Progettazione dell'oscillatore basato sulla modalità corrente per amplificatori di potenza audio di classe D: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Negli ultimi anni, gli amplificatori di potenza audio di classe D sono diventati la soluzione preferita per i sistemi audio portatili come MP3 e telefoni cellulari grazie alla loro elevata efficienza e al basso consumo energetico. L'oscillatore è una parte importante dell'amplificatore audio di classe D. L'oscillatore ha un'influenza importante sulla qualità del suono dell'amplificatore, sull'efficienza del chip, sull'interferenza elettromagnetica e su altri indicatori. A tal fine, questo documento progetta un circuito oscillatore controllato in corrente per amplificatori di potenza di classe D. Il modulo si basa sulla modalità corrente e svolge principalmente due funzioni: una è quella di fornire un segnale ad onda triangolare la cui ampiezza è proporzionale alla tensione di alimentazione; l'altro è quello di fornire un segnale ad onda quadra la cui frequenza è quasi indipendente dalla tensione di alimentazione, e il rapporto di lavoro del segnale ad onda quadra è del 50%.

Passaggio 1: Principio dell'oscillatore in modalità corrente

Il principio di funzionamento dell'oscillatore consiste nel controllare la carica e la scarica del condensatore da parte della sorgente di corrente attraverso il tubo dell'interruttore MOS per generare un segnale d'onda triangolare. Uno schema a blocchi di un oscillatore convenzionale basato sulla modalità corrente è mostrato nella Figura 1.

Progettazione dell'oscillatore basato sulla modalità corrente per amplificatori di potenza audio di classe D

Nella FIG. 1, R1, R2, R3, e R4 generano tensioni di soglia VH, VL e una tensione di riferimento Vref dividendo una tensione di una tensione di alimentazione. La tensione di riferimento viene poi fatta passare attraverso una struttura LDO di amplificatori OPA e MN1 per generare una corrente di riferimento Iref proporzionale alla tensione di alimentazione. Quindi ci sono:

MP1, MP2 e MP3 in questo sistema possono formare una sorgente di corrente speculare per generare la corrente di carica IB1. La sorgente di corrente speculare composta da MP1, MP2, MN2 e MN3 genera una corrente di scarica IB2. Si presume che MP1, MP2 e MP3 abbiano rapporti larghezza/lunghezza uguali e MN2 e MN3 abbiano rapporti larghezza/lunghezza uguali. Poi ci sono:

Quando l'oscillatore è in funzione, durante la fase di carica t1, CLK=1, il tubo MP3 carica il condensatore con una corrente costante IB1. Successivamente, la tensione nel punto A aumenta linearmente. Quando la tensione nel punto A è maggiore di VH, la tensione all'uscita di cmp1 viene portata a zero. Il modulo di controllo logico è composto principalmente da flip-flop RS. Quando l'uscita di cmp1 è 0, il terminale di uscita CLK è invertito a un livello basso e CLK è a un livello alto. L'oscillatore entra nella fase di scarica t2, a quel punto il condensatore C inizia a scaricarsi a corrente costante IB2, facendo scendere la tensione nel punto A. Quando la tensione scende al di sotto di VL, la tensione di uscita di cmp2 diventa zero. Il flip-flop RS si capovolge, CLK va alto e CLK va basso, completando un periodo di carica e scarica. Poiché IB1 e IB2 sono uguali, i tempi di carica e scarica del condensatore sono uguali. La pendenza del fronte di salita dell'onda triangolare del punto A è uguale al valore assoluto della pendenza del fronte di discesa. Pertanto, il segnale CLK è un segnale ad onda quadra con un rapporto di lavoro del 50%.

La frequenza di uscita di questo oscillatore è indipendente dalla tensione di alimentazione e l'ampiezza dell'onda triangolare è proporzionale alla tensione di alimentazione.

Passaggio 2: implementazione del circuito dell'oscillatore

Il progetto del circuito dell'oscillatore progettato in questo documento è mostrato nella Figura 2. Il circuito è diviso in tre parti: un circuito generatore di tensione di soglia, un circuito generatore di corrente di carica e scarica e un circuito di controllo logico.

