Nykyisen moodipohjaisen oskillaattorin suunnittelu luokan D äänitehovahvistimille: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Viime vuosina luokan D äänitehovahvistimista on tullut suosituin ratkaisu kannettaville audiojärjestelmille, kuten MP3- ja matkapuhelimille, niiden tehokkuuden ja alhaisen virrankulutuksen vuoksi. Oskillaattori on tärkeä osa luokan D äänivahvistinta. Oskillaattorilla on tärkeä vaikutus vahvistimen äänenlaatuun, sirun tehokkuuteen, sähkömagneettisiin häiriöihin ja muihin indikaattoreihin. Tätä tarkoitusta varten tämä paperi suunnittelee virran ohjaamaa oskillaattoripiiriä luokan D tehovahvistimille. Moduuli perustuu nykyiseen tilaan ja toteuttaa pääasiassa kahta toimintoa: yksi on antaa kolmion aaltosignaali, jonka amplitudi on verrannollinen virtalähteen jännitteeseen; Toinen on tarjota neliöaaltosignaali, jonka taajuus on lähes riippumaton virtalähteen jännitteestä ja neliöaaltosignaalin käyttöaste on 50%.

Vaihe 1: Nykyisen tilan oskillaattoriperiaate

Oskillaattorin toimintaperiaate on ohjata kondensaattorin latausta ja purkausta virtalähteellä MOS -kytkinputken kautta kolmion aaltosignaalin luomiseksi. Perinteisen virtamoodipohjaisen oskillaattorin lohkokaavio on esitetty kuvassa 1.

Nykyisen moodipohjaisen oskillaattorin suunnittelu luokan D äänitehovahvistimille

KUVIOSSA 1, R1, R2, R3 ja R4 muodostavat kynnysjännitteet VH, VL ja vertailujännitteen Vref jakamalla virtalähteen jännitteen. Referenssijännite johdetaan sitten vahvistimien OPA ja MN1 LDO -rakenteen läpi, jotta saadaan vertailuvirta Iref, joka on verrannollinen syöttöjännitteeseen. Joten on olemassa:

Tässä järjestelmässä olevat MP1, MP2 ja MP3 voivat muodostaa peilivirtalähteen latausvirran IB1 tuottamiseksi. Peilivirtalähde, joka koostuu MP1, MP2, MN2 ja MN3, muodostaa purkausvirran IB2. Oletetaan, että MP1-, MP2- ja MP3 -levyillä on sama leveys- ja pituussuhde ja MN2- ja MN3 -levyillä leveys- ja pituussuhteet. Sitten on:

Kun oskillaattori toimii, latausvaiheen t1 aikana, CLK = 1, MP3 -putki lataa kondensaattorin vakiovirralla IB1. Tämän jälkeen jännite pisteessä A nousee lineaarisesti. Kun pisteen A jännite on suurempi kuin VH, jännite cmp1: n ulostulossa käännetään nollaan. Logiikan ohjausmoduuli koostuu pääasiassa RS-varvastossuista. Kun cmp1: n lähtö on 0, lähtöliitin CLK käännetään alhaiselle tasolle ja CLK on korkea taso. Oskillaattori siirtyy purkausvaiheeseen t2, jolloin kondensaattori C alkaa purkautua vakiovirralla IB2, jolloin jännite pisteessä A laskee. Kun jännite putoaa alle VL: n, cmp2: n lähtöjännite muuttuu nollaksi. RS-flip-flop kääntyy, CLK nousee korkealle ja CLK laskee alhaiseksi, jolloin lataus- ja purkausaika päättyy. Koska IB1 ja IB2 ovat yhtä suuret, kondensaattorin lataus- ja purkausajat ovat samat. A-pisteen kolmion aallon nousevan reunan kaltevuus on yhtä suuri kuin laskevan reunan kaltevuuden absoluuttinen arvo. Siksi CLK -signaali on neliöaaltosignaali, jonka käyttöaste on 50%.

Tämän oskillaattorin lähtötaajuus on riippumaton syöttöjännitteestä, ja kolmion aallon amplitudi on verrannollinen syöttöjännitteeseen.

Vaihe 2: Oskillaattoripiirin toteutus

Tässä paperissa suunniteltu oskillaattoripiirin rakenne on esitetty kuviossa 2. Piiri on jaettu kolmeen osaan: kynnysjännitteen muodostuspiiri, lataus- ja purkausvirtaa tuottava piiri ja logiikan ohjauspiiri.

