მიმდინარე რეჟიმზე დაფუძნებული ოსცილატორის დიზაინი D კლასის აუდიო სიმძლავრის გამაძლიერებლებისთვის: 6 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:15

ბოლო წლების განმავლობაში, D კლასის აუდიო სიმძლავრეები გახდა სასურველი გადაწყვეტა პორტატული აუდიო სისტემებისთვის, როგორიცაა MP3 და მობილური ტელეფონები მაღალი ეფექტურობისა და დაბალი ენერგომოხმარების გამო. ოსცილატორი არის D კლასის აუდიო გამაძლიერებლის მნიშვნელოვანი ნაწილი. ოსცილატორი მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს გამაძლიერებლის ხმის ხარისხზე, ჩიპების ეფექტურობაზე, ელექტრომაგნიტურ ჩარევაზე და სხვა ინდიკატორებზე. ამ მიზნით, ეს ნაშრომი ქმნის მიმდინარე კონტროლირებადი ოსცილატორის სქემას D კლასის გამაძლიერებლებისთვის. მოდული ემყარება მიმდინარე რეჟიმს და ძირითადად ახორციელებს ორ ფუნქციას: ერთი არის სამკუთხა ტალღის სიგნალის მიწოდება, რომლის ამპლიტუდა პროპორციულია კვების ბლოკის ძაბვასთან; მეორე არის კვადრატული ტალღის სიგნალის მიწოდება, რომლის სიხშირე თითქმის დამოუკიდებელია ელექტრომომარაგების ძაბვისგან, ხოლო კვადრატული ტალღის სიგნალის მოვალეობის თანაფარდობაა 50%.

ნაბიჯი 1: მიმდინარე რეჟიმის ოსცილატორის პრინციპი

ოსცილატორის მუშაობის პრინციპია აკონტროლოს კონდენსატორის დატენვა და გამონადენი მიმდინარე წყლით MOS გადართვის მილის მეშვეობით, რათა შეიქმნას სამკუთხა ტალღის სიგნალი. ჩვეულებრივი მიმდინარე რეჟიმიზე დაფუძნებული ოსცილატორის ბლოკ -დიაგრამა ნაჩვენებია ფიგურაში 1.

მიმდინარე რეჟიმზე დაფუძნებული ოსცილატორის დიზაინი D კლასის აუდიო სიმძლავრის გამაძლიერებლებისთვის

ნახ. 1, R1, R2, R3 და R4 წარმოქმნის ბარიერის ძაბვებს VH, VL და საცნობარო ძაბვას Vref ელექტროენერგიის მიწოდების ძაბვის ძაბვის გაყოფით. საცნობარო ძაბვა შემდეგ გადის გამაძლიერებლების OPA და MN1 LDO სტრუქტურაში, რათა წარმოქმნას საცნობარო დენი Iref, რომელიც პროპორციულია მიწოდების ძაბვასთან. ასე რომ, არსებობს:

MP1, MP2 და MP3 ამ სისტემაში შეიძლება შეიქმნას სარკის დენის წყარო, რათა წარმოქმნას დამუხტვის დენი IB1. სარკის დენის წყარო, რომელიც შედგება MP1, MP2, MN2 და MN3, ქმნის გამონადენის დენს IB2. ვარაუდობენ, რომ MP1, MP2 და MP3 აქვთ თანაბარი სიგანე სიგრძისა და MN2 და MN3 თანაბარი სიგანე სიგრძისა. შემდეგ არის:

როდესაც ოსცილატორი მუშაობს, დატენვის ფაზაში t1, CLK = 1, MP3 მილი კონდენსატორს იტენება მუდმივი დენით IB1. ამის შემდეგ, A წერტილში ძაბვა წრფივად იზრდება. როდესაც ძაბვა A წერტილში VH- ზე მეტია, ძაბვა cmp1– ის გამომავალზე ნულის ტოლია. ლოგიკური კონტროლის მოდული ძირითადად შედგება RS ფლიპ-ფლოპებისგან. როდესაც cmp1 გამომავალი არის 0, გამომავალი ტერმინალი CLK გადაბრუნებულია დაბალ დონეზე, ხოლო CLK არის მაღალი დონე. ოსცილატორი შემოდის გამონადენის ფაზაში t2, ამ დროს კონდენსატორი C იწყებს გამონადენს მუდმივი დენით IB2, რაც იწვევს A წერტილში ძაბვის ვარდნას. როდესაც ძაბვა მცირდება VL– ზე, cmp2– ის გამომავალი ძაბვა ხდება ნული. RS ფლიპ-ფლოპი გადატრიალდება, CLK მაღლა იწევს და CLK დაბლა იწევს, დაასრულებს დატენვისა და განმუხტვის პერიოდს. ვინაიდან IB1 და IB2 თანაბარია, კონდენსატორის დატენვისა და განტვირთვის დრო თანაბარია. A წერტილის სამკუთხა ტალღის ამომავალი კიდეების ფერდობი ტოლია დაცემული კიდეების ფერდობის აბსოლუტურ მნიშვნელობას. ამრიგად, CLK სიგნალი არის კვადრატული ტალღის სიგნალი, რომლის მოვალეობაა 50%.

