D Sınıfı Ses Güç Amplifikatörleri için Akım Modu Tabanlı Osilatör Tasarımı: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Son yıllarda D Sınıfı ses güç amplifikatörleri, yüksek verimleri ve düşük güç tüketimleri nedeniyle MP3 ve cep telefonları gibi taşınabilir ses sistemleri için tercih edilen çözüm haline gelmiştir. Osilatör, D sınıfı ses yükselticisinin önemli bir parçasıdır. Osilatör, amplifikatörün ses kalitesi, çip verimliliği, elektromanyetik parazit ve diğer göstergeler üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu amaçla, bu makale D sınıfı güç yükselteçleri için akım kontrollü bir osilatör devresi tasarlar. Modül, akım moduna dayalıdır ve esas olarak iki işlevi yerine getirir: biri, genliği güç kaynağı voltajıyla orantılı olan bir üçgen dalga sinyali sağlamaktır; diğeri ise frekansı güç kaynağı voltajından neredeyse bağımsız olan ve kare dalga sinyalinin görev oranı %50 olan bir kare dalga sinyali sağlamaktır.

Adım 1: Mevcut Mod Osilatör Prensibi

Osilatörün çalışma prensibi, üçgen dalga sinyali üretmek için MOS anahtar tüpü aracılığıyla akım kaynağı tarafından kapasitörün şarj ve deşarjını kontrol etmektir. Geleneksel akım modu tabanlı bir osilatörün blok şeması Şekil 1'de gösterilmektedir.

D Sınıfı Ses Güç Amplifikatörleri için Akım Modu Tabanlı Osilatör Tasarımı

İncirde. 1, R1, R2, R3 ve R4, bir güç kaynağı voltajının voltajını bölerek eşik voltajları VH, VL ve bir referans voltajı Vref üretir. Referans voltajı daha sonra, besleme voltajıyla orantılı bir Iref referans akımı üretmek için OPA ve MN1 amplifikatörlerinin bir LDO yapısından geçirilir. Yani var:

Bu sistemdeki MP1, MP2 ve MP3, şarj akımı IB1'i oluşturmak için bir ayna akım kaynağı oluşturabilir. MP1, MP2, MN2 ve MN3'ten oluşan ayna akım kaynağı, bir deşarj akımı IB2 üretir. MP1, MP2 ve MP3'ün eşit genişlik-uzunluk oranlarına sahip olduğu ve MN2 ve MN3'ün eşit genişlik-uzunluk oranlarına sahip olduğu varsayılmaktadır. Sonra şunlar var:

Osilatör çalışırken, şarj aşaması t1, CLK=1 sırasında, MP3 tüpü kapasitörü sabit akım IB1 ile şarj eder. Bundan sonra, A noktasındaki voltaj lineer olarak yükselir. A noktasındaki voltaj VH'den büyük olduğunda, cmp1 çıkışındaki voltaj sıfıra çevrilir. Mantık kontrol modülü esas olarak RS parmak arası terliklerden oluşur. cmp1'in çıkışı 0 olduğunda, CLK çıkış terminali düşük bir seviyeye çevrilir ve CLK bir yüksek seviyedir. Osilatör, t2 boşalma fazına girer, bu noktada C kondansatörü sabit bir IB2 akımında boşalmaya başlar ve A noktasındaki voltajın düşmesine neden olur. Voltaj VL'nin altına düştüğünde cmp2'nin çıkış voltajı sıfır olur. RS flip-flop döner, CLK yükselir ve CLK düşer, bir şarj ve deşarj periyodunu tamamlar. IB1 ve IB2 eşit olduğundan kondansatörün şarj ve deşarj süreleri eşittir. A noktası üçgen dalganın yükselen kenar eğimi, düşen kenar eğiminin mutlak değerine eşittir. Bu nedenle, CLK sinyali, %50 görev oranına sahip bir kare dalga sinyalidir.

Bu osilatörün çıkış frekansı, besleme voltajından bağımsızdır ve üçgen dalganın genliği, besleme voltajıyla orantılıdır.

Adım 2: Osilatör Devresinin Gerçekleştirilmesi

Bu yazıda tasarlanan osilatör devre tasarımı Şekil 2'de gösterilmektedir. Devre üç bölüme ayrılmıştır: eşik voltaj üreten devre, şarj ve deşarj akımı üreten devre ve mantık kontrol devresi.

