Disenyo ng Kasalukuyang Mode na Oscillator para sa Class D Audio Power Amplifier: 6 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:09

Sa mga nagdaang taon, ang Class D audio power amplifiers ay naging ginustong solusyon para sa portable audio system tulad ng MP3 at mga mobile phone dahil sa kanilang mataas na kahusayan at mababang paggamit ng kuryente. Ang oscillator ay isang mahalagang bahagi ng class D audio amplifier. Ang oscillator ay may mahalagang impluwensya sa kalidad ng tunog ng amplifier, chip kahusayan, pagkagambala ng electromagnetic at iba pang mga tagapagpahiwatig. Sa pagtatapos na ito, ang papel na ito ay nagdidisenyo ng isang kasalukuyang kontrolado ng oscillator circuit para sa mga power amplifier ng klase D. Ang module ay batay sa kasalukuyang mode at higit sa lahat nagpapatupad ng dalawang pag-andar: ang isa ay upang magbigay ng isang tatsulok na signal ng alon na ang amplitude ay proporsyonal sa boltahe ng suplay ng kuryente; ang iba pa ay upang magbigay ng isang parisukat na signal ng alon na ang dalas ay halos independiyente sa boltahe ng suplay ng kuryente, at ang ratio ng tungkulin ng parisukat na signal ng alon ay 50%.

Hakbang 1: Prinsipyo ng Kasalukuyang Mode Oscillator

Ang prinsipyo ng pagtatrabaho ng oscillator ay upang makontrol ang pagsingil at paglabas ng kapasitor ng kasalukuyang mapagkukunan sa pamamagitan ng MOS switch tube upang makabuo ng isang tatsulok na signal ng alon. Ang isang diagram ng block ng isang maginoo kasalukuyang mode based oscillator ay ipinapakita sa Larawan 1.

Disenyo ng Kasalukuyang Mode Base Oscillator para sa Class D Audio Power Amplifiers

Sa FIG. Ang 1, R1, R2, R3, at R4 ay bumubuo ng mga boltahe ng threshold na VH, VL at isang sanggunian na boltahe na Vref sa pamamagitan ng paghahati ng isang boltahe ng isang boltahe ng suplay ng kuryente. Ang boltahe ng sanggunian ay ipinapasa sa pamamagitan ng isang istrakturang LDO ng mga amplifier na OPA at MN1 upang makabuo ng isang kasalukuyang sanggunian na Iref na proporsyonal sa boltahe ng suplay. Kaya may mga:

Ang MP1, MP2, at MP3 sa sistemang ito ay maaaring bumuo ng isang kasalukuyang mapagkukunan ng salamin upang makabuo ng pagsingil sa kasalukuyang IB1. Ang salamin kasalukuyang mapagkukunan na binubuo ng MP1, MP2, MN2, at MN3 ay bumubuo ng isang kasalukuyang paglabas ng IB2. Ipinapalagay na ang MP1, MP2, at MP3 ay may pantay na lapad sa haba ng mga ratio, at ang MN2 at MN3 ay may pantay na lapad sa mga haba ng ratios. Pagkatapos ay may:

Kapag ang oscillator ay gumagana, sa panahon ng pagsingil phase t1, CLK = 1, singil ng MP3 tube ang capacitor na may isang pare-pareho na kasalukuyang IB1. Pagkatapos nito, ang boltahe sa point A ay tumataas nang tuwid. Kapag ang boltahe sa punto A ay mas malaki kaysa sa VH, ang boltahe sa output ng cmp1 ay naging zero. Ang module ng pagkontrol sa lohika ay pangunahing binubuo ng mga flip-flop ng RS. Kapag ang output ng cmp1 ay 0, ang output terminal CLK ay baligtad sa isang mababang antas, at ang CLK ay isang mataas na antas. Ang oscillator ay pumapasok sa phase ng paglabas ng t2, kung saan ang capacitor C ay nagsisimula sa paglabas sa isang pare-pareho na kasalukuyang IB2, na sanhi ng pagbagsak ng boltahe sa puntong A. Kapag ang boltahe ay bumaba sa ibaba VL, ang output boltahe ng cmp2 ay nagiging zero. Ang RS flip-flop flips, CLK ay mataas, at ang CLK ay bumababa, nakumpleto ang isang panahon ng pagsingil at paglabas. Dahil ang IB1 at IB2 ay pantay, ang mga oras ng pagsingil at paglabas ng kapasitor ay pantay. Ang tumataas na slope ng gilid ng A-point na tatsulok na alon ay katumbas ng ganap na halaga ng pagbagsak ng slope ng gilid. Samakatuwid, ang senyas ng CLK ay isang parisukat na signal ng alon na may ratio na tungkulin na 50%.