Progettazione dell'oscillatore basato sulla modalità corrente per amplificatori di potenza audio di classe D Figura 2 circuito di implementazione dell'oscillatore

2.1 Unità di generazione della tensione di soglia

La porzione di generazione della tensione di soglia può essere costituita da MN1 e da quattro resistori divisori di tensione R1, R2, R3 e R4 aventi uguali valori di resistenza. Il transistor MOS MN1 è qui utilizzato come transistor di commutazione. Quando non viene immesso alcun segnale audio, il chip imposta il terminale CTRL in basso, VH e VL sono entrambi 0V e l'oscillatore smette di funzionare per ridurre il consumo di energia statica del chip. Quando c'è un segnale in ingresso, CTRL è basso, VH=3Vdd/4, VL=Vdd/4. A causa del funzionamento ad alta frequenza del comparatore, se il punto B e il punto C sono collegati direttamente all'ingresso del comparatore, possono essere generate interferenze elettromagnetiche alla tensione di soglia attraverso la capacità parassita del transistore MOS. Pertanto, questo circuito collega il punto B e il punto C al buffer. Le simulazioni circuitali mostrano che l'uso di buffer può isolare efficacemente le interferenze elettromagnetiche e stabilizzare la tensione di soglia.

2.2 Generazione di corrente di carica e scarica

La corrente proporzionale alla tensione di alimentazione può essere generata da OPA, MN2 e R5. Poiché il guadagno dell'OPA è elevato, la differenza di tensione tra Vref e V5 è trascurabile. A causa dell'effetto di modulazione del canale, le correnti di MP11 e MN10 sono influenzate dalla tensione source-drain. Pertanto, la corrente di carica-scarica del condensatore non è più lineare con la tensione di alimentazione. In questo progetto, lo specchio di corrente utilizza la struttura cascode per stabilizzare la tensione source-drain di MP11 e MN10 e ridurre la sensibilità alla tensione di alimentazione. Dal punto di vista della corrente alternata, la struttura cascode aumenta la resistenza di uscita della sorgente di corrente (strato) e riduce l'errore nella corrente di uscita. MN3, MN4 e MP5 vengono utilizzati per fornire una tensione di polarizzazione per l'MP12. MP8, MP10, MN6 possono fornire la tensione di polarizzazione per MN9.

2.3 Sezione Controllo Logico

Le uscite CLK e CLK del flip-flop sono segnali ad onda quadra con fasi opposte, utilizzabili per comandare l'apertura e la chiusura di MP13, MN11 e MP14, MN12. MP14 e MN11 fungono da transistor di commutazione, che funzionano come SW1 e SW2 in Figura 1. MN12 e MP13 fungono da tubi ausiliari, la cui funzione principale è quella di ridurre le sbavature della corrente di carica e scarica ed eliminare il fenomeno del tiro acuto delle onde triangolari. Il fenomeno del tiro acuto è causato principalmente dall'effetto di iniezione di carica del canale quando il transistor MOS è nella transizione di stato.

Supponendo che MN12 e MP13 vengano rimossi, quando CLK passa da 0 a 1, MP14 viene acceso allo stato spento e la sorgente corrente composta da MP11 e MP12 è forzata a entrare istantaneamente nella regione lineare profonda dalla regione di saturazione, e MP11, MP12, MP13 sono La carica del canale viene estratta in un tempo molto breve, il che provoca una grande corrente di glitch, causando un picco di tensione nel punto A. Allo stesso tempo, MN11 passa dallo stato off allo stato on e il gli strati attuali composti da MN10 e MN9 vanno dalla regione lineare profonda alla regione di saturazione. La capacità del canale di questi tre tubi viene caricata in breve tempo, il che provoca anche una grande corrente di Burr e una tensione di picco. Allo stesso modo, se il tubo ausiliario MN12 viene rimosso, anche MN11, MN10 e MN9 generano una grande corrente di glitch e una tensione di picco quando il CLK è saltato. Sebbene MP13 e MP14 abbiano lo stesso rapporto larghezza-lunghezza, il livello del gate è opposto, quindi MP13 e MP14 vengono attivati alternativamente. MP13 svolge due ruoli principali nell'eliminazione della tensione di picco. Innanzitutto, assicurati che MP11 e MP12 lavorino nella regione di saturazione durante l'intero ciclo per garantire la continuità della corrente ed evitare la tensione acuminata causata dallo specchio di corrente. Secondo, fai in modo che MP13 e MP14 formino un tubo complementare. Pertanto, al momento della variazione di tensione CLK, la capacità del canale di un tubo viene caricata e la capacità del canale dell'altro tubo viene scaricata e le cariche positive e negative si annullano a vicenda, riducendo così notevolmente la corrente glitch. Allo stesso modo, l'introduzione di MN12 giocherà lo stesso ruolo.

