تصميم المذبذب القائم على الوضع الحالي لمضخمات الطاقة الصوتية من الفئة D: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:35

في السنوات الأخيرة ، أصبحت مكبرات الصوت من الفئة D الحل المفضل لأنظمة الصوت المحمولة مثل MP3 والهواتف المحمولة نظرًا لكفاءتها العالية واستهلاكها المنخفض للطاقة. يعد المذبذب جزءًا مهمًا من مضخم الصوت من الفئة D. للمذبذب تأثير مهم على جودة صوت مكبر الصوت ، وكفاءة الرقاقة ، والتداخل الكهرومغناطيسي والمؤشرات الأخرى. تحقيقا لهذه الغاية ، تصمم هذه الورقة دائرة مذبذب يتم التحكم فيها حاليًا لمضخمات القدرة من الفئة D. تعتمد الوحدة على الوضع الحالي وتنفذ بشكل أساسي وظيفتين: الأولى هي توفير إشارة موجة مثلثة يتناسب اتساعها مع جهد إمداد الطاقة ؛ والآخر هو توفير إشارة موجة مربعة يكون ترددها مستقلاً تقريبًا عن جهد إمداد الطاقة ، ونسبة العمل لإشارة الموجة المربعة هي 50٪.

الخطوة 1: مبدأ مذبذب الوضع الحالي

مبدأ عمل المذبذب هو التحكم في شحن وتفريغ المكثف من خلال المصدر الحالي من خلال أنبوب التبديل MOS لتوليد إشارة موجة مثلثة. يظهر مخطط كتلة لمذبذب قائم على الوضع الحالي التقليدي في الشكل 1.

تصميم المذبذب القائم على الوضع الحالي لمضخمات الطاقة الصوتية من الفئة د

في التين. 1 ، R1 ، R2 ، R3 ، و R4 تولد جهد عتبة VH و VL والجهد المرجعي Vref بقسمة جهد جهد إمداد الطاقة. ثم يتم تمرير الجهد المرجعي من خلال هيكل LDO لمكبرات الصوت OPA و MN1 لتوليد تيار مرجعي Iref يتناسب مع جهد الإمداد. لذلك هناك:

يمكن أن تشكل MP1 و MP2 و MP3 في هذا النظام مصدر تيار معكوس لتوليد تيار الشحن IB1. المصدر الحالي المرآة المكون من MP1 و MP2 و MN2 و MN3 يولد تيار تفريغ IB2. من المفترض أن MP1 و MP2 و MP3 لها نسب عرض إلى طول متساوية ، وأن MN2 و MN3 لها نسب عرض إلى طول متساوية. ثم هناك:

عندما يعمل المذبذب ، أثناء مرحلة الشحن t1 ، CLK = 1 ، يشحن أنبوب MP3 المكثف بتيار ثابت IB1. بعد ذلك ، يرتفع الجهد عند النقطة A خطيًا. عندما يكون الجهد عند النقطة A أكبر من VH ، يتحول الجهد عند خرج cmp1 إلى الصفر. تتكون وحدة التحكم المنطقي بشكل أساسي من شبشب RS. عندما يكون خرج cmp1 هو 0 ، يتم عكس طرف الإخراج CLK إلى مستوى منخفض ، ويكون CLK على مستوى عالٍ. يدخل المذبذب مرحلة التفريغ t2 ، وعند هذه النقطة يبدأ المكثف C في التفريغ عند تيار ثابت IB2 ، مما يتسبب في انخفاض الجهد عند النقطة A. عندما ينخفض الجهد عن VL ، يصبح جهد خرج cmp2 صفراً. ينقلب RS flip-flop ، و CLK يرتفع ، و CLK ينخفض ، ويكمل فترة الشحن والتفريغ. نظرًا لأن IB1 و IB2 متساويان ، فإن أوقات الشحن والتفريغ للمكثف متساوية. منحدر الحافة الصاعدة للموجة المثلثية ذات النقطة A يساوي القيمة المطلقة لمنحدر الحافة المتساقطة. لذلك ، فإن إشارة CLK عبارة عن إشارة موجة مربعة بنسبة تشغيل تبلغ 50٪.

تردد خرج هذا المذبذب مستقل عن جهد الإمداد ، واتساع الموجة المثلثية يتناسب مع جهد الإمداد.

الخطوة 2: تنفيذ دائرة المذبذب

يوضح الشكل 2. تصميم دائرة المذبذب المصمم في هذه الورقة. وتنقسم الدائرة إلى ثلاثة أجزاء: دائرة توليد جهد عتبة ، ودائرة توليد تيار شحن وتفريغ ، ودائرة تحكم منطقية.