ამ ოსცილატორის გამომავალი სიხშირე დამოუკიდებელია მიწოდების ძაბვისგან, ხოლო სამკუთხა ტალღის ამპლიტუდა პროპორციულია მიწოდების ძაბვასთან.

ნაბიჯი 2: ოსცილატორის მიკროსქემის განხორციელება

ამ სტატიაში შემუშავებული ოსცილატორის სქემის დიზაინი ნაჩვენებია ნახაზზე 2. სქემა დაყოფილია სამ ნაწილად: ბარიერი ძაბვის გამომმუშავებელი წრე, დამუხტვისა და განმუხტვის დენის წარმომქმნელი წრე და ლოგიკური კონტროლის წრე.

მიმდინარე რეჟიმზე დაფუძნებული ოსცილატორის დიზაინი D კლასის აუდიო სიმძლავრის გამაძლიერებლებისათვის ფიგურა 2 ოსცილატორის განხორციელების წრე

2.1 ბარიერი ძაბვის გამომუშავების ერთეული

ზღურბლის ძაბვის წარმომქმნელი ნაწილი შეიძლება შედგებოდეს MN1 და ოთხი ძაბვის გამყოფი რეზისტორი R1, R2, R3 და R4, რომლებსაც აქვთ თანაბარი წინააღმდეგობის მნიშვნელობები. MOS ტრანზისტორი MN1 აქ გამოიყენება როგორც გადართვის ტრანზისტორი. როდესაც აუდიო სიგნალი არ არის შეყვანილი, ჩიპი აყენებს CTRL ტერმინალს დაბალ დონეზე, VH და VL ორივე 0V, და ოსცილატორი წყვეტს მუშაობას ჩიპის სტატიკური ენერგიის მოხმარების შესამცირებლად. სიგნალის შეყვანისას CTRL დაბალია, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. შედარების მაღალი სიხშირის გამო, თუ წერტილი B და C უშუალოდ არის დაკავშირებული შედარების შეყვანისას, ელექტრომაგნიტური ჩარევა შეიძლება წარმოიშვას ბარიერის ძაბვამდე MOS ტრანზისტორის პარაზიტული ტევადობის საშუალებით. ამრიგად, ეს წრე აკავშირებს B წერტილს და C წერტილს ბუფერთან. მიკროსქემის სიმულაციები აჩვენებს, რომ ბუფერების გამოყენებამ შეიძლება ეფექტურად გამოყოს ელექტრომაგნიტური ჩარევა და მოახდინოს ბარიერის ძაბვის სტაბილიზაცია.

2.2 დატენვისა და განმუხტვის დენის წარმოქმნა

მიწოდების ძაბვის პროპორციული შეიძლება წარმოიქმნას OPA, MN2 და R5. ვინაიდან OPA– ს მომატება მაღალია, ძაბვის სხვაობა Vref– სა და V5– ს შორის უმნიშვნელოა. არხის მოდულაციის ეფექტის გამო, MP11 და MN10 დენებზე გავლენას ახდენს წყაროს გადინების ძაბვა. ამრიგად, კონდენსატორის დატენვა-გამონადენი დენი აღარ არის ხაზოვანი მიწოდების ძაბვასთან. ამ დიზაინში, ამჟამინდელი სარკე იყენებს კასკოდურ სტრუქტურას MP11 და MN10 წყაროს გადინების ძაბვის სტაბილიზაციისთვის და ამცირებს მგრძნობელობას დენის ძაბვის მიმართ. AC პერსპექტივიდან, კასკოდის სტრუქტურა ზრდის მიმდინარე წყაროს (ფენის) გამომავალ წინააღმდეგობას და ამცირებს შეცდომას გამომავალ დენში. MN3, MN4 და MP5 გამოიყენება MP12– ის მიკერძოებული ძაბვის უზრუნველსაყოფად. MP8, MP10, MN6 შეუძლია უზრუნველყოს მიკერძოებული ძაბვა MN9– ისთვის.

