Konstrukcja oscylatora w trybie prądowym dla wzmacniaczy mocy audio klasy D: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

W ostatnich latach wzmacniacze mocy klasy D stały się preferowanym rozwiązaniem dla przenośnych systemów audio, takich jak MP3 i telefony komórkowe ze względu na ich wysoką wydajność i niski pobór mocy. Oscylator jest ważną częścią wzmacniacza audio klasy D. Oscylator ma istotny wpływ na jakość dźwięku wzmacniacza, wydajność chipa, zakłócenia elektromagnetyczne i inne wskaźniki. W tym celu w niniejszym artykule zaprojektowano obwód oscylatora sterowany prądem dla wzmacniaczy mocy klasy D. Moduł bazuje na trybie prądowym i realizuje głównie dwie funkcje: jedną jest dostarczenie sygnału o fali trójkątnej, której amplituda jest proporcjonalna do napięcia zasilania; drugim jest dostarczenie sygnału fali prostokątnej, którego częstotliwość jest prawie niezależna od napięcia zasilania, a współczynnik wypełnienia sygnału fali prostokątnej wynosi 50%.

Krok 1: Zasada oscylatora w trybie prądowym

Zasada działania oscylatora polega na kontrolowaniu ładowania i rozładowywania kondensatora przez źródło prądu przez rurkę przełącznika MOS w celu wygenerowania sygnału fali trójkątnej. Schemat blokowy konwencjonalnego oscylatora opartego na trybie prądowym pokazano na rysunku 1.

Konstrukcja oscylatora w trybie prądowym dla wzmacniaczy mocy audio klasy D

Na RYS. 1, R1, R2, R3 i R4 generują napięcia progowe VH, VL i napięcie odniesienia Vref poprzez podzielenie napięcia napięcia zasilania. Napięcie odniesienia jest następnie przepuszczane przez strukturę LDO wzmacniaczy OPA i MN1 w celu wygenerowania prądu odniesienia Iref, który jest proporcjonalny do napięcia zasilania. Więc tutaj są:

MP1, MP2 i MP3 w tym systemie mogą tworzyć lustrzane źródło prądu do generowania prądu ładowania IB1. Źródło prądu lustrzanego złożone z MP1, MP2, MN2 i MN3 generuje prąd rozładowania IB2. Zakłada się, że MP1, MP2 i MP3 mają równe stosunki szerokości do długości, a MN2 i MN3 mają równe stosunki szerokości do długości. Następnie są:

Gdy oscylator pracuje, w fazie ładowania t1, CLK=1, lampa MP3 ładuje kondensator prądem stałym IB1. Następnie napięcie w punkcie A rośnie liniowo. Gdy napięcie w punkcie A jest większe niż VH, napięcie na wyjściu cmp1 jest ustawiane na zero. Logiczny moduł sterujący składa się głównie z przerzutników RS. Gdy wyjście cmp1 wynosi 0, zacisk wyjściowy CLK jest odwrócony na niski poziom, a CLK na wysoki poziom. Oscylator wchodzi w fazę rozładowania t2, w której to punkcie kondensator C zaczyna rozładowywać się stałym prądem IB2, powodując spadek napięcia w punkcie A. Gdy napięcie spadnie poniżej VL, napięcie wyjściowe cmp2 staje się zerowe. Przerzutnik RS przewraca się, CLK idzie w górę, a CLK idzie w dół, kończąc okres ładowania i rozładowania. Ponieważ IB1 i IB2 są równe, czasy ładowania i rozładowania kondensatora są równe. Nachylenie krawędzi narastającej fali trójkątnej punktu A jest równe wartości bezwzględnej nachylenia krawędzi opadającej. Dlatego sygnał CLK jest sygnałem o przebiegu prostokątnym o współczynniku wypełnienia 50%.

Częstotliwość wyjściowa tego oscylatora jest niezależna od napięcia zasilania, a amplituda fali trójkątnej jest proporcjonalna do napięcia zasilania.

Krok 2: Implementacja obwodu oscylatora

Projekt obwodu oscylatora zaprojektowany w tym artykule przedstawiono na rysunku 2. Obwód podzielony jest na trzy części: obwód generujący napięcie progowe, obwód generujący prąd ładowania i rozładowania oraz obwód sterowania logicznego.

