עיצוב מתנד מבוסס מצב נוכחי למגברי הספק אודיו מסוג D: 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

בשנים האחרונות, מגברי הספק אודיו מסוג D הפכו לפתרון המועדף על מערכות שמע ניידות כגון MP3 וטלפונים ניידים בשל יעילותם הגבוהה וצריכת החשמל הנמוכה. המתנד הוא חלק חשוב ממגבר האודיו מסוג D. למתנד יש השפעה חשובה על איכות הצליל של המגבר, יעילות השבבים, הפרעות אלקטרומגנטיות ואינדיקטורים אחרים. לשם כך, מאמר זה מתכנן מעגל מתנד הנשלט על ידי מגברי הספק מסוג D. המודול מבוסס על המצב הנוכחי ובעיקר מיישם שתי פונקציות: האחת היא לספק אות גל משולש שהמשרעת שלו פרופורציונלית למתח אספקת החשמל; השני הוא לספק אות גל מרובע שתדירותו כמעט בלתי תלויה במתח אספקת החשמל, ויחס החובה של אות הגל המרובע הוא 50%.

שלב 1: עקרון מתנד המצב הנוכחי

עקרון העבודה של המתנד הוא לשלוט בטעינה ובפריקה של הקבל על ידי המקור הנוכחי דרך צינור מתג MOS ליצירת אות גל משולש. תרשים בלוק של מתנד מבוסס מצב זרם קונבנציונאלי מוצג באיור 1.

עיצוב מתנד מבוסס מצב נוכחי למגברי כוח שמע D

באיור. 1, R1, R2, R3 ו- R4 יוצרים מתח סף VH, VL ומתח התייחסות Vref על ידי חלוקת מתח של מתח אספקת חשמל. מתח ההתייחסות מועבר לאחר מכן דרך מבנה LDO של המגברים OPA ו- MN1 כדי ליצור זרם ייחוס Iref הפרופורציונאלי למתח האספקה. אז יש:

MP1, MP2 ו- MP3 במערכת זו יכולים ליצור מקור זרם מראה ליצירת IB1 הנוכחי. מקור זרם המראה המורכב מ- MP1, MP2, MN2 ו- MN3 מייצר זרם פריקה IB2. ההנחה היא של- MP1, MP2 ו- MP3 יש יחסי רוחב לאורך שווים, ול- MN2 ו- MN3 יחסי רוחב לאורך זהים. ואז יש:

כאשר המתנד פועל, במהלך שלב הטעינה t1, CLK = 1, צינור ה- MP3 טוען את הקבל בזרם IB1 קבוע. לאחר מכן, המתח בנקודה A עולה באופן לינארי. כאשר המתח בנקודה A גדול מ- VH, המתח ביציאה של cmp1 הופך לאפס. מודול בקרת ההיגיון מורכב בעיקר מכפכפי RS. כאשר הפלט של cmp1 הוא 0, מסוף הפלט CLK הופך לרמה נמוכה, ו- CLK הוא רמה גבוהה. המתנד נכנס לשלב הפריקה t2, ובשלב זה הקבל C מתחיל לפרוק בזרם קבוע IB2, וגורם לירידה במתח בנקודה A. כאשר המתח יורד מתחת ל- VL, מתח המוצא של cmp2 הופך לאפס. כפכפי ה- RS מתהפכים, CLK עולה גבוה ו- CLK יורד נמוך ומשלים תקופת טעינה ופריקה. מכיוון ש- IB1 ו- IB2 שווים, זמני הטעינה והפריקה של הקבל שווים. שיפוע הקצה העולה של הגל המשולש נקודת A שווה לערך המוחלט של שיפוע הקצה הנופל. לכן, אות CLK הוא אות גל מרובע עם יחס חובה של 50%.

תדר המוצא של המתנד הזה אינו תלוי במתח האספקה, ומשרעת הגל המשולש פרופורציונלית למתח האספקה.

שלב 2: יישום מעגל המתנד

עיצוב מעגל המתנד המתוכנן במאמר זה מוצג באיור 2. המעגל מחולק לשלושה חלקים: מעגל ליצירת מתח סף, מעגל יצירת זרם טעינה ופריקה ומעגל בקרה לוגית.

