Praegusel režiimil põhineva ostsillaatori disain D -klassi helivõimenditele: 6 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

Viimastel aastatel on D -klassi helivõimendid muutunud eelistatud lahenduseks kaasaskantavatele helisüsteemidele, nagu MP3 ja mobiiltelefonid, tänu oma suurele tõhususele ja madalale energiatarbimisele. Ostsillaator on D -klassi helivõimendi oluline osa. Ostsillaatoril on oluline mõju võimendi helikvaliteedile, kiibi efektiivsusele, elektromagnetilistele häiretele ja muudele näitajatele. Selleks kavandab see paber D-klassi võimsusvõimendite jaoks vooluga juhitava ostsillaatori vooluahela. Moodul põhineb praegusel režiimil ja rakendab peamiselt kahte funktsiooni: üks on kolmnurkse lainesignaali edastamine, mille amplituud on proportsionaalne toitepingega; teine on ruudukujulise laine signaali andmine, mille sagedus on peaaegu sõltumatu toitepingest ja ruutlainesignaali töökord on 50%.

1. samm: praeguse režiimi ostsillaatori põhimõte

Ostsillaatori tööpõhimõte on juhtida kondensaatori laadimist ja tühjenemist vooluallika kaudu MOS -lülititoru kaudu, et tekitada kolmnurkse lainesignaali. Tavalise voolurežiimil põhineva ostsillaatori plokkskeem on näidatud joonisel 1.

Praegusel režiimil põhineva ostsillaatori disain D -klassi helivõimenditele

Joonisel fig. 1, R1, R2, R3 ja R4 genereerivad lävipinged VH, VL ja võrdluspinge Vref, jagades toitepinge pinge. Seejärel lastakse võrdluspinge läbi võimendite OPA ja MN1 LDO struktuuri, et tekitada võrdlusvool Iref, mis on proportsionaalne toitepingega. Seega on olemas:

Selles süsteemis olevad MP1, MP2 ja MP3 võivad moodustada laadimisvoolu IB1 tekitamiseks peegelvooluallika. Peegelvooluallikas, mis koosneb MP1, MP2, MN2 ja MN3, tekitab tühjendusvoolu IB2. Eeldatakse, et MP1, MP2 ja MP3 laiuse ja pikkuse suhe on võrdne ning MN2 ja MN3 laiuse ja pikkuse suhe on võrdne. Siis on:

Kui ostsillaator töötab, laadib MP3 -toru laadimisfaasis t1, CLK = 1 kondensaatorit konstantse vooluga IB1. Pärast seda tõuseb pinge punktis A lineaarselt. Kui pinge punktis A on suurem kui VH, pööratakse cmp1 väljundi pinge nulli. Loogika juhtimismoodul koosneb peamiselt RS-plätudest. Kui cmp1 väljund on 0, pööratakse väljundklemm CLK madalale tasemele ja CLK on kõrge tase. Ostsillaator siseneb tühjendusfaasi t2, kus kondensaator C hakkab tühjenema konstantse voolu IB2 juures, põhjustades pinge langemist punktis A. Kui pinge langeb alla VL, muutub cmp2 väljundpinge nulliks. RS flip-flop pöörab, CLK tõuseb kõrgele ja CLK madalale, lõpetades laadimis- ja tühjenemisperioodi. Kuna IB1 ja IB2 on võrdsed, on kondensaatori laadimis- ja tühjenemisajad võrdsed. A-punkti kolmnurkse laine tõusva serva kalle on võrdne langeva serva kalde absoluutväärtusega. Seetõttu on CLK -signaal ruutlaine signaal, mille töövõime on 50%.

Selle ostsillaatori väljundsagedus ei sõltu toitepingest ja kolmnurkse laine amplituud on võrdeline toitepingega.

2. etapp: ostsillaatori ahela rakendamine

Käesolevas dokumendis kavandatud ostsillaatori vooluahela konstruktsioon on näidatud joonisel 2. Vooluahel on jagatud kolmeks osaks: lävipinge genereeriv vooluahel, laadimis- ja tühjendusvoolu genereeriv vooluahel ning loogiline juhtimisahel.