تصميم المذبذب القائم على الوضع الحالي لمضخمات الطاقة الصوتية من الفئة D الشكل 2 دائرة تنفيذ مذبذب

2.1 وحدة توليد جهد العتبة

يمكن تشكيل جزء توليد جهد العتبة بواسطة MN1 وأربعة مقاومات تقسيم الجهد R1 و R2 و R3 و R4 لها قيم مقاومة متساوية. يتم استخدام ترانزستور MOS MN1 هنا كترانزستور تبديل. عندما لا يتم إدخال إشارة صوتية ، تضبط الشريحة الطرفية CTRL منخفضة ، و VH و VL كلاهما 0 فولت ، ويتوقف المذبذب عن العمل لتقليل استهلاك الطاقة الثابت للرقاقة. عندما يكون هناك إدخال إشارة ، يكون CTRL منخفضًا ، VH = 3Vdd / 4 ، VL = Vdd / 4. نظرًا للتشغيل عالي التردد للمقارن ، إذا كانت النقطة B والنقطة C متصلين مباشرة بإدخال المقارنة ، فقد يتولد التداخل الكهرومغناطيسي إلى جهد العتبة من خلال السعة الطفيلية لترانزستور MOS. لذلك ، تربط هذه الدائرة النقطة B والنقطة C بالمخزن المؤقت. تظهر محاكاة الدائرة أن استخدام المحاليل المعيارية يمكن أن يعزل التداخل الكهرومغناطيسي بشكل فعال ويثبت جهد العتبة.

2.2 توليد تيار الشحن والتفريغ

يمكن توليد التيار المتناسب مع جهد الإمداد بواسطة OPA و MN2 و R5. نظرًا لأن كسب OPA مرتفع ، فإن فرق الجهد بين Vref و V5 لا يكاد يذكر. بسبب تأثير تعديل القناة ، تتأثر تيارات MP11 و MN10 بجهد استنزاف المصدر. لذلك ، لم يعد تيار الشحن والتفريغ للمكثف خطيًا مع جهد الإمداد. في هذا التصميم ، تستخدم المرآة الحالية بنية cascode لتثبيت جهد استنزاف المصدر لـ MP11 و MN10 ، وتقليل الحساسية لجهد إمداد الطاقة. من منظور التيار المتردد ، تزيد بنية cascode من مقاومة الإخراج للمصدر الحالي (الطبقة) وتقلل من الخطأ في تيار الإخراج. يتم استخدام MN3 و MN4 و MP5 لتوفير جهد تحيز لـ MP12. يمكن أن توفر MP8 و MP10 و MN6 جهدًا متحيزًا لـ MN9.

2.3 قسم التحكم المنطقي

إن إخراج CLK و CLK من flip-flop عبارة عن إشارات موجية مربعة ذات أطوار معاكسة ، والتي يمكن استخدامها للتحكم في فتح وإغلاق MP13 و MN11 و MP14 و MN12. يعمل MP14 و MN11 بمثابة ترانزستورات تبديل ، والتي تعمل كـ SW1 و SW2 في الشكل 1. تعمل MN12 و MP13 كأنابيب مساعدة ، وتتمثل وظيفتها الرئيسية في تقليل نتوءات الشحن والتفريغ الحالية والقضاء على ظاهرة إطلاق النار الحاد للموجات المثلثية. تحدث ظاهرة إطلاق النار الحاد بشكل أساسي بسبب تأثير حقن شحنة القناة عندما يكون ترانزستور MOS في حالة انتقال.

بافتراض إزالة MN12 و MP13 ، عند انتقالات CLK من 0 إلى 1 ، يتم تشغيل MP14 إلى حالة إيقاف التشغيل ، والمصدر الحالي المكون من MP11 و MP12 يضطر إلى دخول المنطقة الخطية العميقة من منطقة التشبع على الفور ، و MP11 ، MP12 ، MP13 هي شحنة القناة يتم سحبها في وقت قصير جدًا ، مما يتسبب في حدوث خلل كبير في التيار ، مما يتسبب في ارتفاع الجهد عند النقطة A. وفي نفس الوقت ، يقفز MN11 من حالة إيقاف التشغيل إلى حالة التشغيل ، و تنتقل الطبقات الحالية المكونة من MN10 و MN9 من المنطقة الخطية العميقة إلى منطقة التشبع. يتم شحن سعة القناة لهذه الأنابيب الثلاثة في وقت قصير ، مما يتسبب أيضًا في حدوث تيار ثقوب كبير وفلطية تصاعدية. وبالمثل ، إذا تمت إزالة الأنبوب الإضافي MN12 ، فإن MN11 و MN10 و MN9 يولدان أيضًا تيار خلل كبير وجهد تصاعد عند القفز CLK. على الرغم من أن MP13 و MP14 لهما نفس نسبة العرض إلى الطول ، إلا أن مستوى البوابة معاكس ، لذلك يتم تشغيل MP13 و MP14 بالتناوب. يلعب MP13 دورين رئيسيين في القضاء على جهد الارتفاع. أولاً ، تأكد من أن MP11 و MP12 يعملان في منطقة التشبع خلال الدورة بأكملها لضمان استمرارية التيار وتجنب جهد إطلاق النار الحاد الناتج عن المرآة الحالية. ثانيًا ، اجعل MP13 و MP14 يشكلان أنبوبًا تكميليًا. وبالتالي ، في لحظة تغيير الجهد CLK ، يتم شحن سعة القناة لأنبوب واحد ، ويتم تفريغ سعة القناة للأنبوب الآخر ، وتلغي الشحنات الموجبة والسالبة بعضها البعض ، مما يقلل بشكل كبير من خلل التيار. وبالمثل ، فإن إدخال MN12 سيلعب نفس الدور.