עיצוב מתנד מבוסס מצב נוכחי למגברי הספק אודיו מסוג D איור 2 מעגל יישום המתנד

2.1 יחידת ייצור מתח סף

החלק שיוצר מתח הסף עשוי להיות מורכב על ידי MN1 וארבעה נגדי חלוקת מתח R1, R2, R3 ו- R4 בעלי ערכי התנגדות שווים. טרנזיסטור MOS MOS1 משמש כאן כטרנזיסטור מיתוג. כאשר לא נכנס קלט שמע, השבב מגדיר את מסוף CTRL נמוך, VH ו- VL שניהם 0V, והמתנד מפסיק לפעול להפחתת צריכת החשמל הסטטית של השבב. כשיש קלט אות, CTRL נמוך, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. בשל פעולת התדר הגבוה של המשווה, אם נקודה B ונקודה C מחוברים ישירות לקלט המשווה, עלולה להיווצר הפרעה אלקטרומגנטית למתח הסף באמצעות הקיבול הטפילי של טרנזיסטור MOS. לכן, מעגל זה מחבר בין נקודה B לנקודה C למאגר. הדמיות מעגלים מראות כי השימוש במאגרים יכול לבודד ביעילות הפרעות אלקטרומגנטיות ולייצב את מתח הסף.

2.2 יצירת מטען וזרם פריקה

ניתן לייצר זרם ביחס למתח האספקה על ידי OPA, MN2 ו- R5. מכיוון שהרווח של OPA גבוה, הפרש המתח בין Vref ל- V5 הוא זניח. בשל אפקט אפנון הערוצים, הזרמים של MP11 ו- MN10 מושפעים ממתח הניקוז המקורי. לכן, זרם פריקת הטעינה של הקבל אינו עוד ליניארי עם מתח האספקה. בעיצוב זה, המראה הנוכחית משתמשת במבנה cascode כדי לייצב את מתח ניקוז המקורות של MP11 ו- MN10, ולהפחית את הרגישות למתח אספקת החשמל. מנקודת מבט AC, מבנה ה- cascode מגביר את התנגדות הפלט של המקור (השכבה) ומפחית את השגיאה בזרם הפלט. MN3, MN4 ו- MP5 משמשים לספק מתח הטיה ל- MP12. MP8, MP10, MN6 יכולים לספק מתח הטיה ל- MN9.

2.3 סעיף בקרת לוגיקה

פלט CLK ו- CLK של הכפכפים הם אותות גל מרובע עם שלבים מנוגדים, שניתן להשתמש בהם כדי לשלוט בפתיחה וסגירה של MP13, MN11 ו- MP14, MN12. MP14 ו- MN11 משמשים כטרנזיסטורים מיתוג, המתפקדים כ- SW1 ו- SW2 באיור 1. MN12 ו- MP13 משמשים כצינורות עזר, שתפקידם העיקרי הוא הפחתת קמטים של זרם המטען והפריקה וסילוק תופעת הירי החדה של גלי משולש.. תופעת הצילום החד נגרמת בעיקר מאפקט הזרקת המטען בערוץ כאשר טרנזיסטור ה- MOS נמצא במעבר המצב.

בהנחה כי MN12 ו- MP13 מוסרים, כאשר CLK עובר מ -0 ל -1, MP14 מופעל למצב כבוי, והמקור הנוכחי המורכב מ- MP11 ו- MP12 נאלץ להיכנס לאזור הליניארי העמוק מאזור הרוויה באופן מיידי, ו- MP11, MP12, MP13 הם מטען הערוץ נמשך תוך זמן קצר מאוד, מה שגורם לזרם תקלות גדול, וגורם למתח חריף בנקודה A. במקביל, MN11 קופץ ממצב כבוי למצב מופעל, וה- השכבות הנוכחיות המורכבות מ- MN10 ו- MN9 עוברות מהאזור הליניארי העמוק לאזור הרוויה. קיבול התעלות של שלושת הצינורות הללו נטען תוך זמן קצר, מה שגורם גם הוא לזרם בור גדול ומתח ספייק. באופן דומה, אם צינור העזר MN12 מוסר, ה- MN11, MN10 ו- MN9 יוצרים גם זרם תקלה גדול ומתח ספייק כאשר ה- CLK מקופץ. למרות של- MP13 ו- MP14 יש יחס רוחב-אורך זהה, רמת השער הפוכה, ולכן MP13 ו- MP14 מופעלים לסירוגין. MP13 ממלא שני תפקידים עיקריים בחיסול מתח הספייק. ראשית, ודא כי MP11 ו- MP12 פועלים באזור הרוויה במהלך כל המחזור כדי להבטיח את המשכיות הזרם ולהימנע ממתח הירי החדה הנגרם מהמראה הנוכחית. שנית, הפוך את MP13 ו- MP14 ליצירת צינור משלים. לפיכך, ברגע שינוי המתח CLK, קיבול הערוץ של צינור אחד נטען, וקיבולת הערוץ של הצינור השני משוחררת, והמטען החיובי והשלילי מבטל זה את זה, ובכך מפחית מאוד את זרם התקלה. באופן דומה, המבוא של MN12 ימלא את אותו תפקיד.

