Ontwerp van huidige oscillator gebaseer op huidige modus vir Klas D -versterkers: 6 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

In die afgelope jaar het Klas D -klankversterkers die voorkeur -oplossing geword vir draagbare klankstelsels soos MP3 en selfone vanweë hul hoë doeltreffendheid en lae kragverbruik. Die ossillator is 'n belangrike deel van die klas D -klankversterker. Die ossillator het 'n belangrike invloed op die klankgehalte van die versterker, die doeltreffendheid van die chip, elektromagnetiese steuring en ander aanwysers. Vir hierdie doel ontwerp hierdie artikel 'n stroombeheerde ossillatorbaan vir klas D-versterkers. Die module is gebaseer op die huidige modus en implementeer hoofsaaklik twee funksies: die een is om 'n driehoekige golfsein te gee waarvan die amplitude eweredig is aan die kragtoevoer; die ander is om 'n vierkantgolfsein te gee waarvan die frekwensie byna onafhanklik van die kragtoevoer spanning is, en die werkverhouding van die vierkantgolfsein is 50%.

Stap 1: Huidige modus ossillatorbeginsel

Die werkbeginsel van die ossillator is om die laai en ontlading van die kondensator deur die stroombron deur die MOS -skakelbuis te beheer om 'n driehoekige golfsein te genereer. 'N Blokdiagram van 'n konvensionele ossillator wat op huidige modus gebaseer is, word in figuur 1 getoon.

Ontwerp van die huidige modus -gebaseerde ossillator vir Klas D klankversterkers

In FIG. 1, R1, R2, R3 en R4 genereer drempelspannings VH, VL en 'n verwysingsspanning Vref deur 'n spanning van 'n kragtoevoer spanning te deel. Die verwysingspanning word dan deur 'n LDO -struktuur van versterkers OPA en MN1 gelei om 'n verwysingsstroom Iref op te wek wat eweredig is aan die voedingspanning. Daar is dus:

MP1, MP2 en MP3 in hierdie stelsel kan 'n spieëlstroombron vorm om laadstroom IB1 op te wek. Die spieëlstroombron wat bestaan uit MP1, MP2, MN2 en MN3 genereer 'n ontladingsstroom IB2. Daar word aanvaar dat MP1, MP2 en MP3 ewe breedte tot lengte verhoudings het, en MN2 en MN3 ewe breedte tot lengte verhoudings het. Dan is daar:

As die ossillator werk, tydens die laaifase t1, CLK = 1, laai die MP3 -buis die kondensator met 'n konstante stroom IB1. Daarna styg die spanning by punt A lineêr. As die spanning by punt A groter is as VH, word die spanning by die uitset van cmp1 na nul gedraai. Die logiese beheermodule bestaan hoofsaaklik uit RS-flip-flops. As die uitset van cmp1 0 is, word die uitgangsklem CLK omgekeer na 'n lae vlak, en CLK is 'n hoë vlak. Die ossillator betree die ontladingsfase t2, op watter punt die kapasitor C met 'n konstante stroom IB2 begin ontlaai, wat veroorsaak dat die spanning by punt A daal. As die spanning onder VL daal, word die uitgangsspanning van cmp2 nul. Die RS-flip-flop flip, CLK gaan hoog en CLK gaan laag, en voltooi 'n periode van lading en ontlading. Aangesien IB1 en IB2 gelyk is, is die laai- en ontladingstye van die kapasitor gelyk. Die stygende randhelling van die A-punt driehoekige golf is gelyk aan die absolute waarde van die valrand. Daarom is die CLK -sein 'n vierkantgolfsein met 'n pligverhouding van 50%.

Die uitsetfrekwensie van hierdie ossillator is onafhanklik van die voedingspanning, en die amplitude van die driehoekige golf is eweredig aan die voedingspanning.

Stap 2: Implementering van die oscillatorbaan

Die ontwerp van die ossillatorstroombaan wat in hierdie artikel ontwerp word, word in figuur 2. getoon. Die stroombaan is in drie dele verdeel: 'n drempelspanningsopwekkingskring, 'n laai- en ontlaadstroomopwekkingskring en 'n logiese beheerkring.

