezért ez a kialakítás az R5 ellenállás vágását választja. A vágóhálózat a 3. ábrán látható. Az ábrán minden ellenállás egyenlő. Ebben a kialakításban az R5 ellenállás ellenállása 45 kΩ. Az R5 -öt tíz kis ellenállás köti sorba, 4,5 kΩ ellenállással. Ha a vezetéket összeolvasztja az A és B két pont között, akkor 2,5%-kal növelheti az R5 ellenállását, a B és C közötti huzal összeolvasztásával pedig 1,25%-kal, A, B és B, C között. Az összes biztosíték kiég., ami 3,75%-kal növeli az ellenállást. Ennek a vágási technikának az a hátránya, hogy csak növelni tudja az ellenállás értékét, de nem a kicsi.

3. ábra Ellenállásjavító hálózat szerkezete

3. lépés: Szimulációs eredmények elemzése

Ez a kialakítás megvalósítható a CSMC 0,5μm CMOS folyamatán, és szimulálható a Spectre eszközzel.

3.1 A háromszög hullám javítása kiegészítő kapcsolócsővel

A 4. ábra egy vázlatos diagram, amely bemutatja a háromszög alakú hullám javulását a kiegészítő kapcsolócső által. A 4. ábrán látható, hogy az MP13 és az MN12 hullámformái ebben a kialakításban nem rendelkeznek nyilvánvaló csúcsokkal, amikor a meredekség megváltozik, és a hullámforma élesítési jelensége eltűnik a segédcső hozzáadása után.

4. ábra A kiegészítő kapcsolócső javított hullámformája a háromszög hullámhoz

3.2 A tápfeszültség és a hőmérséklet hatása

Az 5. ábrán látható, hogy az oszcillátor frekvenciája 1,86% -ra változik, amikor a tápfeszültség 3V -ról 5V -ra változik. Amikor a hőmérséklet -40 ° C -ról 120 ° C -ra változik, az oszcillátor frekvenciája 1,93%-kal változik. Látható, hogy amikor a hőmérséklet és a tápfeszültség nagymértékben változik, az oszcillátor kimeneti frekvenciája stabil maradhat, így biztosítható a chip normál működése.

5. ábra A feszültség és a hőmérséklet hatása a frekvenciára

4. lépés: Következtetés

Ez a dokumentum egy áramvezérelt oszcillátort tervez a D osztályú audioerősítőkhöz. Általában ez az oszcillátor 250 kHz frekvenciájú négyzet- és háromszöghullám -jeleket képes kiadni. Ezenkívül az oszcillátor kimeneti frekvenciája stabil maradhat, ha a hőmérséklet és a tápfeszültség nagymértékben változik. Ezenkívül a tüskefeszültség eltávolítható kiegészítő kapcsolótranzisztorok hozzáadásával. Az ellenálláshálózat -vágási technika bevezetésével pontos kimeneti frekvencia érhető el folyamatváltozások jelenlétében. Jelenleg ezt az oszcillátort D osztályú audioerősítőben használták.