Reka bentuk Oscillator Berdasarkan Mod Semasa untuk Penguat Kuasa Audio Kelas D: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penguat kuasa audio Kelas D telah menjadi penyelesaian pilihan untuk sistem audio mudah alih seperti MP3 dan telefon bimbit kerana kecekapan tinggi dan penggunaan tenaga yang rendah. Pengayun adalah bahagian penting dari penguat audio kelas D. Pengayun mempunyai pengaruh penting terhadap kualiti suara penguat, kecekapan cip, gangguan elektromagnetik dan petunjuk lain. Untuk tujuan ini, kertas ini merancang litar pengayun yang dikendalikan semasa untuk penguat kuasa kelas D. Modul ini berdasarkan mod semasa dan terutamanya melaksanakan dua fungsi: satu adalah menyediakan isyarat gelombang segitiga yang amplitudanya sebanding dengan voltan bekalan kuasa; yang lain adalah untuk memberikan isyarat gelombang persegi yang frekuensinya hampir bebas dari voltan bekalan kuasa, dan nisbah tugas dari isyarat gelombang persegi adalah 50%.

Langkah 1: Prinsip Pengayun Mod Semasa

Prinsip kerja pengayun adalah mengawal pengisian dan pelepasan kapasitor oleh sumber arus melalui tiub suis MOS untuk menghasilkan isyarat gelombang segitiga. Gambarajah blok pengayun berasaskan mod arus konvensional ditunjukkan dalam Rajah 1.

Reka bentuk Oscillator Berdasarkan Mod Semasa untuk Penguat Kuasa Audio Kelas D

Dalam RAJAH. 1, R1, R2, R3, dan R4 menghasilkan voltan ambang VH, VL dan voltan rujukan Vref dengan membahagikan voltan voltan bekalan kuasa. Voltan rujukan kemudian dilewatkan melalui struktur LDO penguat OPA dan MN1 untuk menghasilkan arus rujukan Iref yang sebanding dengan voltan bekalan. Jadi ada:

MP1, MP2, dan MP3 dalam sistem ini dapat membentuk sumber arus cermin untuk menghasilkan arus pengecasan IB1. Sumber arus cermin yang terdiri daripada MP1, MP2, MN2, dan MN3 menghasilkan arus luaran IB2. Diasumsikan bahawa MP1, MP2, dan MP3 mempunyai nisbah lebar dan panjang yang sama, dan MN2 dan MN3 memiliki nisbah lebar dan panjang yang sama. Kemudian terdapat:

Semasa pengayun berfungsi, semasa fasa pengisian t1, CLK = 1, tiub MP3 mengecas kapasitor dengan arus tetap IB1. Selepas itu, voltan pada titik A meningkat secara linear. Apabila voltan pada titik A lebih besar daripada VH, voltan pada output cmp1 diubah menjadi sifar. Modul kawalan logik terutamanya terdiri daripada flip-flop RS. Apabila output cmp1 adalah 0, terminal output CLK dibalikkan ke tahap rendah, dan CLK adalah tahap tinggi. Pengayun memasuki fasa pelepasan t2, di mana kapasitor C mula melepaskan pada arus tetap IB2, menyebabkan voltan pada titik A turun. Apabila voltan turun di bawah VL, voltan keluaran cmp2 menjadi sifar. RS flip-flop flip, CLK naik tinggi, dan CLK turun rendah, menyelesaikan tempoh pengisian dan pelepasan. Oleh kerana IB1 dan IB2 adalah sama, masa pengisian dan pelepasan kapasitor adalah sama. Lereng tepi yang meningkat dari gelombang segitiga titik-A sama dengan nilai mutlak dari cerun tepi jatuh. Oleh itu, isyarat CLK adalah isyarat gelombang persegi dengan nisbah tugas 50%.

Kekerapan keluaran pengayun ini tidak bergantung kepada voltan bekalan, dan amplitud gelombang segitiga sebanding dengan voltan bekalan.

Langkah 2: Pelaksanaan Litar Oscillator

Reka bentuk litar pengayun yang dirancang dalam makalah ini ditunjukkan dalam Rajah 2. Litar ini dibahagikan kepada tiga bahagian: litar penjana voltan ambang, litar penjana arus pengisian dan pelepasan dan litar kawalan logik.

