การออกแบบออสซิลเลเตอร์ตามโหมดปัจจุบันสำหรับแอมพลิฟายเออร์กำลังเสียง Class D: 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เครื่องขยายเสียง Class D ได้กลายเป็นโซลูชันที่ต้องการสำหรับระบบเสียงแบบพกพา เช่น MP3 และโทรศัพท์มือถือ เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานต่ำ ออสซิลเลเตอร์เป็นส่วนสำคัญของแอมพลิฟายเออร์คลาส D ออสซิลเลเตอร์มีอิทธิพลสำคัญต่อคุณภาพเสียงของแอมพลิฟายเออร์ ประสิทธิภาพของชิป การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และตัวบ่งชี้อื่นๆ ด้วยเหตุนี้ บทความนี้จึงออกแบบวงจรออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยกระแสสำหรับเพาเวอร์แอมป์คลาส D โมดูลนี้ใช้โหมดปัจจุบันและส่วนใหญ่ใช้สองหน้าที่: หนึ่งคือการให้สัญญาณคลื่นสามเหลี่ยมที่มีแอมพลิจูดเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ อีกวิธีหนึ่งคือการให้สัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีความถี่เกือบจะไม่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ และอัตราส่วนหน้าที่ของสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมคือ 50%

ขั้นตอนที่ 1: หลักการออสซิลเลเตอร์โหมดปัจจุบัน

หลักการทำงานของออสซิลเลเตอร์คือการควบคุมการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุโดยแหล่งจ่ายกระแสผ่านหลอดสวิตช์ MOS เพื่อสร้างสัญญาณคลื่นสามเหลี่ยม บล็อกไดอะแกรมของออสซิลเลเตอร์ที่ใช้โหมดกระแสทั่วไปแสดงในรูปที่ 1

การออกแบบออสซิลเลเตอร์ตามโหมดปัจจุบันสำหรับแอมพลิฟายเออร์กำลังเสียงคลาส D

ในรูป 1, R1, R2, R3 และ R4 สร้างแรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์ VH, VL และแรงดันอ้างอิง Vref โดยแบ่งแรงดันไฟฟ้าของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ แรงดันอ้างอิงจะถูกส่งผ่านโครงสร้าง LDO ของแอมพลิฟายเออร์ OPA และ MN1 เพื่อสร้างกระแสอ้างอิง Iref ที่เป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย จึงมี:

MP1, MP2 และ MP3 ในระบบนี้สามารถสร้างแหล่งกระแสมิเรอร์เพื่อสร้างกระแสไฟชาร์จ IB1 แหล่งกระแสมิเรอร์ประกอบด้วย MP1, MP2, MN2 และ MN3 สร้าง IB2 กระแสไฟออก สันนิษฐานว่า MP1, MP2 และ MP3 มีอัตราส่วนความกว้างต่อความยาวเท่ากัน และ MN2 และ MN3 มีอัตราส่วนความกว้างต่อความยาวเท่ากัน แล้วมี:

เมื่อออสซิลเลเตอร์ทำงาน ในระหว่างเฟสการชาร์จ t1, CLK=1 หลอด MP3 จะชาร์จตัวเก็บประจุด้วยกระแสไฟคงที่ IB1 หลังจากนั้นแรงดันที่จุด A จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่จุด A มากกว่า VH แรงดันที่เอาต์พุต cmp1 จะเปลี่ยนเป็นศูนย์ โมดูลควบคุมลอจิกประกอบด้วยรองเท้าแตะ RS เป็นหลัก เมื่อเอาต์พุตของ cmp1 เป็น 0 เทอร์มินัลเอาต์พุต CLK จะกลับด้านเป็นระดับต่ำ และ CLK จะอยู่ในระดับสูง ออสซิลเลเตอร์เข้าสู่เฟสการคายประจุ t2 ซึ่ง ณ จุดที่ตัวเก็บประจุ C เริ่มคายประจุที่ IB2 กระแสคงที่ ทำให้แรงดันไฟที่จุด A ลดลง เมื่อแรงดันไฟตกต่ำกว่า VL แรงดันไฟขาออกของ cmp2 จะกลายเป็นศูนย์ Flip-flop flips ของ RS, CLK สูงขึ้น และ CLK ลดต่ำลง ทำให้การชาร์จและการคายประจุเสร็จสิ้น เนื่องจาก IB1 และ IB2 เท่ากัน เวลาในการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุจึงเท่ากัน ความชันของขอบที่เพิ่มขึ้นของคลื่นสามเหลี่ยม A-point เท่ากับค่าสัมบูรณ์ของความชันของขอบที่ตกลงมา ดังนั้นสัญญาณ CLK จึงเป็นสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีอัตราส่วนหน้าที่ 50%

