Конструкция генератора на основе токового режима для усилителей мощности звука класса D: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

В последние годы усилители мощности звука класса D стали предпочтительным решением для портативных аудиосистем, таких как MP3 и мобильных телефонов, из-за их высокой эффективности и низкого энергопотребления. Генератор - важная часть аудиоусилителя класса D. Генератор оказывает важное влияние на качество звука усилителя, эффективность микросхемы, электромагнитные помехи и другие показатели. С этой целью в данной статье разрабатывается схема генератора с регулируемым током для усилителей мощности класса D. Модуль основан на токовом режиме и в основном выполняет две функции: первая - выдает сигнал треугольной формы, амплитуда которого пропорциональна напряжению источника питания; другой - обеспечить прямоугольный сигнал, частота которого почти не зависит от напряжения источника питания, а коэффициент заполнения прямоугольного сигнала составляет 50%.

Шаг 1: Принцип работы генератора текущего режима

Принцип работы генератора заключается в управлении зарядкой и разрядкой конденсатора источником тока через трубку MOS-переключателя для генерации сигнала треугольной формы. Блок-схема обычного генератора на основе режима тока показана на рисунке 1.

Конструкция генератора на основе токового режима для усилителей мощности звука класса D

На фиг. 1, R1, R2, R3 и R4 генерируют пороговые напряжения VH, VL и опорное напряжение Vref путем деления напряжения на напряжение источника питания. Затем опорное напряжение проходит через структуру LDO усилителей OPA и MN1, чтобы генерировать опорный ток Iref, пропорциональный напряжению питания. Итак, есть:

MP1, MP2 и MP3 в этой системе могут образовывать зеркальный источник тока для генерации зарядного тока IB1. Источник тока зеркала, состоящий из MP1, MP2, MN2 и MN3, генерирует разрядный ток IB2. Предполагается, что MP1, MP2 и MP3 имеют равные отношения ширины к длине, а MN2 и MN3 имеют равные отношения ширины к длине. Тогда есть:

Когда генератор работает, во время фазы зарядки t1, CLK = 1, трубка MP3 заряжает конденсатор постоянным током IB1. После этого напряжение в точке А линейно возрастает. Когда напряжение в точке A больше VH, напряжение на выходе cmp1 обращается в ноль. Модуль логического управления в основном состоит из триггеров RS. Когда выходной сигнал cmp1 равен 0, выходной контакт CLK инвертируется на низкий уровень, а CLK - на высокий уровень. Генератор входит в фазу разряда t2, в этот момент конденсатор C начинает разряжаться при постоянном токе IB2, вызывая падение напряжения в точке A. Когда напряжение падает ниже VL, выходное напряжение cmp2 становится нулевым. Триггер RS переключается, CLK становится высоким, а CLK понижается, завершая период заряда и разряда. Поскольку IB1 и IB2 равны, время зарядки и разрядки конденсатора одинаково. Наклон нарастающего фронта треугольной волны с точкой A равен абсолютному значению наклона спадающего фронта. Следовательно, сигнал CLK представляет собой прямоугольный сигнал с коэффициентом заполнения 50%.

Выходная частота этого генератора не зависит от напряжения питания, а амплитуда треугольной волны пропорциональна напряжению питания.

Шаг 2: реализация схемы осциллятора

Схема генератора, разработанная в этой статье, показана на рисунке 2. Схема разделена на три части: схему генерирования порогового напряжения, схему генерирования тока зарядки и разрядки и схему логического управления.

Конструкция осциллятора на основе режима тока для усилителей мощности звука класса D Рисунок 2 Схема реализации осциллятора

2.1 Блок генерации порогового напряжения

Блок генерирования порогового напряжения может состоять из MN1 и четырех резисторов R1, R2, R3 и R4 деления напряжения, имеющих равные значения сопротивления. МОП-транзистор MN1 здесь используется как переключающий транзистор. Когда аудиосигнал не поступает, микросхема устанавливает на клемме CTRL низкий уровень, VH и VL оба равны 0 В, и генератор перестает работать, чтобы снизить статическое энергопотребление микросхемы. Когда есть входной сигнал, CTRL низкий, VH = 3Vdd / 4, VL = Vdd / 4. Из-за высокочастотной работы компаратора, если точка B и точка C напрямую подключены к входу компаратора, могут возникнуть электромагнитные помехи для порогового напряжения через паразитную емкость MOS-транзистора. Следовательно, эта схема соединяет точку B и точку C с буфером. Моделирование схем показывает, что использование буферов может эффективно изолировать электромагнитные помехи и стабилизировать пороговое напряжение.

2.2 Генерация тока заряда и разряда

Ток, пропорциональный напряжению питания, может генерироваться OPA, MN2 и R5. Поскольку усиление OPA велико, разница напряжений между Vref и V5 незначительна. Из-за эффекта модуляции канала на токи MP11 и MN10 влияет напряжение исток-сток. Следовательно, ток заряда-разряда конденсатора больше не зависит от напряжения питания. В этой конструкции токовое зеркало использует каскодную структуру для стабилизации напряжения исток-сток MP11 и MN10 и снижения чувствительности к напряжению источника питания. С точки зрения переменного тока структура каскода увеличивает выходное сопротивление источника (слоя) тока и уменьшает ошибку в выходном токе. MN3, MN4 и MP5 используются для обеспечения напряжения смещения для MP12. MP8, MP10, MN6 могут обеспечивать напряжение смещения для MN9.