Nykyisen moodipohjaisen oskillaattorin suunnittelu luokan D äänitehovahvistimille Kuva 2 oskillaattorin toteutuspiiri

2.1 Kynnysjännitteentuotantoyksikkö

Kynnysjännitteen muodostava osa voi koostua MN1: stä ja neljästä jännitteenjakovastuksesta R1, R2, R3 ja R4, joilla on samat vastusarvot. MOS -transistoria MN1 käytetään tässä kytkentätransistorina. Kun audiosignaalia ei syötetä, siru asettaa CTRL -terminaalin matalaksi, VH ja VL ovat molemmat 0V ja oskillaattori lakkaa toimimasta pienentääkseen sirun staattista virrankulutusta. Kun signaalitulo on, CTRL on alhainen, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Komparaattorin suurtaajuisen toiminnan vuoksi, jos piste B ja piste C on kytketty suoraan vertailutuloon, sähkömagneettisia häiriöitä voi syntyä kynnysjännitteelle MOS -transistorin loiskapasitanssin kautta. Siksi tämä piiri yhdistää pisteen B ja pisteen C puskuriin. Piirisimulaatiot osoittavat, että puskureiden käyttö voi tehokkaasti eristää sähkömagneettiset häiriöt ja vakauttaa kynnysjännitteen.

2.2 Lataus- ja purkausvirta

OPA, MN2 ja R5 voivat tuottaa syöttöjännitteeseen verrannollisen virran. Koska OPA: n vahvistus on suuri, jänniteero Vref: n ja V5: n välillä on vähäinen. Kanavamodulaatiovaikutuksen vuoksi lähde-tyhjennysjännite vaikuttaa MP11- ja MN10-virtoihin. Siksi kondensaattorin varaus-purkausvirta ei ole enää lineaarinen syöttöjännitteen kanssa. Tässä mallissa nykyinen peili käyttää cascode-rakennetta MP11: n ja MN10: n lähde-tyhjennysjännitteen vakauttamiseen ja herkkyyden pienentämiseen virtalähteelle. Vaihtovirran näkökulmasta cascode -rakenne lisää virtalähteen (kerroksen) lähtövastusta ja vähentää lähtövirran virhettä. MN3, MN4 ja MP5 käytetään antamaan esijännite MP12: lle. MP8, MP10, MN6 voivat tarjota esijännitteen MN9: lle.

2.3 Logiikan ohjausosa

Käännöksen lähdöt CLK ja CLK ovat neliöaaltosignaaleja, joilla on vastakkaiset vaiheet ja joita voidaan käyttää MP13, MN11 ja MP14, MN12 avaamisen ja sulkemisen ohjaamiseen. MP14 ja MN11 toimivat kytkentätransistoreina, jotka toimivat kuviossa SW1 ja SW2. MN12 ja MP13 toimivat apuputkina, joiden päätehtävänä on vähentää lataus- ja purkausvirtaa ja poistaa kolmion aaltojen terävä ilmiö. Terävän kuvauksen ilmiö johtuu pääasiassa kanavavarauksen ruiskutusvaikutuksesta, kun MOS-transistori on tilasiirtymässä.

Jos oletetaan, että MN12 ja MP13 poistetaan, kun CLK siirtyy 0: sta 1: een, MP14 kytketään pois päältä ja MP11: stä ja MP12: sta koostuva virtalähde pakotetaan siirtymään syvälle lineaariselle alueelle kyllästysalueelta välittömästi, ja MP11, MP12, MP13 ovat Kanavavaraus vedetään hyvin lyhyessä ajassa, mikä aiheuttaa suuren häiriövirran aiheuttaen piikkijännitteen pisteessä A. nykyiset kerrokset, jotka koostuvat MN10: stä ja MN9: stä, siirtyvät syvältä lineaariselta alueelta kylläisyysalueelle. Näiden kolmen putken kanavan kapasitanssi latautuu lyhyessä ajassa, mikä aiheuttaa myös suuren Burr -virran ja piikkijännitteen. Samoin, jos apuputki MN12 poistetaan, MN11, MN10 ja MN9 tuottavat myös suuren häiriövirran ja piikkijännitteen, kun CLK hyppää. Vaikka MP13: lla ja MP14: llä on sama leveys-pituus-suhde, porttitaso on päinvastainen, joten MP13 ja MP14 kytketään vuorotellen päälle. MP13: lla on kaksi pääroolia piikin jännitteen poistamisessa. Varmista ensin, että MP11 ja MP12 toimivat kyllästysalueella koko syklin ajan, jotta varmistetaan virran jatkuvuus ja vältetään nykyisen peilin aiheuttama terävä kuvausjännite. Toiseksi, tee MP13: sta ja MP14: stä täydentävä putki. Siten CLK -jännitteen muutoshetkellä yhden putken kanavan kapasitanssi ladataan ja toisen putken kanavan kapasitanssi purkautuu, ja positiiviset ja negatiiviset varaukset kumoavat toisensa, mikä vähentää häiriövirtaa merkittävästi. Samoin MN12: n käyttöönotolla on sama rooli.