ความถี่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์นี้ไม่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้า และแอมพลิจูดของคลื่นสามเหลี่ยมเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย

ขั้นตอนที่ 2: การใช้งานวงจรออสซิลเลเตอร์

การออกแบบวงจรออสซิลเลเตอร์ที่ออกแบบในบทความนี้แสดงไว้ในรูปที่ 2 วงจรแบ่งออกเป็นสามส่วน: วงจรสร้างแรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์ วงจรสร้างกระแสชาร์จและคายประจุ และวงจรควบคุมลอจิก

การออกแบบออสซิลเลเตอร์ตามโหมดปัจจุบันสำหรับแอมพลิฟายเออร์กำลังเสียงคลาส D รูปที่ 2 วงจรการใช้งานออสซิลเลเตอร์

2.1 หน่วยสร้างแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์

ส่วนที่สร้างแรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์อาจประกอบด้วย MN1 และตัวต้านทานแบ่งแรงดันไฟฟ้าสี่ตัว R1, R2, R3 และ R4 ที่มีค่าความต้านทานเท่ากัน ทรานซิสเตอร์ MOS MN1 ถูกใช้เป็นทรานซิสเตอร์แบบสวิตชิ่ง เมื่อไม่มีสัญญาณเสียงเข้า ชิปจะตั้งค่าเทอร์มินัล CTRL ให้ต่ำ VH และ VL เป็นทั้ง 0V และออสซิลเลเตอร์จะหยุดทำงานเพื่อลดการใช้พลังงานคงที่ของชิป เมื่อมีสัญญาณเข้า CTRL จะต่ำ VH=3Vdd/4, VL=Vdd/4 เนื่องจากการทำงานที่มีความถี่สูงของตัวเปรียบเทียบ หากจุด B และจุด C เชื่อมต่อโดยตรงกับอินพุตของตัวเปรียบเทียบ การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอาจถูกสร้างขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์ผ่านความจุกาฝากของทรานซิสเตอร์ MOS ดังนั้นวงจรนี้จึงเชื่อมต่อจุด B และจุด C กับบัฟเฟอร์ การจำลองวงจรแสดงให้เห็นว่าการใช้บัฟเฟอร์สามารถแยกสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพและทำให้แรงดันธรณีประตูเสถียร

2.2 การสร้างประจุและกระแสไฟออก

OPA, MN2 และ R5 สามารถสร้างกระแสตามสัดส่วนของแรงดันจ่ายได้ เนื่องจากอัตราขยายของ OPA สูง ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่าง Vref และ V5 จึงไม่มีความสำคัญ เนื่องจากเอฟเฟกต์การปรับช่องสัญญาณ กระแสของ MP11 และ MN10 ได้รับผลกระทบจากแรงดันแหล่งจ่าย ดังนั้นกระแสประจุ-การคายประจุของตัวเก็บประจุจึงไม่เป็นเส้นตรงกับแรงดันไฟจ่ายอีกต่อไป ในการออกแบบนี้ มิเรอร์ปัจจุบันใช้โครงสร้างคาสโคดเพื่อทำให้แรงดันแหล่งจ่ายของ MP11 และ MN10 เสถียร และลดความไวต่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ จากมุมมองของ AC โครงสร้าง cascode จะเพิ่มความต้านทานเอาต์พุตของแหล่งกระแส (เลเยอร์) และลดข้อผิดพลาดในกระแสไฟขาออก MN3, MN4 และ MP5 ใช้เพื่อจัดหาแรงดันไบอัสสำหรับ MP12 MP8, MP10, MN6 สามารถให้แรงดันอคติสำหรับ MN9