D Sınıfı Ses Güç Amplifikatörleri için Akım Modu Tabanlı Osilatör Tasarımı Şekil 2 osilatör uygulama devresi

2.1 Eşik gerilimi üretim birimi

Eşik voltajı üreten kısım, MN1 ve eşit direnç değerlerine sahip dört voltaj bölücü direnç R1, R2, R3 ve R4'ten oluşabilir. MOS transistörü MN1 burada bir anahtarlama transistörü olarak kullanılır. Ses sinyali girilmediğinde, çip CTRL terminalini düşük ayarlar, VH ve VL'nin her ikisi de 0V olur ve osilatör çipin statik güç tüketimini azaltmak için çalışmayı durdurur. Sinyal girişi olduğunda CTRL düşük, VH=3Vdd/4, VL=Vdd/4. Karşılaştırıcının yüksek frekanslı çalışması nedeniyle, B noktası ve C noktası doğrudan karşılaştırıcı girişine bağlanırsa, MOS transistörünün parazitik kapasitansı yoluyla eşik voltajına elektromanyetik parazit üretilebilir. Bu nedenle, bu devre B noktası ile C noktasını arabelleğe bağlar. Devre simülasyonları, tampon kullanımının elektromanyetik paraziti etkili bir şekilde izole edebileceğini ve eşik voltajını stabilize edebileceğini göstermektedir.

2.2 Şarj ve deşarj akımı üretimi

Besleme gerilimiyle orantılı akım OPA, MN2 ve R5 tarafından üretilebilir. OPA'nın kazancı yüksek olduğu için Vref ve V5 arasındaki voltaj farkı ihmal edilebilir. Kanal modülasyon etkisinden dolayı, MP11 ve MN10 akımları, kaynak-drenaj voltajından etkilenir. Bu nedenle, kapasitörün şarj-deşarj akımı artık besleme gerilimi ile doğrusal değildir. Bu tasarımda, akım aynası, MP11 ve MN10'un kaynak boşaltma voltajını stabilize etmek ve güç kaynağı voltajına duyarlılığı azaltmak için kaskod yapısını kullanır. AC perspektifinden, kaskod yapısı, akım kaynağının (katmanın) çıkış direncini arttırır ve çıkış akımındaki hatayı azaltır. MN3, MN4 ve MP5, MP12 için bir ön gerilim sağlamak üzere kullanılır. MP8, MP10, MN6, MN9 için ön gerilim sağlayabilir.

2.3 Mantık Kontrol Bölümü

Flip-flop'un CLK ve CLK çıkışı, MP13, MN11 ve MP14, MN12'nin açılıp kapanmasını kontrol etmek için kullanılabilen, zıt fazlı kare dalga sinyalleridir. MP14 ve MN11, Şekil 1'de SW1 ve SW2 olarak işlev gören anahtarlama transistörleri olarak işlev görür. MN12 ve MP13, ana işlevi şarj ve deşarj akımının çapaklarını azaltmak ve üçgen dalgaların keskin çekim olgusunu ortadan kaldırmak olan yardımcı tüpler olarak işlev görür.. Keskin atış fenomeni, esas olarak MOS transistörü durum geçişindeyken kanal şarj enjeksiyon etkisinden kaynaklanır.

MN12 ve MP13'ün kaldırıldığı varsayıldığında, CLK 0'dan 1'e geçtiğinde MP14 açık duruma geçer ve MP11 ve MP12'den oluşan akım kaynağı anlık olarak doyma bölgesinden derin doğrusal bölgeye girmeye zorlanır ve MP11, MP12, MP13, Kanal yükü çok kısa sürede çekilir, bu da büyük bir arıza akımına neden olarak A noktasında ani voltaj yükselmesine neden olur. Aynı zamanda, MN11 kapalı durumdan açık duruma geçer ve MN10 ve MN9'dan oluşan mevcut katmanlar, derin lineer bölgeden doyma bölgesine gider. Bu üç tüpün kanal kapasitansı kısa sürede yüklenir, bu da büyük bir Burr akımına ve ani voltaj yükselmesine neden olur. Benzer şekilde, yardımcı boru MN12 çıkarılırsa, MN11, MN10 ve MN9 da CLK atlandığında büyük bir arıza akımı ve bir ani voltaj üretir. MP13 ve MP14 aynı genişlik-uzunluk oranına sahip olsa da, geçit seviyesi zıttır, bu nedenle MP13 ve MP14 dönüşümlü olarak açılır. MP13, ani voltajın ortadan kaldırılmasında iki ana rol oynar. İlk olarak, akımın sürekliliğini sağlamak ve akım aynasının neden olduğu keskin voltajdan kaçınmak için MP11 ve MP12'nin tüm döngü boyunca doyma bölgesinde çalıştığından emin olun. İkinci olarak, MP13 ve MP14'ü tamamlayıcı bir tüp haline getirin. Böylece, CLK voltaj değişimi anında, bir tüpün kanal kapasitansı yüklenir ve diğer tüpün kanal kapasitansı boşalır ve pozitif ve negatif yükler birbirini iptal eder, böylece arıza akımını büyük ölçüde azaltır. Benzer şekilde, MN12'nin tanıtımı da aynı rolü oynayacaktır.