Ontwerp van die huidige modus -gebaseerde ossillator vir Klas D klankversterkers Figuur 2 ossillator implementeringskring

2.1 Drempel spanning opwekkingseenheid

Die drumpelspanningsopwekkende gedeelte kan bestaan uit MN1 en vier spanningsverdelende weerstande R1, R2, R3 en R4 met gelyke weerstandswaardes. Die MOS transistor MN1 word hier gebruik as 'n skakel transistor. As geen klanksein ingevoer word nie, stel die chip die CTRL -terminale laag, VH en VL is beide 0V, en die ossillator hou op om te werk om die statiese kragverbruik van die chip te verminder. As daar 'n seininvoer is, is CTRL laag, VH = 3Vdd/4, VL = Vdd/4. As gevolg van die hoë frekwensie werking van die vergelyker, as punt B en punt C direk aan die ingang van die vergelyker gekoppel is, kan elektromagnetiese interferensie aan die drumpelspanning gegenereer word deur die parasitiese kapasitansie van die MOS transistor. Daarom verbind hierdie kring punt B en punt C met die buffer. Kring simulasies toon aan dat die gebruik van buffers effektief elektromagnetiese interferensie kan isoleer en die drempelspanning kan stabiliseer.

2.2 Generasie van lading en afvoerstroom

Stroom eweredig aan die voedingspanning kan gegenereer word deur OPA, MN2 en R5. Aangesien die wins van die OPA hoog is, is die spanningsverskil tussen Vref en V5 weglaatbaar. As gevolg van die kanaalmodulasie-effek, word die strome van MP11 en MN10 beïnvloed deur die bron-dreinspanning. Daarom is die laai-ontladingsstroom van die kapasitor nie meer lineêr met die toevoerspanning nie. In hierdie ontwerp gebruik die huidige spieël kaskode-struktuur om die bron-dreinspanning van MP11 en MN10 te stabiliseer en die sensitiwiteit vir die kragtoevoer te verminder. Vanuit 'n WS -perspektief verhoog die kaskode -struktuur die uitsetweerstand van die huidige bron (laag) en verminder die fout in die uitsetstroom. MN3, MN4 en MP5 word gebruik om 'n voorspanning vir die MP12 te verskaf. MP8, MP10, MN6 kan voorspanning vir MN9 verskaf.

2.3 Afdeling Logiese Beheer

Die uitset CLK en CLK van die flip-flop is vierkantgolfseine met teenoorgestelde fases, wat gebruik kan word om die opening en sluiting van MP13, MN11 en MP14, MN12 te beheer. MP14 en MN11 dien as skakeltransistors, wat funksioneer as SW1 en SW2 in figuur 1. MN12 en MP13 dien as hulpbuise, waarvan die belangrikste funksie is om die brame van die lading- en ontladingsstroom te verminder en die skerp skietverskynsel van driehoekige golwe uit te skakel. Die skerp-skiet-verskynsel word hoofsaaklik veroorsaak deur die kanaallading-inspuiting-effek wanneer die MOS-transistor in die toestandoorgang is.

As ons aanneem dat MN12 en MP13 verwyder word, wanneer CLK oorgaan van 0 na 1, word MP14 aangeskakel na die af -toestand en word die huidige bron wat uit MP11 en MP12 bestaan, gedwing om die diep lineêre gebied onmiddellik vanuit die versadigingsgebied binne te gaan, en MP11, MP12, MP13 are Die kanaallading word binne 'n baie kort tyd getrek, wat 'n groot foutstroom veroorsaak, wat 'n skerp spanning veroorsaak by punt A. Terselfdertyd spring MN11 van die af -toestand na die aan -toestand, en die huidige lae wat bestaan uit MN10 en MN9 gaan van die diep lineêre gebied na die versadigingsgebied. Die kanaalkapasiteit van hierdie drie buise word binne 'n kort tydjie gelaai, wat ook 'n groot Burr -stroom en spykerspanning veroorsaak. Net so, as die hulppyp MN12 verwyder word, genereer die MN11, MN10 en MN9 ook 'n groot foutstroom en 'n piekspanning wanneer die CLK gespring word. Alhoewel MP13 en MP14 dieselfde breedte-tot-lengte-verhouding het, is die hekvlak teenoorgesteld, sodat MP13 en MP14 afwisselend aangeskakel word. MP13 speel twee hoofrolle in die uitskakeling van die piekspanning. Sorg eerstens dat MP11 en MP12 gedurende die hele siklus in die versadigingsgebied werk om die kontinuïteit van die stroom te verseker en die skerp skietspanning wat deur die huidige spieël veroorsaak word, te vermy. Tweedens, maak MP13 en MP14 'n aanvullende buis. Op die oomblik van die CLK -spanningsverandering word die kanaalkapasitansie van die een buis gelaai, en die kanaalkapasitansie van die ander buis word ontlaai, en die positiewe en negatiewe ladings kanselleer mekaar, waardeur die glitch -stroom aansienlik verminder word. Net so speel die bekendstelling van MN12 dieselfde rol.