2.3 ส่วนควบคุมลอจิก

เอาต์พุต CLK และ CLK ของ flip-flop เป็นสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีเฟสตรงข้ามกัน ซึ่งสามารถใช้เพื่อควบคุมการเปิดและปิดของ MP13, MN11 และ MP14, MN12 MP14 และ MN11 ทำหน้าที่เป็นทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ซึ่งทำหน้าที่เป็น SW1 และ SW2 ในรูปที่ 1 MN12 และ MP13 ทำหน้าที่เป็นหลอดเสริม ซึ่งมีหน้าที่หลักในการลดเสี้ยนของประจุและกระแสไฟออก และขจัดปรากฏการณ์การยิงแหลมของคลื่นสามเหลี่ยม. ปรากฏการณ์การยิงที่คมชัดนั้นส่วนใหญ่เกิดจากเอฟเฟกต์การฉีดประจุช่องสัญญาณเมื่อทรานซิสเตอร์ MOS อยู่ในการเปลี่ยนสถานะ

สมมติว่า MN12 และ MP13 ถูกลบออก เมื่อ CLK เปลี่ยนจาก 0 เป็น 1 MP14 จะถูกเปิดเป็นสถานะปิด และแหล่งสัญญาณปัจจุบันที่ประกอบด้วย MP11 และ MP12 จะถูกบังคับให้เข้าสู่ขอบเขตเส้นตรงลึกจากขอบเขตความอิ่มตัวในทันที และ MP11, MP12, MP13 คือ ช่องชาร์จถูกดึงออกมาในเวลาอันสั้นซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟผิดพลาดขนาดใหญ่ทำให้เกิดแรงดันไฟกระชากที่จุด A ในเวลาเดียวกัน MN11 กระโดดจากสถานะปิดไปยังสถานะเปิดและ เลเยอร์ปัจจุบันที่ประกอบด้วย MN10 และ MN9 ไปจากขอบเขตเชิงเส้นลึกไปยังพื้นที่อิ่มตัว ความจุช่องสัญญาณของหลอดทั้งสามนี้ถูกชาร์จในเวลาอันสั้น ซึ่งทำให้กระแสไฟเสี้ยนและแรงดันไฟพุ่งสูงขึ้นด้วย ในทำนองเดียวกัน หากถอดท่อเสริม MN12 MN11, MN10 และ MN9 จะสร้างกระแสไฟผิดพลาดขนาดใหญ่และแรงดันไฟสไปค์เมื่อ CLK ถูกกระโดด แม้ว่า MP13 และ MP14 จะมีอัตราส่วนความกว้างต่อความยาวเท่ากัน แต่ระดับเกตกลับตรงกันข้าม ดังนั้น MP13 และ MP14 จึงเปิดสลับกัน MP13 มีบทบาทหลักสองประการในการกำจัดแรงดันไฟกระชาก ขั้นแรก ตรวจสอบให้แน่ใจว่า MP11 และ MP12 ทำงานในพื้นที่อิ่มตัวตลอดวงจรเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟจะต่อเนื่องและหลีกเลี่ยงแรงดันไฟที่แหลมคมซึ่งเกิดจากกระจกปัจจุบัน ประการที่สอง ทำให้ MP13 และ MP14 เป็นหลอดเสริม ดังนั้นในช่วงเวลาของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า CLK ความจุของช่องสัญญาณของหลอดหนึ่งจะถูกชาร์จและความจุของช่องสัญญาณของอีกหลอดจะถูกปล่อยออกมาและประจุบวกและลบจะยกเลิกซึ่งกันและกันซึ่งจะช่วยลดกระแสความผิดพลาดได้อย่างมาก ในทำนองเดียวกัน การแนะนำ MN12 จะมีบทบาทเช่นเดียวกัน