2.4 Korjaustekniikan soveltaminen

MOS -putkien eri erien parametrit vaihtelevat kiekkojen välillä. Eri prosessikulmissa myös MOS -putken oksidikerroksen paksuus on erilainen, ja vastaava Cox muuttuu myös vastaavasti aiheuttaen lataus- ja purkausvirtaa, jolloin oskillaattorin lähtötaajuus muuttuu. Integroitujen piirien suunnittelussa leikkaustekniikkaa käytetään pääasiassa vastuksen ja vastusverkon (tai kondensaattoriverkon) muokkaamiseen. Eri vastusverkkoja voidaan käyttää vastuksen (tai kapasitanssin) lisäämiseen tai vähentämiseen erilaisten vastusverkkojen (tai kondensaattoriverkkojen) suunnittelussa. Lataus- ja purkausvirrat IB1 ja IB2 määrittävät pääasiassa nykyinen Iref. Ja Iref = Vdd/2R5. Siksi tämä malli päättää leikata vastuksen R5. Leikkausverkko on esitetty kuvassa 3. Kuvassa kaikki vastukset ovat yhtä suuret. Tässä rakenteessa vastuksen R5 vastus on 45 kΩ. R5 on kytketty sarjaan kymmenellä pienellä vastuksella, joiden vastus on 4,5 kΩ. Johdon sulattaminen kahden pisteen A ja B väliin voi lisätä R5: n vastusta 2,5%ja johdon sulaminen B: n ja C: n välillä voi lisätä vastusta 1,25%, välillä A, B ja B, C. Sulakkeet ovat kaikki palanut, mikä lisää vastusta 3,75%. Tämän leikkaustekniikan haittana on, että se voi vain lisätä vastusarvoa, mutta ei pientä.

Kuva 3 vastuskorjausverkon rakenne

Vaihe 3: Simulaatiotulosten analyysi

Tämä malli voidaan toteuttaa CSMC: n 0,5 μm CMOS -prosessissa ja simuloida Spectre -työkalulla.

3.1 Kolmion aallon parantaminen täydentävällä kytkentäputkella

Kuvio 4 on kaavamainen kaavio, joka esittää kolmikulmaisen aallon paranemista täydentävän kytkinputken avulla. Kuviosta 4 voidaan nähdä, että MP13: n ja MN12: n aaltomuodoilla ei tässä rakenteessa ole ilmeisiä piikkejä, kun kaltevuus muuttuu, ja aaltomuodon teroitusilmiö katoaa lisäputken lisäämisen jälkeen.

Kuva 4 Komplementtisen kytkentäputken parannettu aaltomuoto kolmion aaltoksi

3.2 Virtalähteen jännitteen ja lämpötilan vaikutus

Kuvasta 5 voidaan nähdä, että oskillaattorin taajuus muuttuu 1,86%: iin, kun virtalähteen jännite muuttuu 3V: sta 5V: ksi. Kun lämpötila muuttuu -40 ° C: sta 120 ° C: een, oskillaattorin taajuus muuttuu 1,93%. On nähtävissä, että kun lämpötila ja virtalähteen jännite vaihtelevat suuresti, oskillaattorin lähtötaajuus voi pysyä vakaana, jotta sirun normaali toiminta voidaan varmistaa.

Kuva 5 Jännitteen ja lämpötilan vaikutus taajuuteen

Vaihe 4: Johtopäätös

Tämä paperi suunnittelee virtaohjattua oskillaattoria luokan D äänitehovahvistimille. Tyypillisesti tämä oskillaattori voi lähettää neliö- ja kolmionmuotoisia aaltosignaaleja taajuudella 250 kHz. Lisäksi oskillaattorin lähtötaajuus voi pysyä vakaana, kun lämpötila ja syöttöjännite vaihtelevat suuresti. Lisäksi piikkijännite voidaan poistaa myös lisäämällä täydentäviä kytkentätransistoreita. Ottamalla käyttöön vastusverkon leikkaustekniikan, tarkka lähtötaajuus voidaan saada prosessivaihteluiden läsnä ollessa. Tällä hetkellä tätä oskillaattoria on käytetty D -luokan äänivahvistimessa.