2.4 Toepassing van hersteltegnologie

Die parameters van verskillende groepe MOS -buise sal wissel tussen wafels. Onder verskillende proseshoeke sal die dikte van die oksiedlaag van die MOS -buis ook anders wees, en die ooreenstemmende Cox sal ook dienooreenkomstig verander, wat veroorsaak dat die lading en ontladingsstroom verskuif, wat veroorsaak dat die uitsetfrekwensie van die ossillator verander. In die ontwerp van geïntegreerde stroombane word die snoei tegnologie hoofsaaklik gebruik om die weerstand en weerstand netwerk (of kapasitor netwerk) aan te pas. Verskillende weerstandnetwerke kan gebruik word om die weerstand (of kapasitansie) te verhoog of te verminder om verskillende weerstandnetwerke (of kapasitornetwerke) te ontwerp. Die laai- en afvoerstrome IB1 en IB2 word hoofsaaklik bepaal deur die huidige Iref. En Iref = Vdd/2R5. Daarom kies hierdie ontwerp om die weerstand R5 af te sny. Die snoeienetwerk word getoon in figuur 3. In die figuur is alle weerstande gelyk. In hierdie ontwerp is die weerstand van weerstand R5 45kΩ. R5 word in serie verbind deur tien klein weerstande met 'n weerstand van 4,5kΩ. Die samesmelting van die draad tussen die twee punte A en B kan die weerstand van R5 met 2,5%verhoog, en die samesmelting van die draad tussen B en C kan die weerstand met 1,25%verhoog, tussen A, B en B, C., wat die weerstand met 3,75%verhoog. Die nadeel van hierdie snoeitegniek is dat dit slegs die weerstandswaarde kan verhoog, maar nie die klein nie.

Figuur 3 weerstand herstel netwerk struktuur

Stap 3: Simulasie resultate analise

Hierdie ontwerp kan geïmplementeer word op CSMC se 0.5μm CMOS -proses en kan gesimuleer word met die Spectre -instrument.

3.1 Verbetering van driehoekige golf deur komplementêre skakelbuis

Figuur 4 is 'n skematiese diagram wat die verbetering van die driehoekige golf deur die komplementêre skakelbuis toon. Uit figuur 4 kan gesien word dat die golfvorme van MP13 en MN12 in hierdie ontwerp geen duidelike pieke het as die helling verander nie, en die verskuiwing van die golfvorm verdwyn nadat die hulpbuis bygevoeg is.

Figuur 4 Verbeterde golfvorm van die komplementêre skakelbuis na die driehoekige golf

3.2 Invloed van kragtoevoer spanning en temperatuur

Uit figuur 5 kan gesien word dat die frekwensie van die ossillator verander na 1,86% wanneer die kragtoevoer van 3V na 5V verander. As die temperatuur van -40 ° C tot 120 ° C verander, verander die ossillatorfrekwensie met 1,93%. Daar kan gesien word dat die uitsetfrekwensie van die ossillator stabiel kan bly, as die temperatuur en die kragtoevoer baie wissel, sodat die normale werking van die chip verseker kan word.

Figuur 5 Effek van spanning en temperatuur op frekwensie

Stap 4: Gevolgtrekking

Hierdie artikel ontwerp 'n huidige beheerde ossillator vir Klas D klankversterkers. Gewoonlik kan hierdie ossillator vierkantige en driehoekige golfseine met 'n frekwensie van 250 kHz uitvoer. Boonop kan die uitsetfrekwensie van die ossillator stabiel bly as die temperatuur en toevoerspanning baie wissel. Boonop kan die piekspanning ook verwyder word deur komplementêre skakeltransistors by te voeg. Deur die instelling van 'n weerstandsnetwerk afsny tegniek, kan 'n akkurate uitsetfrekwensie verkry word in die teenwoordigheid van prosesvariasies. Tans is hierdie ossillator gebruik in 'n Klas D -klankversterker.