Praegusel režiimil põhineva ostsillaatori disain D -klassi helivõimendite jaoks Joonis 2 ostsillaatori rakendusahel

2.1 Lävipingetootmisseade

Lävipinge genereeriv osa võib koosneda MN1 -st ja neljast pingejaotustakistist R1, R2, R3 ja R4, millel on võrdsed takistuse väärtused. MOS -transistorit MN1 kasutatakse siin lülitustransistorina. Kui helisignaali ei sisestata, seab kiip CTRL -terminali madalaks, VH ja VL on mõlemad 0V ning ostsillaator lakkab töötamast, et vähendada kiibi staatilist energiatarbimist. Signaali sisendi korral on CTRL madal, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Võrdlusseadme kõrgsagedusliku töö tõttu, kui punkt B ja punkt C on otse võrdlusvõrgu sisendiga ühendatud, võib MOS -transistori parasiitmahtuvuse kaudu tekitada lävipingele elektromagnetilisi häireid. Seetõttu ühendab see ahel punkti B ja punkti C puhvriga. Vooluahela simulatsioonid näitavad, et puhvrite kasutamine võib tõhusalt isoleerida elektromagnetilisi häireid ja stabiliseerida lävepinget.

2.2 Laadimis- ja tühjenemisvoolu tekitamine

Toitepingega proportsionaalset voolu võivad tekitada OPA, MN2 ja R5. Kuna OPA võimendus on suur, on pinge erinevus Vref ja V5 vahel tühine. Kanalimodulatsiooni efekti tõttu mõjutavad MP11 ja MN10 voolu allika äravoolu pinge. Seetõttu ei ole kondensaatori laadimis-tühjendusvool toitepingega enam lineaarne. Selles konstruktsioonis kasutab praegune peegel kaskodeeritud struktuuri MP11 ja MN10 allika äravoolu pinge stabiliseerimiseks ja toitepinge tundlikkuse vähendamiseks. Vahelduvvoolu vaatenurgast suurendab kaskoodistruktuur praeguse allika (kihi) väljundtakistust ja vähendab viga väljundvoolus. MN3, MN4 ja MP5 kasutatakse MP12 eelpinge tagamiseks. MP8, MP10, MN6 võivad pakkuda MN9 jaoks eelpinget.

2.3 Loogika juhtimise jaotis

Flip-flopi väljund CLK ja CLK on ruudukujulise lainega signaalid, millel on vastupidised faasid, mida saab kasutada MP13, MN11 ja MP14, MN12 avamise ja sulgemise juhtimiseks. MP14 ja MN11 toimivad lülitustransistoridena, mis toimivad joonisel 1 SW1 ja SW2. MN12 ja MP13 toimivad abitorudena, mille põhiülesanne on vähendada laengu- ja tühjenemisvoolu kulusid ning kõrvaldada kolmnurksete lainete terava tulistamise nähtus. Terava pildistamise nähtuse põhjustab peamiselt kanalilaengu süstimise efekt, kui MOS-transistor on oleku üleminekul.

Eeldades, et MN12 ja MP13 eemaldatakse, kui CLK üleminek 0 -lt 1 -le, lülitatakse MP14 väljalülitatud olekusse ja praegune MP11 -st ja MP12 -st koosnev allikas on sunnitud kohe küllastuspiirkonnast sisenema sügavale lineaarsesse piirkonda ja MP11, MP12, MP13 on Kanali laeng tühjendatakse väga lühikese aja jooksul, mis põhjustab suure tõrkevoolu, põhjustades punktis A piikpinget. Samal ajal hüppab MN11 väljalülitatud olekust sisse lülitatud olekusse ja praegused kihid, mis koosnevad MN10 ja MN9, lähevad sügavalt lineaarsest piirkonnast küllastuspiirkonda. Nende kolme toru kanali mahtuvus laetakse lühikese aja jooksul, mis põhjustab ka suurt Burr -voolu ja naelpinget. Sarnaselt, kui abitoru MN12 eemaldatakse, tekitavad MN11, MN10 ja MN9 ka CLK -i hüppamisel suure tõrkevoolu ja piikpinge. Kuigi MP13 ja MP14 on sama laiuse ja pikkuse suhtega, on värava tase vastupidine, seega lülitatakse MP13 ja MP14 vaheldumisi sisse. MP13 mängib piikide pinge kõrvaldamisel kahte peamist rolli. Esiteks veenduge, et MP11 ja MP12 töötavad küllastuspiirkonnas kogu tsükli vältel, et tagada voolu järjepidevus ja vältida praeguse peegli põhjustatud teravat tulistamispinget. Teiseks tehke MP13 ja MP14 täiendavaks toruks. Seega laetakse CLK pinge muutumise hetkel ühe toru kanali mahtuvus ja teise toru mahtuvus tühjeneb ning positiivsed ja negatiivsed laengud tühistavad üksteise, vähendades seeläbi tõrkevoolu oluliselt. Sarnaselt mängib sama rolli ka MN12 kasutuselevõtt.