2.4 การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการซ่อมแซม

พารามิเตอร์ของหลอด MOS รุ่นต่างๆ จะแตกต่างกันไปตามแผ่นเวเฟอร์ ภายใต้มุมกระบวนการที่แตกต่างกัน ความหนาของชั้นออกไซด์ของหลอด MOS ก็จะแตกต่างกัน และ Cox ที่สอดคล้องกันก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ทำให้กระแสประจุและกระแสไฟดิสชาร์จเปลี่ยนไป ทำให้ความถี่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์เปลี่ยนไป ในการออกแบบวงจรรวม เทคโนโลยีการตัดแต่งส่วนใหญ่จะใช้เพื่อปรับเปลี่ยนเครือข่ายตัวต้านทานและตัวต้านทาน (หรือเครือข่ายตัวเก็บประจุ) สามารถใช้เครือข่ายตัวต้านทานที่แตกต่างกันเพื่อเพิ่มหรือลดความต้านทาน (หรือความจุ) เพื่อออกแบบเครือข่ายตัวต้านทานที่แตกต่างกัน (หรือเครือข่ายตัวเก็บประจุ) กระแสประจุและกระแสไฟ IB1 และ IB2 ถูกกำหนดโดย Iref ปัจจุบันเป็นหลัก และ Iref=Vdd/2R5 ดังนั้นการออกแบบนี้จึงเลือกที่จะตัดแต่งตัวต้านทาน R5 เครือข่ายการตัดแต่งแสดงในรูปที่ 3 ในรูป ตัวต้านทานทั้งหมดมีค่าเท่ากัน ในการออกแบบนี้ ความต้านทานของตัวต้านทาน R5 คือ 45kΩ R5 เชื่อมต่อแบบอนุกรมด้วยตัวต้านทานขนาดเล็ก 10 ตัวที่มีความต้านทาน4.5kΩ การหลอมลวดระหว่างจุดสองจุด A และ B สามารถเพิ่มความต้านทานของ R5 ได้ 2.5% และการหลอมลวดระหว่าง B และ C สามารถเพิ่มความต้านทานได้ 1.25% ระหว่าง A, B และ B, C ฟิวส์ถูกเป่าทั้งหมด ซึ่งเพิ่มความต้านทานขึ้น 3.75% ข้อเสียของเทคนิคการตัดแต่งนี้คือสามารถเพิ่มค่าความต้านทานได้เท่านั้น แต่ไม่สามารถเพิ่มค่าขนาดเล็กได้

รูปที่ 3 โครงสร้างเครือข่ายการซ่อมแซมความต้านทาน

ขั้นตอนที่ 3: การวิเคราะห์ผลการจำลอง

การออกแบบนี้สามารถนำไปใช้ในกระบวนการ 0.5μm CMOS ของ CSMC และสามารถจำลองได้ด้วยเครื่องมือ Spectre

3.1 การปรับปรุงคลื่นสามเหลี่ยมโดยหลอดสวิตชิ่งเสริม

รูปที่ 4 เป็นแผนผังแสดงการปรับปรุงของคลื่นสามเหลี่ยมโดยหลอดสวิตช์เสริม จากรูปที่ 4 จะเห็นได้ว่ารูปคลื่นของ MP13 และ MN12 ในการออกแบบนี้ไม่มียอดที่ชัดเจนเมื่อความลาดเอียงเปลี่ยนไป และปรากฏการณ์การเพิ่มความคมชัดของรูปคลื่นจะหายไปหลังจากเพิ่มท่อเสริม

รูปที่ 4 ปรับปรุงรูปคลื่นของหลอดสวิตชิ่งเสริมเป็นคลื่นสามเหลี่ยม

3.2 อิทธิพลของแรงดันไฟและอุณหภูมิของแหล่งจ่ายไฟ

จากรูปที่ 5 จะเห็นได้ว่าความถี่ของออสซิลเลเตอร์เปลี่ยนไปเป็น 1.86% เมื่อแรงดันไฟของแหล่งจ่ายไฟเปลี่ยนจาก 3V เป็น 5V เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนจาก -40°C เป็น 120°C ความถี่ออสซิลเลเตอร์จะเปลี่ยน 1.93% จะเห็นได้ว่าเมื่ออุณหภูมิและแรงดันไฟของแหล่งจ่ายไฟแตกต่างกันอย่างมาก ความถี่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์จะคงที่ เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานปกติของชิป

รูปที่ 5 ผลของแรงดันและอุณหภูมิต่อความถี่

ขั้นตอนที่ 4: บทสรุป

เอกสารนี้ออกแบบออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมในปัจจุบันสำหรับแอมพลิฟายเออร์กำลังเสียง Class D โดยปกติออสซิลเลเตอร์นี้สามารถส่งสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมและสามเหลี่ยมด้วยความถี่ 250 kHz นอกจากนี้ ความถี่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์สามารถคงที่ได้เมื่ออุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายแตกต่างกันอย่างมาก นอกจากนี้ แรงดันไฟกระชากสามารถถอดออกได้โดยการเพิ่มทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งเสริม ด้วยการแนะนำเทคนิคการตัดแต่งเครือข่ายตัวต้านทาน ความถี่เอาต์พุตที่แม่นยำสามารถรับได้เมื่อมีกระบวนการแปรผัน ปัจจุบันออสซิลเลเตอร์นี้ถูกใช้ในแอมพลิฟายเออร์คลาส D