2.4 Onarım teknolojisinin uygulanması

Farklı MOS tüp gruplarının parametreleri, gofretler arasında değişecektir. Farklı işlem açıları altında, MOS tüpünün oksit tabakasının kalınlığı da farklı olacaktır ve karşılık gelen Cox da buna göre değişecek, şarj ve deşarj akımının değişmesine neden olarak osilatörün çıkış frekansının değişmesine neden olacaktır. Entegre devre tasarımında, trimleme teknolojisi esas olarak direnç ve direnç ağını (veya kapasitör ağını) değiştirmek için kullanılır. Farklı direnç ağları (veya kapasitör ağları) tasarlamak için direnci (veya kapasitansı) artırmak veya azaltmak için farklı direnç ağları kullanılabilir. Şarj ve deşarj akımları IB1 ve IB2 esas olarak mevcut Iref tarafından belirlenir. Ve Iref=Vdd/2R5. Bu nedenle, bu tasarım rezistör R5'i kırpmayı seçer. Triming ağı Şekil 3'te gösterilmiştir. Şekilde tüm dirençler eşittir. Bu tasarımda, direnç R5'in direnci 45kΩ'dur. R5, 4,5kΩ dirençli on küçük dirençle seri olarak bağlanır. A ve B noktaları arasındaki kabloyu kaynaştırmak R5'in direncini %2,5 artırabilir ve B ile C arasındaki kabloyu kaynaştırmak A, B ve B, C arasındaki direnci %1,25 artırabilir. Tüm sigortalar atmış direnci %3,75 artırıyor. Bu düzeltme tekniğinin dezavantajı, sadece direnç değerini artırabilmesi, ancak küçük olanı değil.

Şekil 3 direnç onarım ağ yapısı

Adım 3: Simülasyon Sonuçları Analizi

Bu tasarım, CSMC'nin 0,5μm CMOS işleminde uygulanabilir ve Spectre aracıyla simüle edilebilir.

3.1 Tamamlayıcı anahtarlama tüpü ile üçgen dalganın iyileştirilmesi

Şekil 4, tamamlayıcı anahtar tüpü ile üçgen dalganın gelişimini gösteren şematik bir diyagramdır. Şekil 4'ten bu tasarımdaki MP13 ve MN12 dalga biçimlerinin eğim değiştiğinde belirgin tepe noktaları olmadığı ve yardımcı tüp eklendikten sonra dalga biçimi keskinleşmesi olgusunun kaybolduğu görülebilir.

Şekil 4 Üçgen dalgaya tamamlayıcı anahtarlama tüpünün geliştirilmiş dalga biçimi

3.2 Güç kaynağı voltajı ve sıcaklığının etkisi

Şekil 5'ten, güç kaynağı voltajı 3V'dan 5V'a değiştiğinde osilatörün frekansının %1.86'ya değiştiği görülmektedir. Sıcaklık -40°C'den 120°C'ye değiştiğinde, osilatör frekansı %1,93 oranında değişir. Sıcaklık ve güç kaynağı voltajı büyük ölçüde değiştiğinde, osilatörün çıkış frekansının sabit kalabileceği ve böylece çipin normal çalışmasının sağlanabileceği görülebilir.

Şekil 5 Voltaj ve sıcaklığın frekansa etkisi

4. Adım: Sonuç

Bu makale, D Sınıfı ses güç amplifikatörleri için akım kontrollü bir osilatör tasarlamaktadır. Tipik olarak, bu osilatör 250 kHz frekansta kare ve üçgen dalga sinyalleri verebilir. Ayrıca, sıcaklık ve besleme gerilimi büyük ölçüde değiştiğinde osilatörün çıkış frekansı sabit kalabilir. Ek olarak, tamamlayıcı anahtarlama transistörleri eklenerek ani voltaj da kaldırılabilir. Direnç ağı kırpma tekniğini tanıtarak, proses varyasyonlarının varlığında doğru bir çıkış frekansı elde edilebilir. Şu anda, bu osilatör, D Sınıfı bir ses yükselticisinde kullanılmaktadır.