Reka bentuk Oscillator Berdasarkan Mod Semasa untuk Penguat Kuasa Audio Kelas D Rajah 2 litar pelaksanaan pengayun

2.1 Unit penjanaan voltan ambang

Bahagian penghasil voltan ambang boleh dibentuk oleh MN1 dan empat perintang pembahagi voltan R1, R2, R3 dan R4 yang mempunyai nilai rintangan yang sama. Transistor MOS MN1 di sini digunakan sebagai transistor pensuisan. Apabila tiada isyarat audio yang dimasukkan, cip menetapkan terminal CTRL rendah, VH dan VL keduanya 0V, dan pengayun berhenti berfungsi untuk mengurangkan penggunaan kuasa statik cip. Apabila terdapat input isyarat, CTRL rendah, VH = 3Vdd / 4, VL = Vdd / 4. Oleh kerana operasi frekuensi tinggi pembanding, jika titik B dan titik C dihubungkan secara langsung ke input pembanding, gangguan elektromagnetik dapat dihasilkan ke voltan ambang melalui kapasitansi parasit transistor MOS. Oleh itu, litar ini menghubungkan titik B dan titik C ke penyangga. Simulasi litar menunjukkan bahawa penggunaan penyangga dapat mengasingkan gangguan elektromagnetik dengan berkesan dan menstabilkan voltan ambang.

2.2 Penjanaan arus cas dan pelepasan

Berkadar arus dengan voltan bekalan dapat dihasilkan oleh OPA, MN2, dan R5. Oleh kerana keuntungan OPA tinggi, perbezaan voltan antara Vref dan V5 diabaikan. Oleh kerana kesan modulasi saluran, arus MP11 dan MN10 dipengaruhi oleh voltan saliran sumber. Oleh itu, arus muatan kapasitor tidak lagi linear dengan voltan bekalan. Dalam reka bentuk ini, cermin semasa menggunakan struktur kaskod untuk menstabilkan voltan sumber-sumber MP11 dan MN10, dan mengurangkan kepekaan terhadap voltan bekalan kuasa. Dari perspektif AC, struktur kaskod meningkatkan rintangan output dari sumber semasa (lapisan) dan mengurangkan ralat dalam arus keluaran. MN3, MN4, dan MP5 digunakan untuk memberikan voltan berat sebelah untuk MP12. MP8, MP10, MN6 dapat memberikan voltan berat sebelah untuk MN9.

2.3 Bahagian Kawalan Logik

Output CLK dan CLK dari flip-flop adalah isyarat gelombang persegi dengan fasa bertentangan, yang dapat digunakan untuk mengawal pembukaan dan penutupan MP13, MN11 dan MP14, MN12. MP14 dan MN11 bertindak sebagai transistor pensuisan, yang berfungsi sebagai SW1 dan SW2 pada Gambar 1. MN12 dan MP13 bertindak sebagai tiub tambahan, yang fungsi utamanya adalah untuk mengurangkan burr arus pengisian dan debit dan menghilangkan fenomena penembakan tajam gelombang segitiga. Fenomena pemotretan tajam terutamanya disebabkan oleh kesan suntikan caj saluran ketika transistor MOS berada dalam peralihan keadaan.

Dengan mengandaikan bahawa MN12 dan MP13 dikeluarkan, ketika peralihan CLK dari 0 hingga 1, MP14 dihidupkan ke keadaan mati, dan sumber semasa yang terdiri dari MP11 dan MP12 terpaksa memasuki kawasan linear dalam dari wilayah tepu seketika, dan MP11, MP12, MP13 adalah Caj saluran dikeluarkan dalam waktu yang sangat singkat, yang menyebabkan arus kesalahan besar, menyebabkan voltan lonjakan pada titik A. Pada masa yang sama, MN11 melompat dari keadaan mati ke keadaan aktif, dan lapisan semasa yang terdiri daripada MN10 dan MN9 pergi dari kawasan linear dalam ke kawasan tepu. Kapasitansi saluran ketiga tiub ini dicas dalam masa yang singkat, yang juga menyebabkan arus Burr besar dan voltan lonjakan. Begitu juga, jika paip tambahan MN12 dikeluarkan, MN11, MN10, dan MN9 juga menghasilkan arus kesalahan besar dan voltan lonjakan ketika CLK dilompat. Walaupun MP13 dan MP14 mempunyai nisbah lebar-ke-panjang yang sama, tingkat gerbang bertentangan, jadi MP13 dan MP14 dihidupkan secara bergantian. MP13 memainkan dua peranan utama dalam menghilangkan voltan lonjakan. Pertama, pastikan MP11 dan MP12 bekerja di kawasan tepu selama keseluruhan kitaran untuk memastikan kesinambungan arus dan mengelakkan voltan menembak tajam yang disebabkan oleh cermin semasa. Kedua, buat MP13 dan MP14 membentuk tiub pelengkap. Oleh itu, pada saat perubahan voltan CLK, kapasitansi saluran satu tiub dikenakan, dan kapasitansi saluran tiub lain dibebaskan, dan cas positif dan negatif saling membatalkan, sehingga mengurangkan arus gangguan. Begitu juga, pengenalan MN12 akan memainkan peranan yang sama.