Ang dalas ng output ng oscillator na ito ay malaya sa boltahe ng suplay, at ang amplitude ng tatsulok na alon ay proporsyonal sa boltahe ng suplay.

Hakbang 2: Pagpapatupad ng Oscillator Circuit

Ang disenyo ng oscillator circuit na idinisenyo sa papel na ito ay ipinapakita sa Larawan 2. Ang circuit ay nahahati sa tatlong bahagi: isang threshold voltage na bumubuo ng circuit, isang singilin at naglalabas ng kasalukuyang circuit na bumubuo at isang circuit control na lohika.

Disenyo ng Kasalukuyang Mode Batay Oscillator para sa Class D Audio Power Amplifiers Larawan 2 oscillator circuit na pagpapatupad

2.1 Yunit ng pagbuo ng boltahe ng threshold

Ang bahagi ng bumubuo ng boltahe ng threshold ay maaaring mabubuo ng MN1 at apat na boltahe na naghahati ng mga resistor na R1, R2, R3 at R4 na may pantay na mga halaga ng paglaban. Ang MOS transistor MN1 ay dito ginagamit bilang isang switching transistor. Kapag walang input ng audio signal, itinatakda ng maliit na maliit ang terminal ng CTRL, ang VH at VL ay parehong 0V, at ang oscillator ay tumigil sa pagtatrabaho upang mabawasan ang static na pagkonsumo ng kuryente ng maliit na tilad. Kapag may input ng signal, mababa ang CTRL, VH = 3Vdd / 4, VL = Vdd / 4. Dahil sa mataas na dalas ng pagpapatakbo ng kumpare, kung ang point B at point C ay direktang konektado sa input ng kumpara, ang electromagnetic interferensi ay maaaring mabuo sa boltahe ng threshold sa pamamagitan ng parasitiko capacitance ng MOS transistor. Samakatuwid, ang circuit na ito ay nag-uugnay sa point B at point C sa buffer. Ipinapakita ng mga simulation ng circuit na ang paggamit ng mga buffer ay maaaring epektibo na ihiwalay ang pagkagambala ng electromagnetic at patatagin ang boltahe ng threshold.

2.2 Pagbuo ng kasalukuyang singil at paglabas

Ang kasalukuyang proporsyonal sa boltahe ng suplay ay maaaring mabuo ng OPA, MN2, at R5. Dahil mataas ang nakuha ng OPA, ang pagkakaiba ng boltahe sa pagitan ng Vref at V5 ay bale-wala. Dahil sa epekto ng pagbago ng channel, ang mga alon ng MP11 at MN10 ay apektado ng boltahe ng source-drain. Samakatuwid, ang kasalukuyang singil ng paglabas ng capacitor ay hindi na guhit sa boltahe ng suplay. Sa disenyo na ito, ang kasalukuyang salamin ay gumagamit ng istraktura ng cascode upang patatagin ang pinagmulan-alisan ng boltahe ng MP11 at MN10, at mabawasan ang pagkasensitibo sa boltahe ng suplay ng kuryente. Mula sa isang pananaw sa AC, ang istraktura ng cascode ay nagdaragdag ng paglaban ng output ng kasalukuyang mapagkukunan (layer) at binabawasan ang error sa kasalukuyang output. Ang MN3, MN4, at MP5 ay ginagamit upang magbigay ng isang boltahe ng bias para sa MP12. Ang MP8, MP10, MN6 ay maaaring magbigay ng boltahe ng bias para sa MN9.