2.4 Applicazione della tecnologia di riparazione

I parametri di diversi lotti di tubi MOS varieranno tra i wafer. Sotto diversi angoli di processo, anche lo spessore dello strato di ossido del tubo MOS sarà diverso e anche il Cox corrispondente cambierà di conseguenza, causando lo spostamento della corrente di carica e scarica, causando la variazione della frequenza di uscita dell'oscillatore. Nella progettazione di circuiti integrati, la tecnologia di trimming viene utilizzata principalmente per modificare la rete di resistori e resistori (o rete di condensatori). È possibile utilizzare diverse reti di resistori per aumentare o diminuire la resistenza (o capacità) per progettare diverse reti di resistori (o reti di condensatori). Le correnti di carica e scarica IB1 e IB2 sono determinate principalmente dalla corrente Irif. E Iref=Vdd/2R5. Pertanto, questo progetto sceglie di tagliare il resistore R5. La rete di taglio è mostrata in Figura 3. Nella figura, tutti i resistori sono uguali. In questo progetto, la resistenza del resistore R5 è 45 kΩ. R5 è collegato in serie da dieci piccoli resistori con una resistenza di 4,5 kΩ. La fusione del filo tra i due punti A e B può aumentare la resistenza di R5 del 2,5% e la fusione del filo tra B e C può aumentare la resistenza dell'1,25%, tra A, B e B, C. I fusibili sono tutti bruciati, che aumenta la resistenza del 3,75%. Lo svantaggio di questa tecnica di trimming è che può solo aumentare il valore di resistenza, ma non quello piccolo.

Figura 3 struttura della rete di riparazione della resistenza

Passaggio 3: analisi dei risultati della simulazione

Questo design può essere implementato sul processo CMOS da 0,5 μm di CSMC e può essere simulato con lo strumento Spectre.

3.1 Miglioramento dell'onda triangolare mediante tubo di commutazione complementare

La figura 4 è un diagramma schematico che mostra il miglioramento dell'onda triangolare da parte del tubo interruttore complementare. Si può vedere dalla Fig. 4 che le forme d'onda di MP13 e MN12 in questo progetto non hanno picchi evidenti quando cambia la pendenza e il fenomeno dell'affilatura della forma d'onda scompare dopo l'aggiunta del tubo ausiliario.

Figura 4 Forma d'onda migliorata del tubo di commutazione complementare all'onda triangolare

3.2 Influenza della tensione di alimentazione e della temperatura

Si può vedere dalla Figura 5 che la frequenza dell'oscillatore cambia all'1,86% quando la tensione di alimentazione passa da 3V a 5V. Quando la temperatura cambia da -40°C a 120°C, la frequenza dell'oscillatore cambia dell'1,93%. Si può notare che quando la temperatura e la tensione di alimentazione variano ampiamente, la frequenza di uscita dell'oscillatore può rimanere stabile, in modo da garantire il normale funzionamento del chip.

Figura 5 Effetto della tensione e della temperatura sulla frequenza

Passaggio 4: conclusione

Questo documento progetta un oscillatore controllato in corrente per amplificatori di potenza audio di classe D. Tipicamente, questo oscillatore può emettere segnali ad onda quadra e triangolare con una frequenza di 250 kHz. Inoltre, la frequenza di uscita dell'oscillatore può rimanere stabile quando la temperatura e la tensione di alimentazione variano ampiamente. Inoltre, la tensione di picco può anche essere rimossa aggiungendo transistor di commutazione complementari. Introducendo una tecnica di trimming della rete di resistori, è possibile ottenere una frequenza di uscita accurata in presenza di variazioni di processo. Attualmente, questo oscillatore è stato utilizzato in un amplificatore audio di classe D.