2.4 יישום טכנולוגיית תיקון

הפרמטרים של קבוצות שונות של צינורות MOS ישתנו בין רקיקים. בזוויות תהליכים שונות, עובי שכבת התחמוצת של צינור ה- MOS יהיה שונה, וגם הקוקס המקביל ישתנה בהתאם, וגורם לשינוי זרם המטען והפריקה וגורם לשינוי תדר הפלט של המתנד. בעיצוב מעגלים משולבים, טכנולוגיית החיתוך משמשת בעיקר לשינוי רשת הנגדים ורשת הנגד (או רשת הקבלים). ניתן להשתמש ברשתות נגדים שונות כדי להגדיל או להקטין את ההתנגדות (או הקיבול) לעיצוב רשתות נגדים שונות (או רשתות קבלים). זרמי הטעינה והפריקה IB1 ו- IB2 נקבעים בעיקר על ידי ה- Iref הנוכחי. ו- Iref = Vdd/2R5. לכן, עיצוב זה בוחר לקצץ את הנגד R5. רשת החיתוך מוצגת באיור 3. באיור כל הנגדים שווים. בעיצוב זה ההתנגדות של הנגד R5 היא 45kΩ. R5 מחובר בסדרה בעשרה נגדים קטנים בעלי התנגדות של 4.5kΩ. מיזוג החוט בין שתי הנקודות A ו- B יכול להגדיל את ההתנגדות של R5 ב -2.5%, ואיחוי החוט בין B ו- C יכול להגדיל את ההתנגדות ב -1.25%, בין A, B ו- B, C. הנתיכים כולם פוצצו., מה שמגדיל את ההתנגדות ב -3.75%. החיסרון בטכניקת זמירה זו הוא בכך שהיא יכולה רק להגדיל את ערך ההתנגדות, אך לא את הקטנה.

איור 3 מבנה רשת לתיקון התנגדות

שלב 3: ניתוח תוצאות סימולציה

ניתן ליישם עיצוב זה על תהליך CMOS של 0.5MM של CSMC וניתן לדמות אותו בעזרת הכלי Spectre.

3.1 שיפור הגל המשולש באמצעות צינור מיתוג משלים

איור 4 הוא תרשים סכמטי המציג את שיפור הגל המשולש על ידי צינור המתג המשלים. ניתן לראות מאיור 4 כי לצורות הגל של MP13 ו- MN12 בעיצוב זה אין פסגות ברורות כאשר השיפוע משתנה, ותופעת חידוד צורת הגל נעלמת לאחר הוספת צינור העזר.

איור 4 צורת גל משופרת של צינור המיתוג המשלים לגל המשולש

3.2 השפעת מתח הטמפרטורה והטמפרטורה

ניתן לראות באיור 5 שתדירות המתנד משתנה ל -1.86% כאשר מתח אספקת החשמל משתנה מ -3V ל -5V. כאשר הטמפרטורה משתנה מ -40 ° C ל -120 ° C, תדירות המתנד משתנה ב- 1.93%. ניתן לראות שכאשר הטמפרטורה ומתח אספקת החשמל משתנים במידה ניכרת, תדר המוצא של המתנד יכול להישאר יציב, כך שניתן להבטיח את פעולתו התקינה של השבב.

איור 5 השפעת המתח והטמפרטורה על התדר

שלב 4: מסקנה

מאמר זה מתכנן מתנד מבוקר הנוכחי למגברי הספק שמע מסוג D. בדרך כלל, מתנד זה יכול להעביר אותות גל מרובעים ומשולשים בתדר של 250 קילוהרץ. יתר על כן, תדר המוצא של המתנד יכול להישאר יציב כאשר הטמפרטורה ומתח האספקה משתנים מאוד. בנוסף, ניתן להסיר את מתח הספייק גם על ידי הוספת טרנזיסטורים מיתוג משלימים. על ידי החדרת טכניקת חיתוך רשת הנגד, ניתן להשיג תדר פלט מדויק בנוכחות וריאציות תהליך. נכון לעכשיו, מתנד זה שימש במגבר שמע מסוג D.