2.4 Remonditehnoloogia rakendamine

MOS -tuubide erinevate partiide parameetrid on vahvlite lõikes erinevad. Erinevate protsessinurkade korral on ka MOS -toru oksiidikihi paksus erinev ja vastavalt muutub ka vastav Cox, mis põhjustab laengu- ja tühjenemisvoolu nihkumist, muutes ostsillaatori väljundsagedust. Integreeritud vooluahela projekteerimisel kasutatakse kärpimistehnoloogiat peamiselt takisti- ja takistusvõrgu (või kondensaatorivõrgu) muutmiseks. Vastupanu (või mahtuvuse) suurendamiseks või vähendamiseks saab erinevate takistusvõrkude (või kondensaatorivõrkude) projekteerimiseks kasutada erinevaid takistusvõrke. Laadimis- ja tühjenemisvoolud IB1 ja IB2 määrab peamiselt praegune Iref. Ja Iref = Vdd/2R5. Seetõttu valib see disain takisti R5 kärpimise. Kärpimisvõrk on näidatud joonisel 3. Joonisel on kõik takistid võrdsed. Selles konstruktsioonis on takisti R5 takistus 45 kΩ. R5 on järjestikku ühendatud kümne väikese takistiga, mille takistus on 4,5 kΩ. Juhtme sulamine kahe punkti A ja B vahel võib suurendada R5 takistust 2,5%ja juhtme sulamine B ja C vahel võib suurendada takistust 1,25%, A, B ja B, C vahel. Kõik kaitsmed on läbi põlenud, mis suurendab vastupidavust 3,75%. Selle kärpimistehnika puuduseks on see, et see võib suurendada ainult takistuse väärtust, kuid mitte väikest.

Joonis 3 takistuse parandamise võrgu struktuur

3. samm: simulatsioonitulemuste analüüs

Seda disaini saab rakendada CSMC 0,5 μm CMOS -protsessis ja simuleerida tööriistaga Spectre.

3.1 Kolmnurkse laine parandamine täiendava lülitustoru abil

Joonis 4 on skemaatiline diagramm, mis näitab kolmnurkse laine paranemist täiendava lülititoru abil. Jooniselt fig 4 on näha, et selle konstruktsiooni MP13 ja MN12 lainekujudel ei ole kalde muutumisel ilmselgeid piike ning lainekuju teritamise nähtus kaob pärast abitoru lisamist.

Joonis 4 Täiendava lainekuju täiendav lülitustoru kolmnurkse lainega

3.2 Toitepinge ja temperatuuri mõju

Jooniselt 5 on näha, et ostsillaatori sagedus muutub 1,86% -ni, kui toitepinge muutub 3V -lt 5V -le. Kui temperatuur muutub vahemikus -40 ° C kuni 120 ° C, muutub ostsillaatori sagedus 1,93%. On näha, et kui temperatuur ja toitepinge on väga erinevad, võib ostsillaatori väljundsagedus jääda stabiilseks, nii et on võimalik tagada kiibi normaalne töö.

Joonis 5 Pinge ja temperatuuri mõju sagedusele

4. samm: järeldus

See paber kavandab voolu juhitavat ostsillaatorit D -klassi helivõimenditele. Tavaliselt suudab see ostsillaator väljastada ruudukujulisi ja kolmnurkseid lainesignaale sagedusega 250 kHz. Lisaks võib ostsillaatori väljundsagedus jääda stabiilseks, kui temperatuur ja toitepinge on väga erinevad. Lisaks saab piikide pinget eemaldada ka täiendavate lülitustransistoride lisamisega. Takistivõrgu kärpimistehnika kasutuselevõtuga saab protsessi variatsioonide olemasolul saada täpse väljundsageduse. Praegu on seda ostsillaatorit kasutatud D -klassi helivõimendis.