Projekt oscylatora opartego na trybie prądowym dla wzmacniaczy mocy audio klasy D Rysunek 2 Obwód implementacji oscylatora

2.1 Jednostka generowania napięcia progowego

Część generująca napięcie progowe może składać się z MN1 i czterech rezystorów dzielących napięcie R1, R2, R3 i R4 o równych wartościach rezystancji. Tranzystor MOS MN1 jest tutaj używany jako tranzystor przełączający. Gdy nie jest podawany żaden sygnał audio, układ ustawia zacisk CTRL w stanie niskim, VH i VL mają wartość 0 V, a oscylator przestaje działać, aby zmniejszyć statyczne zużycie energii układu. Gdy jest sygnał wejściowy, CTRL jest niski, VH=3Vdd/4, VL=Vdd/4. Ze względu na wysoką częstotliwość pracy komparatora, jeśli punkty B i C są bezpośrednio połączone z wejściem komparatora, mogą być generowane zakłócenia elektromagnetyczne napięcia progowego poprzez pasożytniczą pojemność tranzystora MOS. Dlatego obwód ten łączy punkt B i punkt C z buforem. Symulacje obwodów pokazują, że zastosowanie buforów może skutecznie izolować zakłócenia elektromagnetyczne i stabilizować napięcie progowe.

2.2 Generowanie prądu ładowania i rozładowania

Prąd proporcjonalny do napięcia zasilania może być generowany przez OPA, MN2 i R5. Ponieważ wzmocnienie OPA jest duże, różnica napięć między Vref i V5 jest pomijalna. Ze względu na efekt modulacji kanału, prądy MP11 i MN10 są zależne od napięcia dren-źródło. Dlatego prąd ładowania-rozładowania kondensatora nie jest już liniowy z napięciem zasilania. W tej konstrukcji lustro prądowe wykorzystuje strukturę kaskadową do stabilizacji napięcia drenu źródła MP11 i MN10 oraz zmniejszenia czułości na napięcie zasilania. Z perspektywy prądu przemiennego struktura kaskadowa zwiększa rezystancję wyjściową źródła prądu (warstwy) i zmniejsza błąd prądu wyjściowego. MN3, MN4 i MP5 służą do zapewnienia napięcia polaryzacji dla MP12. MP8, MP10, MN6 mogą zapewnić napięcie polaryzacji dla MN9.

2.3 Sekcja sterowania logicznego

Wyjścia CLK i CLK przerzutnika są sygnałami prostokątnymi o przeciwnych fazach, które można wykorzystać do sterowania otwieraniem i zamykaniem MP13, MN11 i MP14, MN12. MP14 i MN11 działają jako tranzystory przełączające, które działają jako SW1 i SW2 na rysunku 1. MN12 i MP13 działają jako lampy pomocnicze, których główną funkcją jest redukcja zadziorów prądu ładowania i rozładowania oraz eliminacja zjawiska ostrego wystrzeliwania fal trójkątnych. Zjawisko ostrego strzału jest spowodowane głównie efektem wstrzykiwania ładunku kanału, gdy tranzystor MOS znajduje się w stanie przejściowym.

Zakładając, że MN12 i MP13 są usunięte, gdy CLK przechodzi od 0 do 1, MP14 jest włączany do stanu wyłączenia, a źródło prądowe złożone z MP11 i MP12 jest zmuszane do natychmiastowego wejścia w głęboki obszar liniowy z obszaru nasycenia, a MP11, MP12, MP13 są Ładunek kanału jest pobierany w bardzo krótkim czasie, co powoduje duży prąd zwarciowy, powodując skok napięcia w punkcie A. W tym samym czasie MN11 przeskakuje ze stanu wyłączenia do stanu włączenia, a obecne warstwy złożone z MN10 i MN9 przechodzą od głębokiego obszaru liniowego do obszaru nasycenia. Pojemność kanału tych trzech lamp jest ładowana w krótkim czasie, co powoduje również duży prąd Burra i napięcie impulsowe. Podobnie, jeśli rura pomocnicza MN12 zostanie usunięta, MN11, MN10 i MN9 również generują duży prąd zwarciowy i napięcie impulsowe, gdy CLK jest przeskakiwany. Chociaż MP13 i MP14 mają ten sam stosunek szerokości do długości, poziom bramki jest przeciwny, więc MP13 i MP14 są włączane naprzemiennie. MP13 odgrywa dwie główne role w eliminacji skoków napięcia. Po pierwsze, upewnij się, że MP11 i MP12 pracują w obszarze nasycenia podczas całego cyklu, aby zapewnić ciągłość prądu i uniknąć ostrego napięcia spowodowanego przez lustro prądowe. Po drugie, spraw, aby MP13 i MP14 utworzyły komplementarną lampę. Tak więc w momencie zmiany napięcia CLK następuje ładowanie pojemności kanału jednej lampy i rozładowywanie pojemności kanału drugiej lampy, a ładunki dodatnie i ujemne znoszą się wzajemnie, co znacznie zmniejsza prąd glitchowy. Podobnie wprowadzenie MN12 będzie odgrywać tę samą rolę.