2.4 تطبيق تقنية الإصلاح

ستختلف معلمات الدُفعات المختلفة من أنابيب MOS بين الرقاقات. في ظل زوايا عملية مختلفة ، سيكون سمك طبقة الأكسيد لأنبوب MOS مختلفًا أيضًا ، وسيتغير Cox المقابل أيضًا وفقًا لذلك ، مما يتسبب في تحول تيار الشحن والتفريغ ، مما يتسبب في تغيير تردد خرج المذبذب. في تصميم الدوائر المتكاملة ، تُستخدم تقنية التشذيب بشكل أساسي لتعديل شبكة المقاوم والمقاوم (أو شبكة المكثف). يمكن استخدام شبكات مقاومة مختلفة لزيادة المقاومة (أو السعة) أو تقليلها لتصميم شبكات مقاومة مختلفة (أو شبكات مكثفات). يتم تحديد تيارات الشحن والتفريغ IB1 و IB2 بشكل أساسي بواسطة Iref الحالي. و Iref = Vdd / 2R5. لذلك ، يختار هذا التصميم تقليم المقاوم R5. تظهر شبكة التشذيب في الشكل 3. في الشكل ، جميع المقاومات متساوية. في هذا التصميم ، تبلغ مقاومة المقاوم R5 45kΩ. R5 متصل على التوالي بعشرة مقاومات صغيرة بمقاومة 4.5kΩ. يمكن أن يؤدي دمج السلك بين النقطتين A و B إلى زيادة مقاومة R5 بنسبة 2.5٪ ، ويمكن أن يؤدي دمج السلك بين B و C إلى زيادة المقاومة بنسبة 1.25٪ بين A و B و B و C. مما يزيد المقاومة بنسبة 3.75٪. عيب تقنية التشذيب هذه أنه يمكنها فقط زيادة قيمة المقاومة ، ولكن ليس الصغيرة.

الشكل 3 هيكل شبكة إصلاح المقاومة

الخطوة الثالثة: تحليل نتائج المحاكاة

يمكن تنفيذ هذا التصميم على عملية CMOS 0.5 ميكرومتر من CSMC ويمكن محاكاته باستخدام أداة Specter.

3.1 تحسين الموجة المثلثية بواسطة أنبوب التحويل التكميلي

الشكل 4 هو رسم تخطيطي يوضح تحسن الموجة المثلثية بواسطة أنبوب التبديل التكميلي. يمكن أن نرى من الشكل 4 أن الأشكال الموجية لـ MP13 و MN12 في هذا التصميم ليس لها قمم واضحة عندما يتغير المنحدر ، وتختفي ظاهرة شحذ الموجة بعد إضافة الأنبوب الإضافي.

الشكل 4 الشكل الموجي المحسن لأنبوب التحويل التكميلي للموجة المثلثية

3.2 تأثير الجهد الكهربائي ودرجة الحرارة

يمكن أن نرى من الشكل 5 أن تردد المذبذب يتغير إلى 1.86٪ عندما يتغير جهد مصدر الطاقة من 3 فولت إلى 5 فولت. عندما تتغير درجة الحرارة من -40 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية ، يتغير تردد المذبذب بنسبة 1.93٪. يمكن ملاحظة أنه عندما تختلف درجة الحرارة والجهد الكهربائي بشكل كبير ، يمكن أن يظل تردد خرج المذبذب مستقرًا ، بحيث يمكن ضمان التشغيل العادي للرقاقة.

الشكل 5 تأثير الجهد ودرجة الحرارة على التردد

الخطوة 4: الخاتمة

تصمم هذه الورقة مذبذبًا يتم التحكم فيه حاليًا لمضخمات الطاقة الصوتية من الفئة D. عادة ، يمكن لهذا المذبذب إخراج إشارات موجية مربعة ومثلثة بتردد 250 كيلو هرتز. علاوة على ذلك ، يمكن أن يظل تردد خرج المذبذب مستقرًا عندما تختلف درجة الحرارة والجهد الكهربائي بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا إزالة جهد الارتفاع عن طريق إضافة ترانزستورات التحويل التكميلية. من خلال إدخال تقنية تقليم شبكة المقاوم ، يمكن الحصول على تردد خرج دقيق في وجود اختلافات في العملية. حاليًا ، تم استخدام هذا المذبذب في مكبر صوت من الفئة D.