2.4 Aplikasi teknologi pembaikan

Parameter pelbagai kumpulan tiub MOS akan berbeza antara wafer. Di bawah sudut proses yang berbeza, ketebalan lapisan oksida tiub MOS juga akan berbeza, dan Cox yang sesuai juga akan berubah sesuai, menyebabkan arus cas dan pelepasan berubah, menyebabkan frekuensi output pengayun berubah. Dalam reka bentuk litar bersepadu, teknologi pemangkasan digunakan terutamanya untuk mengubah suai rangkaian perintang dan perintang (atau rangkaian kapasitor). Rangkaian perintang yang berbeza dapat digunakan untuk meningkatkan atau menurunkan rintangan (atau kapasitansi) untuk merancang rangkaian perintang yang berbeza (atau jaringan kapasitor). Arus caj dan pelepasan IB1 dan IB2 ditentukan terutamanya oleh Iref semasa. Dan Iref = Vdd / 2R5. Oleh itu, reka bentuk ini memilih untuk memotong perintang R5. Rangkaian pemangkasan ditunjukkan dalam Rajah 3. Dalam gambar, semua perintang sama. Dalam reka bentuk ini, rintangan perintang R5 adalah 45kΩ. R5 disambung secara siri oleh sepuluh perintang kecil dengan rintangan 4.5kΩ. Menggabungkan wayar antara dua titik A dan B dapat meningkatkan rintangan R5 sebanyak 2.5%, dan menyatu wayar antara B dan C dapat meningkatkan rintangan sebanyak 1.25%, antara A, B dan B, C. Sekering sekering, yang meningkatkan rintangan sebanyak 3.75%. Kelemahan teknik pemangkasan ini adalah bahawa ia hanya dapat meningkatkan nilai rintangan, tetapi bukan yang kecil.

Rajah 3 struktur rangkaian pembaikan rintangan

Langkah 3: Analisis Hasil Simulasi

Reka bentuk ini dapat dilaksanakan pada proses CMOS 0,5μm CSMC dan dapat disimulasikan dengan alat Specter.

3.1 Penambahbaikan gelombang segitiga dengan tiub beralih pelengkap

Rajah 4 adalah gambarajah skematik yang menunjukkan peningkatan gelombang segitiga oleh tiub suis pelengkap. Dari Gambar 4 dapat dilihat bahawa bentuk gelombang MP13 dan MN12 dalam reka bentuk ini tidak mempunyai puncak yang jelas ketika cerun berubah, dan fenomena penajaman bentuk gelombang hilang setelah tiub tambahan ditambahkan.

Gambar 4 Peningkatan bentuk gelombang tiub beralih pelengkap ke gelombang segitiga

3.2 Pengaruh voltan dan suhu bekalan kuasa

Dari Gambar 5 dapat dilihat bahawa frekuensi pengayun berubah menjadi 1.86% apabila voltan bekalan kuasa berubah dari 3V ke 5V. Apabila suhu berubah dari -40 ° C hingga 120 ° C, frekuensi pengayun berubah sebanyak 1.93%. Dapat dilihat bahawa apabila suhu dan voltan bekalan kuasa berbeza-beza, frekuensi output pengayun dapat tetap stabil, sehingga operasi normal cip dapat dipastikan.

Rajah 5 Pengaruh voltan dan suhu pada frekuensi

Langkah 4: Kesimpulannya

Makalah ini merancang pengayun terkawal semasa untuk penguat kuasa audio Kelas D. Biasanya, pengayun ini dapat mengeluarkan isyarat gelombang persegi dan segitiga dengan frekuensi 250 kHz. Lebih-lebih lagi, frekuensi output pengayun boleh tetap stabil apabila suhu dan voltan bekalan berbeza-beza. Di samping itu, voltan lonjakan juga dapat dikeluarkan dengan menambahkan transistor pensuisan pelengkap. Dengan memperkenalkan teknik pemangkasan rangkaian resistor, frekuensi output yang tepat dapat diperoleh dengan adanya variasi proses. Pada masa ini, pengayun ini telah digunakan dalam penguat audio Kelas D.