2.4 Zastosowanie technologii naprawy

Parametry różnych partii lamp MOS będą się różnić między waflami. Pod różnymi kątami procesu grubość warstwy tlenku rury MOS również będzie inna, a odpowiedni Cox również się odpowiednio zmieni, powodując przesunięcie prądu ładowania i rozładowania, powodując zmianę częstotliwości wyjściowej oscylatora. W projektowaniu układów scalonych technologia przycinania służy głównie do modyfikacji sieci rezystorów i rezystorów (lub sieci kondensatorów). Różne sieci rezystorów mogą być używane do zwiększania lub zmniejszania rezystancji (lub pojemności) w celu projektowania różnych sieci rezystorów (lub sieci kondensatorów). Prądy ładowania i rozładowania IB1 i IB2 są określane głównie przez prąd Iref. A Iref=Vdd/2R5. Dlatego ten projekt decyduje się na przycięcie rezystora R5. Sieć przycinania pokazano na rysunku 3. Na rysunku wszystkie rezystory są równe. W tej konstrukcji rezystancja rezystora R5 wynosi 45 kΩ. R5 jest połączony szeregowo za pomocą dziesięciu małych rezystorów o rezystancji 4,5 kΩ. Łączenie przewodu między dwoma punktami A i B może zwiększyć rezystancję R5 o 2,5%, a wtopienie przewodu między B i C może zwiększyć rezystancję o 1,25%, między A, B i B, C. Wszystkie bezpieczniki są przepalone, co zwiększa odporność o 3,75%. Wadą tej techniki przycinania jest to, że może tylko zwiększyć wartość oporu, ale nie małą.

Rysunek 3 Struktura sieci naprawy rezystancyjnej

Krok 3: Analiza wyników symulacji

Ten projekt można zaimplementować w procesie CSMC 0,5 μm CMOS i można go symulować za pomocą narzędzia Spectre.

3.1 Poprawa fali trójkątnej przez komplementarną lampę przełączającą

Figura 4 jest schematycznym diagramem pokazującym poprawę fali trójkątnej przez komplementarną rurkę przełączającą. Na rys. 4 widać, że przebiegi MP13 i MN12 w tej konstrukcji nie mają wyraźnych pików, gdy zmienia się nachylenie, a zjawisko wyostrzania przebiegu znika po dodaniu pomocniczej lampy.

Rysunek 4 Poprawiony kształt fali komplementarnej rury przełączającej do fali trójkątnej

3.2 Wpływ napięcia zasilania i temperatury

Z rysunku 5 widać, że częstotliwość oscylatora zmienia się do 1,86%, gdy napięcie zasilania zmienia się z 3V na 5V. Gdy temperatura zmienia się od -40°C do 120°C, częstotliwość oscylatora zmienia się o 1,93%. Można zauważyć, że gdy temperatura i napięcie zasilania znacznie się różnią, częstotliwość wyjściowa oscylatora może pozostać stabilna, dzięki czemu można zapewnić normalne działanie układu.

Rysunek 5 Wpływ napięcia i temperatury na częstotliwość

Krok 4: Wniosek

W tym artykule zaprojektowano oscylator sterowany prądem dla wzmacniaczy mocy audio klasy D. Zazwyczaj ten oscylator może wyprowadzać sygnały fal prostokątnych i trójkątnych o częstotliwości 250 kHz. Co więcej, częstotliwość wyjściowa oscylatora może pozostać stabilna, gdy temperatura i napięcie zasilania znacznie się różnią. Ponadto napięcie szczytowe można również usunąć, dodając komplementarne tranzystory przełączające. Dzięki wprowadzeniu techniki dostrajania sieci rezystorów można uzyskać dokładną częstotliwość wyjściową w obecności zmian procesu. Obecnie ten oscylator jest używany we wzmacniaczu audio klasy D.