2.3 Seksyon ng Pagkontrol ng Logic

Ang output CLK at CLK ng flip-flop ay mga parisukat na signal ng alon na may kabaligtaran na mga phase, na maaaring magamit upang makontrol ang pagbubukas at pagsasara ng MP13, MN11 at MP14, MN12. Ang MP14 at MN11 ay kumikilos bilang switching transistors, na gumaganap bilang SW1 at SW2 sa Larawan 1. Ang MN12 at MP13 ay nagsisilbing mga auxiliary tubes, na ang pangunahing pagpapaandar ay upang mabawasan ang mga burr ng singil at kasalukuyang naglalabas at alisin ang matalas na pagbaril na kababalaghan ng mga triangular na alon. Ang kababalaghan ng matalas na pagbaril ay pangunahing sanhi ng epekto ng ineksyon ng singil sa channel kapag ang MOS transistor ay nasa paglipat ng estado.

Ipagpalagay na ang MN12 at MP13 ay tinanggal, kapag ang mga paglipat ng CLK mula 0 hanggang 1, ang MP14 ay nakabukas sa off state, at ang kasalukuyang mapagkukunan na binubuo ng MP11 at MP12 ay pinilit na ipasok ang malalim na linear na rehiyon mula sa rehiyon ng saturation, at MP11, MP12, MP13 ay Ang singil ng channel ay inilabas sa isang napakaikling oras, na kung saan ay sanhi ng isang malaking kasalukuyang glitch, na nagiging sanhi ng isang boltahe ng spike sa point A. Sa parehong oras, ang MN11 ay tumatalon mula sa off state patungo sa nasa estado, at ang kasalukuyang mga layer na binubuo ng MN10 at MN9 mula sa malalim na linear na rehiyon patungo sa rehiyon ng saturation. Ang capacitance ng channel ng tatlong tubes na ito ay sisingilin sa isang maikling panahon, na nagdudulot din ng isang malaking Burr kasalukuyang at boltahe ng spike. Katulad nito, kung ang auxiliary pipe MN12 ay tinanggal, ang MN11, MN10, at MN9 ay lumilikha din ng isang malaking glitch current at isang spike voltage kapag ang CLK ay hopped. Bagaman ang MP13 at MP14 ay may parehong lapad hanggang sa haba na sukat, ang antas ng gate ay nasa tapat, kaya't ang MP13 at MP14 ay halili na nakabukas. Gumaganap ang MP13 ng dalawang pangunahing tungkulin sa pag-aalis ng boltahe ng spike. Una, tiyakin na ang MP11 at MP12 ay gumagana sa rehiyon ng saturation sa buong pag-ikot upang matiyak ang pagpapatuloy ng kasalukuyang at maiwasan ang boltahe ng matalim na pagbaril na sanhi ng kasalukuyang salamin. Pangalawa, gumawa ng MP13 at MP14 form na isang pantulong na tubo. Kaya, sa sandali ng pagbabago ng boltahe ng CLK, ang capacitance ng channel ng isang tubo ay sisingilin, at ang capacitance ng channel ng iba pang tubo ay natapos, at ang mga positibo at negatibong singil ay nakansela ang bawat isa, sa gayong paraan ay lubos na binabawasan ang kasalukuyang glitch. Katulad nito, ang pagpapakilala ng MN12 ay gampanan ang parehong papel.

