D Sınıfı Güc Gücləndiriciləri üçün Cari Rejimə əsaslanan Osilatorun Dizaynı: 6 Addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:42

Son illərdə, Class D audio güc gücləndiriciləri, yüksək səmərəliliyinə və aşağı enerji istehlakına görə MP3 və cib telefonları kimi portativ səs sistemləri üçün üstünlük verilən bir həll halına gəldi. Osilator, D sinifli səs gücləndiricinin vacib bir hissəsidir. Osilatör gücləndiricinin səs keyfiyyətinə, çipin səmərəliliyinə, elektromaqnit müdaxiləsinə və digər göstəricilərə əhəmiyyətli təsir göstərir. Bu məqsədlə, bu sənəd, D sinfi güc gücləndiriciləri üçün cərəyanla idarə olunan bir osilatör dövrə dizayn edir. Modul cari rejimə əsaslanır və əsasən iki funksiyanı yerinə yetirir: biri amplitudası enerji təchizatı gərginliyinə mütənasib olan üçbucaqlı dalğa siqnalı verməkdir; digəri, tezliyi demək olar ki, enerji təchizatı gərginliyindən asılı olmayan və kvadrat dalğa siqnalının vəzifə nisbəti 50%olan bir kvadrat dalğa siqnalı təmin etməkdir.

Addım 1: Cari Mod Osilatör Prinsipi

Osilatörün iş prinsipi, üçbucaqlı dalğa siqnalı yaratmaq üçün kondansatörün cərəyan mənbəyi ilə MOS keçid borusu vasitəsilə doldurulmasını və boşalmasını nəzarət etməkdir. Adi cərəyan rejiminə əsaslanan osilatorun blok diaqramı Şəkil 1 -də göstərilmişdir.

D Sınıfı Güc Gücləndiriciləri üçün Cari Rejimə əsaslanan Osilatorun Dizaynı

Şəkildə. 1, R1, R2, R3 və R4, bir enerji təchizatı gərginliyinin bir gərginliyini bölməklə VH, VL eşik gərginliyi və Vref istinad gərginliyi yaradır. Referans gərginliyi, təchizat gərginliyinə mütənasib olan Iref istinad cərəyanı yaratmaq üçün OPA və MN1 gücləndiricilərinin LDO quruluşundan keçir. Beləliklə var:

Bu sistemdəki MP1, MP2 və MP3 şarj cərəyanı IB1 yaratmaq üçün güzgü cərəyanı mənbəyi təşkil edə bilər. MP1, MP2, MN2 və MN3 -dən ibarət güzgü cərəyanı mənbəyi IB2 boşalma cərəyanı yaradır. MP1, MP2 və MP3 -in uzunluq nisbətlərinə bərabər olduğu və MN2 və MN3 -ün uzunluq nisbətlərinə bərabər olduğu qəbul edilir. Sonra var:

Osilatör işləyərkən, t1, CLK = 1 şarj mərhələsində, MP3 tüpü kondansatörü sabit bir IB1 cərəyanı ilə doldurur. Bundan sonra A nöqtəsindəki gərginlik xətti olaraq yüksəlir. A nöqtəsindəki gərginlik VH -dən böyük olduqda, cmp1 çıxışındakı gərginlik sıfıra çevrilir. Məntiq idarəetmə modulu əsasən RS flip-floplarından ibarətdir. Cmp1 -in çıxışı 0 olduqda CLK çıxış terminalı aşağı səviyyəyə, CLK isə yüksək səviyyəyə çevrilir. Osilatör t2 boşaltma fazasına daxil olur, bu zaman C kondansatörü sabit bir IB2 cərəyanında boşalmağa başlayır və A nöqtəsindəki gərginliyin düşməsinə səbəb olur. Gərginlik VL -dən aşağı düşəndə, cmp2 -nin çıxış gərginliyi sıfır olur. RS flip-flop sürüşür, CLK yüksəlir və CLK aşağı düşür, yükləmə və boşalma müddətini tamamlayır. IB1 və IB2 bərabər olduğu üçün kondansatörün şarj və boşalma vaxtları bərabərdir. A nöqtəli üçbucaq dalğasının yüksələn kənar yamacı düşən kənar yamacının mütləq dəyərinə bərabərdir. Buna görə CLK siqnalı, vəzifə nisbəti 50%olan bir kvadrat dalğa siqnaldır.

Bu osilatörün çıxış tezliyi təchizat gərginliyindən asılı deyil və üçbucaq dalğasının amplitudu təchizat gərginliyi ilə mütənasibdir.

Addım 2: Osilatör Dövrünün Tətbiqi

Bu yazıda hazırlanan osilator dövrə dizaynı Şəkil 2 -də göstərilmişdir. Dövrə üç hissəyə bölünür: bir eşik gərginliyi yaradan dövrə, bir şarj və boşaltma cərəyanı yaradan dövrə və bir məntiq idarəetmə dövrəsi.