2.3 Секция логического управления

Выходные сигналы CLK и CLK триггера представляют собой прямоугольные сигналы с противоположными фазами, которые можно использовать для управления открытием и закрытием MP13, MN11 и MP14, MN12. MP14 и MN11 действуют как переключающие транзисторы, которые на Рисунке 1 функционируют как SW1 и SW2. MN12 и MP13 действуют как вспомогательные трубки, основная функция которых заключается в уменьшении заусенцев тока заряда и разряда и устранении явления резкости треугольных волн.. Явление резкого выброса в основном вызвано эффектом инжекции заряда в канал, когда МОП-транзистор находится в переходном состоянии.

Предполагая, что MN12 и MP13 удалены, когда CLK переходит с 0 на 1, MP14 включается в выключенное состояние, а источник тока, состоящий из MP11 и MP12, вынужден мгновенно входить в глубокую линейную область из области насыщения, а MP11, MP12, MP13 являются Заряд канала снимается за очень короткое время, что вызывает большой выброс тока, вызывающий скачок напряжения в точке A. В то же время MN11 переходит из выключенного состояния во включенное состояние, и Текущие слои, состоящие из MN10 и MN9, переходят из глубокой линейной области в область насыщения. Емкость канала этих трех трубок заряжается за короткое время, что также вызывает большой ток заусенцев и всплески напряжения. Точно так же, если вспомогательная труба MN12 удалена, MN11, MN10 и MN9 также генерируют большой импульсный ток и всплеск напряжения при скачкообразном изменении CLK. Хотя MP13 и MP14 имеют одинаковое отношение ширины к длине, уровень затвора противоположный, поэтому MP13 и MP14 включаются попеременно. MP13 играет две основные роли в устранении скачков напряжения. Во-первых, убедитесь, что MP11 и MP12 работают в области насыщения в течение всего цикла, чтобы обеспечить непрерывность тока и избежать резкого напряжения, вызванного токовым зеркалом. Во-вторых, сделайте MP13 и MP14 дополнительной трубкой. Таким образом, в момент изменения напряжения CLK емкость канала одной трубки заряжается, а емкость канала другой трубки разряжается, а положительный и отрицательный заряды нейтрализуют друг друга, тем самым значительно уменьшая ток сбоя. Точно так же введение MN12 сыграет ту же роль.

2.4 Применение ремонтной техники

Параметры разных партий МОП-трубок будут различаться для разных пластин. Под разными углами процесса толщина оксидного слоя МОП-трубки также будет разной, и соответствующий Cox также будет соответствующим образом изменяться, вызывая смещение тока заряда и разряда, вызывая изменение выходной частоты генератора. При проектировании интегральных схем технология подстройки в основном используется для модификации резистора и цепи резисторов (или сети конденсаторов). Различные схемы резисторов могут использоваться для увеличения или уменьшения сопротивления (или емкости) для разработки различных схем резисторов (или сетей конденсаторов). Токи заряда и разряда IB1 и IB2 в основном определяются током Iref. И Iref = Vdd / 2R5. Поэтому в этой конструкции выбирается подстроечный резистор R5. Схема подстройки показана на рисунке 3. На рисунке все резисторы равны. В этой конструкции сопротивление резистора R5 составляет 45 кОм. R5 соединен последовательно десятью небольшими резисторами с сопротивлением 4,5 кОм. Плавление провода между двумя точками A и B может увеличить сопротивление R5 на 2,5%, а плавление провода между B и C может увеличить сопротивление на 1,25%, между A, B и B, C. Все предохранители перегорели., что увеличивает сопротивление на 3,75%. Недостатком этой техники обрезки является то, что она может только увеличить значение сопротивления, но не маленькое.

Рисунок 3 Структура сети ремонта сопротивления

Шаг 3: Анализ результатов моделирования

Эта конструкция может быть реализована на основе КМОП-процесса CSMC 0,5 мкм и может быть смоделирована с помощью инструмента Spectre.

3.1 Улучшение треугольной волны дополнительной коммутационной трубкой

Фиг. 4 - схематическая диаграмма, показывающая улучшение треугольной волны дополнительной переключающей трубкой. Из рисунка 4 видно, что формы сигналов MP13 и MN12 в этой конструкции не имеют явных пиков при изменении наклона, а явление резкости формы сигнала исчезает после добавления вспомогательной лампы.

Рисунок 4 Улучшенная форма волны дополнительной коммутирующей трубки к треугольной волне.

3.2 Влияние напряжения и температуры источника питания

Из рисунка 5 видно, что частота генератора изменяется до 1,86% при изменении напряжения источника питания с 3В до 5В. При изменении температуры от -40 ° C до 120 ° C частота генератора изменяется на 1,93%. Видно, что при значительном изменении температуры и напряжения источника питания выходная частота генератора может оставаться стабильной, так что может быть обеспечена нормальная работа микросхемы.

Рисунок 5 Влияние напряжения и температуры на частоту

Шаг 4: Заключение

В этой статье разрабатывается генератор с регулируемым током для усилителей мощности звука класса D. Обычно этот генератор может выводить сигналы прямоугольной и треугольной формы с частотой 250 кГц. Более того, выходная частота генератора может оставаться стабильной при значительном изменении температуры и напряжения питания. Кроме того, всплески напряжения также можно удалить, добавив дополнительные переключающие транзисторы. Путем применения метода подстройки цепи резисторов можно получить точную выходную частоту при наличии изменений процесса. В настоящее время этот генератор используется в аудиоусилителе класса D.