2.3 ლოგიკური კონტროლის განყოფილება

ფლიპ ფლოპის გამომავალი CLK და CLK არის კვადრატული ტალღის სიგნალები საპირისპირო ფაზებით, რომელთა გამოყენება შესაძლებელია MP13, MN11 და MP14, MN12 გახსნისა და დახურვის გასაკონტროლებლად. MP14 და MN11 მოქმედებენ როგორც გადართვის ტრანზისტორები, რომლებიც მოქმედებენ როგორც SW1 და SW2 ფიგურაში 1. MN12 და MP13 მოქმედებენ როგორც დამხმარე მილები, რომელთა ძირითადი ფუნქციაა შეამციროს მუხტი და გამონადენი მიმდინარეობა და აღმოფხვრას სამკუთხა ტალღების მკვეთრი დარტყმის ფენომენი რა მკვეთრი გასროლის ფენომენი ძირითადად გამოწვეულია არხის მუხტის ინექციის ეფექტით, როდესაც MOS ტრანზისტორი არის სახელმწიფო გადასვლაში.

ვივარაუდოთ, რომ MN12 და MP13 ამოღებულია, როდესაც CLK გადადის 0 -დან 1 -მდე, MP14 ჩართულია გამორთულ მდგომარეობაში და MP11 და MP12- ისგან შემდგარი მიმდინარე წყარო იძულებულია მყისიერად შევიდეს ღრმა ხაზოვან რეგიონში გაჯერების რეგიონიდან და MP11, MP12, MP13 არის არხის მუხტი ამოწურულია ძალიან მოკლე დროში, რაც იწვევს დიდ ხარვეზს, იწვევს spike ძაბვას A. წერტილში. ამავდროულად, MN11 ხტება გამორთული მდგომარეობიდან ჩართულ მდგომარეობაში და MN10 და MN9- ისგან შემდგარი ფენები ღრმა ხაზოვანი რეგიონიდან გაჯერების რეგიონში მიდის. ამ სამი მილის არხის ტევადობა იტვირთება მოკლე დროში, რაც ასევე იწვევს დიდ Burr დენს და spike ძაბვას. ანალოგიურად, თუ დამხმარე მილი MN12 ამოღებულია, MN11, MN10 და MN9 ასევე წარმოქმნის დიდ ნაკლოვან დენს და მკვეთრ ძაბვას, როდესაც CLK ჩამონგრეულია. მიუხედავად იმისა, რომ MP13 და MP14 აქვთ იგივე სიგანე-სიგრძე თანაფარდობა, კარიბჭის დონე საპირისპიროა, ამიტომ MP13 და MP14 მონაცვლეობით ჩართულია. MP13 ასრულებს ორ მთავარ როლს სპაიკის ძაბვის აღმოფხვრაში. პირველ რიგში, დარწმუნდით, რომ MP11 და MP12 მუშაობენ გაჯერების რეგიონში მთელი ციკლის განმავლობაში, რათა უზრუნველყონ მიმდინარეობის უწყვეტობა და თავიდან აიცილოთ მიმდინარე სარკის მიერ გამოწვეული მკვეთრი სროლის ძაბვა. მეორე, გააკეთეთ MP13 და MP14 დამატებითი მილის ფორმირება. ამრიგად, CLK ძაბვის ცვლილების მომენტში, ერთი მილის არხის ტევადობა დამუხტულია, ხოლო მეორე მილის არხის ტევადობა განმუხტულია, ხოლო დადებითი და უარყოფითი მუხტები აუქმებენ ერთმანეთს, რითაც მნიშვნელოვნად ამცირებენ ხარვეზის დენს. ანალოგიურად, MN12- ის დანერგვა იგივე როლს შეასრულებს.