D Sınıfı Güc Gücləndiriciləri üçün Cari Rejimə əsaslanan Osilatörün Dizaynı Şəkil 2 osilatorun tətbiq dövrəsi

2.1 Eşik gərginliyi istehsal vahidi

Eşik gərginliyi yaradan hissə MN1 və bərabər müqavimət dəyərlərinə malik dörd gərginlik ayıran R1, R2, R3 və R4 rezistorlarından ibarət ola bilər. MOS transistoru MN1 burada keçid tranzistoru kimi istifadə olunur. Heç bir səs siqnalı daxil olmadıqda, çip CTRL terminalını aşağı qoyur, VH və VL hər ikisi 0V -dir və osilator çipin statik enerji istehlakını azaltmaq üçün işini dayandırır. Siqnal girişi olduqda, CTRL aşağıdır, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. Komparatorun yüksək tezlikli işləməsi səbəbindən, B nöqtəsi və C nöqtəsi birbaşa müqayisənin girişinə bağlıdırsa, MOS tranzistorunun parazitar tutumu vasitəsilə eşik gərginliyinə elektromaqnit müdaxiləsi yarana bilər. Buna görə də, bu dövrə B nöqtəsini və C nöqtəsini tamponla birləşdirir. Dövrə simulyasiyaları göstərir ki, tamponların istifadəsi elektromaqnit müdaxiləsini effektiv şəkildə təcrid edə və eşik gərginliyini sabitləşdirə bilər.

2.2 Yükləmə və boşaltma cərəyanının yaranması

Təchizat gərginliyinə mütənasib cərəyan OPA, MN2 və R5 tərəfindən yaradıla bilər. OPA qazancı yüksək olduğu üçün Vref və V5 arasındakı gərginlik fərqi əhəmiyyətsizdir. Kanal modulyasiya effekti sayəsində MP11 və MN10 cərəyanları qaynaq-boşaltma gərginliyindən təsirlənir. Buna görə kondansatörün yükləmə-boşaltma cərəyanı artıq təchizat gərginliyi ilə xətti deyil. Bu dizaynda, cari güzgü MP11 və MN10-un qaynaq-boşaltma gərginliyini sabitləşdirmək və enerji təchizatı gərginliyinə həssaslığı azaltmaq üçün kaskod quruluşundan istifadə edir. AC nöqteyi nəzərindən, kaskod quruluşu cari mənbənin (təbəqənin) çıxış müqavimətini artırır və çıxış cərəyanındakı xətanı azaldır. MN3, MN4 və MP5, MP12 üçün qərəzli bir gərginlik təmin etmək üçün istifadə olunur. MP8, MP10, MN6 MN9 üçün bias gərginliyi təmin edə bilər.

2.3 Məntiqə Nəzarət Bölməsi

Flip-flopun CLK və CLK çıxışı, MP13, MN11 və MP14, MN12-nin açılışı və bağlanmasını idarə etmək üçün istifadə edilə bilən əks fazalı kvadrat dalğa siqnallarıdır. MP14 və MN11, Şəkil 1-də SW1 və SW2 kimi işləyən keçid tranzistorları rolunu oynayır. MN12 və MP13, əsas funksiyası yük və boşalma cərəyanının buruqlarını azaltmaq və üçbucaq dalğalarının kəskin atəş fenomenini ortadan qaldırmaq olan köməkçi borular kimi çıxış edir.. Kəskin atış fenomeni, əsasən MOS tranzistoru vəziyyətə keçərkən kanal yükləmə enjeksiyon təsirindən qaynaqlanır.

CLN 0 -dan 1 -ə keçdikdə, MN12 və MP13 -ün silindiyini düşünsək, MP14 söndürülür və MP11 və MP12 -dən ibarət olan cari mənbə dərhal doyma bölgəsindən dərin xətti bölgəyə daxil olmaq məcburiyyətindədir və MP11, MP12, MP13 var Kanal yükü çox qısa müddətdə çəkilir, bu da böyük bir arızalı cərəyana səbəb olur və A nöqtəsində sıçrayış gərginliyinə səbəb olur. Eyni zamanda, MN11 söndürmə vəziyyətindən açıq vəziyyətə keçir və MN10 və MN9 -dan ibarət olan cari təbəqələr dərin xətti bölgədən doyma bölgəsinə keçir. Bu üç borunun kanal tutumu qısa müddətdə yüklənir və bu da böyük bir Burr cərəyanına və sünbül gərginliyinə səbəb olur. Eynilə, köməkçi boru MN12 çıxarılarsa, MN11, MN10 və MN9 da CLK atlandıqda böyük bir arızalı cərəyan və sıçrayış gərginliyi yaradır. MP13 və MP14 eyni genişlik-uzunluq nisbətinə malik olsa da, qapı səviyyəsi əksinədir, buna görə MP13 və MP14 növbə ilə açılır. MP13 sünbül gərginliyinin aradan qaldırılmasında iki əsas rol oynayır. Birincisi, cərəyanın davamlılığını təmin etmək və cari güzgüdən qaynaqlanan kəskin atış gərginliyinin qarşısını almaq üçün MP11 və MP12-nin bütün dövr ərzində doyma bölgəsində çalışmasını təmin edin. İkincisi, MP13 və MP14 -ün tamamlayıcı bir boru meydana gətirməsini təmin edin. Beləliklə, CLK gərginliyinin dəyişməsi anında bir borunun kanal tutumu doldurulur, digər borunun kanal tutumu boşalır və pozitiv və mənfi yüklər bir -birini ləğv edir və bununla da arızalı cərəyanı xeyli azaldır. Eynilə, MN12 -nin tətbiqi də eyni rolu oynayacaq.