2.4 Paglalapat ng teknolohiya sa pag-aayos

Ang mga parameter ng iba't ibang mga batch ng MOS tubes ay magkakaiba sa pagitan ng mga wafer. Sa ilalim ng iba't ibang mga anggulo ng proseso, ang kapal ng layer ng oksido ng MOS tube ay magkakaiba din, at ang kaukulang Cox ay magbabago din nang naaayon, na nagiging sanhi ng paglilipat ng singil at kasalukuyang paglabas, na nagiging sanhi ng pagbabago ng dalas ng oscillator. Sa pinagsamang disenyo ng circuit, pangunahing ginagamit ang teknolohiyang pagbabawas upang mabago ang resistor at resistor network (o network ng capacitor). Ang iba't ibang mga resistor network ay maaaring magamit upang madagdagan o mabawasan ang paglaban (o kapasidad) upang mag-disenyo ng iba't ibang mga resistor network (o mga capacitor network). Ang singil at paglabas ng mga alon ng IB1 at IB2 ay pangunahing tinutukoy ng kasalukuyang Iref. At Iref = Vdd / 2R5. Samakatuwid, pipiliin ng disenyo na ito na i-trim ang risistor ng R5. Ang trimming network ay ipinapakita sa Larawan 3. Sa figure, lahat ng resistors ay pantay. Sa disenyo na ito, ang paglaban ng risistor R5 ay 45kΩ. Ang R5 ay konektado sa serye ng sampung maliliit na resistors na may resistensya na 4.5kΩ. Ang pag-fuse ng wire sa pagitan ng dalawang puntos na A at B ay maaaring dagdagan ang paglaban ng R5 ng 2.5%, at ang pag-fuse ng wire sa pagitan ng B at C ay maaaring dagdagan ang paglaban ng 1.25%, sa pagitan ng A, B at B, C. Ang mga piyus ay pawang hinipan., na nagdaragdag ng paglaban ng 3.75%. Ang kawalan ng diskarteng pagputol na ito ay maaari lamang nitong madagdagan ang halaga ng paglaban, ngunit hindi ang maliit.

Figure 3 istraktura ng pag-aayos ng paglaban ng paglaban

Hakbang 3: Pagsusuri sa Mga Resulta ng Simulation

Ang disenyo na ito ay maaaring ipatupad sa proseso ng 0.5μm CMOS ng CSMC at maaaring gayahin sa tool na Spectre.

3.1 Pagpapaganda ng tatsulok na alon sa pamamagitan ng pantulong na switching tube

Ang Larawan 4 ay isang diagram ng eskematiko na ipinapakita ang pagpapabuti ng tatsulok na alon ng pantulong na tubo ng paglipat. Makikita mula sa Larawan 4 na ang mga waveform ng MP13 at MN12 sa disenyo na ito ay walang malinaw na taluktok kapag ang slope ay nagbabago, at ang hindi pangkaraniwang alon na hindi pangkaraniwang kababalaghan nawala pagkatapos na maidagdag ang auxiliary tube.

Larawan 4 Pinabuting waveform ng pantulong na switching tube sa tatsulok na alon

3.2 Impluwensiya ng boltahe at temperatura ng suplay ng kuryente

Maaari itong makita mula sa Larawan 5 na ang dalas ng oscillator ay nagbabago sa 1.86% kapag ang boltahe ng suplay ng kuryente ay nagbago mula 3V hanggang 5V. Kapag nagbago ang temperatura mula -40 ° C hanggang 120 ° C, ang dalas ng oscillator ay nagbabago ng 1.93%. Makikita na kapag ang temperatura at boltahe ng suplay ng kuryente ay magkakaiba-iba, ang dalas ng output ng oscillator ay maaaring manatiling matatag, upang masiguro ang normal na operasyon ng maliit na tilad.

Larawan 5 Epekto ng boltahe at temperatura sa dalas

Hakbang 4: Konklusyon

Ang papel na ito ay nagdidisenyo ng isang kasalukuyang kinokontrol na oscillator para sa Class D audio power amplifier. Kadalasan, ang oscillator na ito ay maaaring maglabas ng parisukat at tatsulok na mga signal ng alon na may dalas na 250 kHz. Bukod dito, ang dalas ng output ng oscillator ay maaaring manatiling matatag kapag ang temperatura at boltahe ng suplay ay malawak na nag-iiba. Bilang karagdagan, ang boltahe ng spike ay maaari ding alisin sa pamamagitan ng pagdaragdag ng pantulong na paglipat ng mga transistors. Sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang diskarte sa pagputol ng network ng resistor, ang isang tumpak na dalas ng output ay maaaring makuha sa pagkakaroon ng mga pagkakaiba-iba ng proseso. Sa kasalukuyan, ang oscillator na ito ay ginamit sa isang Class D audio amplifier.