2.4 სარემონტო ტექნოლოგიის გამოყენება

MOS მილების სხვადასხვა პარტიების პარამეტრები განსხვავდება ვაფლის მიხედვით. პროცესის სხვადასხვა კუთხით, MOS მილის ოქსიდის ფენის სისქე ასევე განსხვავებული იქნება და შესაბამისი კოქსიც შესაბამისად შეიცვლება, რაც გამოიწვევს მუხტისა და გამონადენის დენის ცვლას, რამაც გამოიწვია ოსცილატორის გამომავალი სიხშირის შეცვლა. ინტეგრირებული მიკროსქემის დიზაინში, მორთვის ტექნოლოგია ძირითადად გამოიყენება რეზისტორებისა და რეზისტორების ქსელის (ან კონდენსატორის ქსელის) შესაცვლელად. სხვადასხვა რეზისტორული ქსელები შეიძლება გამოყენებულ იქნას წინააღმდეგობის გაზრდის ან შემცირებისათვის (ან ტევადობის) განსხვავებული რეზისტენტული ქსელების (ან კონდენსატორის ქსელების) შესაქმნელად. დატენვისა და გამონადენის დენები IB1 და IB2 ძირითადად განისაზღვრება მიმდინარე Iref- ით. და Iref = Vdd/2R5. ამიტომ, ეს დიზაინი ირჩევს R5 რეზისტორის მორთვას. მორთვის ქსელი ნაჩვენებია ნახაზზე 3. ფიგურაში ყველა რეზისტორი თანაბარია. ამ დიზაინში, resistor R5 არის 45kΩ. R5 სერიულად არის დაკავშირებული ათი პატარა რეზისტორით 4.5kΩ წინააღმდეგობით. მავთულის შერწყმა ორ წერტილს შორის A და B შეიძლება გაზარდოს R5 წინააღმდეგობა 2.5%-ით, ხოლო B და C მავთულის შერწყმამ შეიძლება გაზარდოს წინააღმდეგობა 1.25%-ით, A, B და B, C შორის., რაც ზრდის წინააღმდეგობას 3.75%-ით. ამ მოჭრის ტექნიკის მინუსი ის არის, რომ მას შეუძლია გაზარდოს მხოლოდ წინააღმდეგობის მნიშვნელობა, მაგრამ არა მცირე.

სურათი 3 წინააღმდეგობის სარემონტო ქსელის სტრუქტურა

ნაბიჯი 3: სიმულაციის შედეგების ანალიზი

ეს დიზაინი შეიძლება განხორციელდეს CSMC– ის 0.5μm CMOS პროცესზე და მისი მოდელირება შესაძლებელია Spectre– ის საშუალებით.

3.1 სამკუთხა ტალღის გაუმჯობესება დამატებითი გადართვის მილით

სურათი 4 არის სქემატური დიაგრამა, რომელიც გვიჩვენებს სამკუთხა ტალღის გაუმჯობესებას დამატებითი გადართვის მილით. ნახაზი 4 -დან ჩანს, რომ ამ დიზაინში MP13 და MN12 ტალღების ფორმებს არ აქვთ აშკარა მწვერვალები ფერდობის ცვლილებისას, ხოლო ტალღის ფორმის სიმკვეთრის ფენომენი ქრება დამხმარე მილის დამატების შემდეგ.

სურათი 4 დამატებითი გადართვის მილის ტალღოვანი ფორმა სამკუთხა ტალღაზე

3.2 ელექტრომომარაგების ძაბვისა და ტემპერატურის გავლენა

მე –5 სურათიდან ჩანს, რომ ოსცილატორის სიხშირე იცვლება 1.86% –მდე, როდესაც დენის წყაროს ძაბვა იცვლება 3V– დან 5V– მდე. როდესაც ტემპერატურა იცვლება -40 ° C– დან 120 ° C– მდე, ოსცილატორის სიხშირე იცვლება 1.93%–ით. ჩანს, რომ როდესაც ტემპერატურა და კვების ბლოკი ძირეულად განსხვავდება, ოსცილატორის გამომავალი სიხშირე შეიძლება დარჩეს სტაბილური, ასე რომ შესაძლებელი იყოს ჩიპის ნორმალური მუშაობის უზრუნველყოფა.

სურათი 5 ძაბვისა და ტემპერატურის გავლენა სიხშირეზე

ნაბიჯი 4: დასკვნა

ეს ნაშრომი ქმნის მიმდინარე კონტროლირებად ოსცილატორს D კლასის აუდიო სიმძლავრის გამაძლიერებლებისთვის. როგორც წესი, ამ ოსცილატორს შეუძლია გამოუშვას კვადრატული და სამკუთხა ტალღის სიგნალები 250 კჰც სიხშირით. უფრო მეტიც, ოსცილატორის გამომავალი სიხშირე შეიძლება დარჩეს სტაბილური, როდესაც ტემპერატურა და მიწოდების ძაბვა მნიშვნელოვნად განსხვავდება. გარდა ამისა, spike ძაბვის ასევე შეიძლება ამოღებულ დამატებით დამატებითი გადართვის ტრანზისტორი. რეზისტორული ქსელის მოჭრის ტექნიკის დანერგვით, ზუსტი გამომავალი სიხშირის მიღება შესაძლებელია პროცესის ვარიაციების არსებობისას. ამჟამად, ეს ოსცილატორი გამოიყენება D კლასის აუდიო გამაძლიერებელში.