2.4 Təmir texnologiyasının tətbiqi

Fərqli MOS borular partiyalarının parametrləri gofretlər arasında dəyişəcək. Fərqli proses açıları altında, MOS borusunun oksid təbəqəsinin qalınlığı da fərqli olacaq və müvafiq Cox da buna uyğun olaraq dəyişəcək və yük və boşalma axınının dəyişməsinə səbəb olaraq osilatorun çıxış tezliyinin dəyişməsinə səbəb olacaq. İnteqrasiya edilmiş sxem dizaynında, kəsmə texnologiyası əsasən rezistor və rezistor şəbəkəsini (və ya kondansatör şəbəkəsini) dəyişdirmək üçün istifadə olunur. Müxtəlif rezistor şəbəkələri (və ya kondansatör şəbəkələri) dizayn etmək üçün müqaviməti (və ya tutumunu) artırmaq və ya azaltmaq üçün fərqli rezistor şəbəkələri istifadə edilə bilər. Yükləmə və boşaltma cərəyanları IB1 və IB2 əsasən mövcud Iref tərəfindən müəyyən edilir. Və Iref = Vdd/2R5. Buna görə də, bu dizayn R5 rezistorunu kəsməyi seçir. Kəsmə şəbəkəsi Şəkil 3 -də göstərilmişdir. Şəkildə bütün rezistorlar bərabərdir. Bu dizaynda R5 müqavimətinin müqaviməti 45kΩ -dir. R5, 4.5 kΩ müqavimət göstərən on kiçik rezistorla ardıcıl olaraq bağlanır. A və B iki nöqtəsi arasındakı telin əridilməsi R5 müqavimətini 2,5%artıra bilər və B ilə C arasındakı telin əridilməsi A, B və B, C arasındakı müqaviməti 1,25%artıra bilər. müqavimətini 3,75%artırır. Bu kəsmə texnikasının dezavantajı kiçik müqavimət dəyərini artıra bilməsidir.

Şəkil 3 müqavimət təmiri şəbəkə quruluşu

Addım 3: Simulyasiya Nəticələrinin Təhlili

Bu dizayn CSMC -nin 0.5μm CMOS prosesində tətbiq oluna bilər və Specter vasitəsi ilə simulyasiya edilə bilər.

3.1 Tamamlayıcı keçid borusu ilə üçbucaq dalğasının təkmilləşdirilməsi

Şəkil 4, üçbucaqlı dalğanın tamamlayıcı keçid borusu ilə yaxşılaşmasını göstərən sxematik bir diaqramdır. Şəkil 4 -dən görmək olar ki, bu dizayndakı MP13 və MN12 dalğa formalarının yamac dəyişdikdə heç bir açıq zirvəsi yoxdur və köməkçi boru əlavə edildikdən sonra dalğa formasının itiləmə fenomeni yox olur.

Şəkil 4 Üçbucaqlı dalğaya tamamlayıcı keçid borusunun təkmilləşdirilmiş dalğa forması

3.2 Elektrik təchizatı gərginliyinin və temperaturun təsiri

Şəkil 5 -dən görmək olar ki, enerji təchizatı gərginliyi 3V -dən 5V -ə dəyişəndə osilatorun tezliyi 1,86% -ə dəyişir. Temperatur -40 ° C -dən 120 ° C -ə qədər dəyişəndə, osilatorun tezliyi 1.93%dəyişir. Göründüyü kimi, temperatur və enerji təchizatı gərginliyi çox fərqli olduqda, çipin normal işləməsini təmin etmək üçün osilatorun çıxış tezliyi sabit qala bilər.

Şəkil 5 Gərginliyin və temperaturun tezliyə təsiri

Addım 4: Nəticə

Bu sənəd, D sinifli səs güc gücləndiriciləri üçün cari idarə olunan bir osilatör dizayn edir. Tipik olaraq, bu osilator 250 kHz tezlikli kvadrat və üçbucaq dalğa siqnalları çıxara bilir. Üstəlik, osilatörün çıxış tezliyi, temperatur və təchizat gərginliyi geniş şəkildə dəyişdikdə sabit qala bilər. Əlavə olaraq, sünbül gərginliyi tamamlayıcı keçid tranzistorları əlavə etməklə də aradan qaldırıla bilər. Bir rezistor şəbəkə kəsmə texnikası tətbiq edilərək, proses dəyişikliyi olduqda dəqiq bir çıxış tezliyi əldə edilə bilər. Hal -hazırda bu osilator D sinfi səs gücləndiricisində istifadə olunur.