कक्षा डी ऑडियो पावर एम्पलीफायरों के लिए वर्तमान मोड आधारित थरथरानवाला का डिजाइन: 6 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:18

हाल के वर्षों में, क्लास डी ऑडियो पावर एम्पलीफायर पोर्टेबल ऑडियो सिस्टम जैसे एमपी 3 और मोबाइल फोन के लिए उनकी उच्च दक्षता और कम बिजली की खपत के कारण पसंदीदा समाधान बन गए हैं। ऑसिलेटर क्लास डी ऑडियो एम्पलीफायर का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। एम्पलीफायर की ध्वनि की गुणवत्ता, चिप दक्षता, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप और अन्य संकेतकों पर थरथरानवाला का एक महत्वपूर्ण प्रभाव है। यह अंत करने के लिए, यह पेपर क्लास डी पावर एम्पलीफायरों के लिए वर्तमान-नियंत्रित ऑसीलेटर सर्किट तैयार करता है। मॉड्यूल वर्तमान मोड पर आधारित है और मुख्य रूप से दो कार्यों को लागू करता है: एक त्रिकोणीय तरंग संकेत प्रदान करना है जिसका आयाम बिजली आपूर्ति वोल्टेज के समानुपाती है; दूसरा एक वर्ग तरंग संकेत प्रदान करना है जिसकी आवृत्ति बिजली आपूर्ति वोल्टेज से लगभग स्वतंत्र है, और वर्ग तरंग संकेत का कर्तव्य अनुपात 50% है।

चरण 1: वर्तमान मोड थरथरानवाला सिद्धांत

थरथरानवाला का कार्य सिद्धांत एक त्रिकोणीय तरंग संकेत उत्पन्न करने के लिए एमओएस स्विच ट्यूब के माध्यम से वर्तमान स्रोत द्वारा संधारित्र की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग को नियंत्रित करना है। एक पारंपरिक वर्तमान मोड आधारित थरथरानवाला का एक ब्लॉक आरेख चित्र 1 में दिखाया गया है।

क्लास डी ऑडियो पावर एम्पलीफायरों के लिए वर्तमान मोड आधारित थरथरानवाला का डिजाइन

अंजीर में। 1, R1, R2, R3, और R4 बिजली आपूर्ति वोल्टेज के वोल्टेज को विभाजित करके थ्रेशोल्ड वोल्टेज VH, VL और एक संदर्भ वोल्टेज Vref उत्पन्न करते हैं। संदर्भ वोल्टेज तब एक संदर्भ वर्तमान Iref उत्पन्न करने के लिए एम्पलीफायरों OPA और MN1 की LDO संरचना के माध्यम से पारित किया जाता है जो आपूर्ति वोल्टेज के समानुपाती होता है। तो वहाँ हैं:

इस सिस्टम में MP1, MP2, और MP3 चार्जिंग करंट IB1 जेनरेट करने के लिए मिरर करंट सोर्स बना सकते हैं। MP1, MP2, MN2 और MN3 से बना मिरर करंट सोर्स एक डिस्चार्ज करंट IB2 उत्पन्न करता है। यह माना जाता है कि MP1, MP2, और MP3 की चौड़ाई और लंबाई का अनुपात समान है, और MN2 और MN3 की चौड़ाई और लंबाई का अनुपात समान है। फिर हैं:

जब थरथरानवाला काम कर रहा होता है, चार्जिंग चरण t1, CLK=1 के दौरान, MP3 ट्यूब संधारित्र को एक स्थिर धारा IB1 से चार्ज करती है। उसके बाद, बिंदु A पर वोल्टेज रैखिक रूप से बढ़ जाता है। जब बिंदु A पर वोल्टेज VH से अधिक होता है, तो cmp1 के आउटपुट पर वोल्टेज शून्य हो जाता है। तर्क नियंत्रण मॉड्यूल मुख्य रूप से आरएस फ्लिप-फ्लॉप से बना है। जब सीएमपी 1 का आउटपुट 0 होता है, तो आउटपुट टर्मिनल सीएलके निम्न स्तर पर उलटा होता है, और सीएलके उच्च स्तर पर होता है। थरथरानवाला डिस्चार्ज चरण t2 में प्रवेश करता है, जिस बिंदु पर संधारित्र C एक निरंतर वर्तमान IB2 पर निर्वहन करना शुरू कर देता है, जिससे बिंदु A पर वोल्टेज गिर जाता है। जब वोल्टेज वीएल से नीचे चला जाता है, तो सीएमपी 2 का आउटपुट वोल्टेज शून्य हो जाता है। RS फ्लिप-फ्लॉप फ़्लिप हो जाता है, CLK अधिक हो जाता है, और CLK कम हो जाता है, चार्ज और डिस्चार्ज की अवधि पूरी हो जाती है। चूँकि IB1 और IB2 बराबर हैं, संधारित्र का चार्जिंग और डिस्चार्जिंग समय बराबर है। A-बिंदु त्रिभुजाकार तरंग का राइजिंग एज स्लोप, फॉलिंग एज स्लोप के निरपेक्ष मान के बराबर होता है। इसलिए, CLK सिग्नल एक स्क्वायर वेव सिग्नल है जिसका कर्तव्य अनुपात 50% है।

इस थरथरानवाला की आउटपुट आवृत्ति आपूर्ति वोल्टेज से स्वतंत्र होती है, और त्रिकोणीय तरंग का आयाम आपूर्ति वोल्टेज के समानुपाती होता है।

चरण 2: थरथरानवाला सर्किट कार्यान्वयन

इस पेपर में डिज़ाइन किया गया ऑसिलेटर सर्किट डिज़ाइन चित्र 2 में दिखाया गया है। सर्किट को तीन भागों में विभाजित किया गया है: एक थ्रेशोल्ड वोल्टेज जनरेटिंग सर्किट, एक चार्जिंग और डिस्चार्जिंग करंट जनरेटिंग सर्किट और एक लॉजिक कंट्रोल सर्किट।

कक्षा डी ऑडियो पावर एम्पलीफायरों के लिए वर्तमान मोड आधारित ऑसीलेटर का डिज़ाइन चित्रा 2 ऑसीलेटर कार्यान्वयन सर्किट

२.१ दहलीज वोल्टेज उत्पादन इकाई

थ्रेशोल्ड वोल्टेज जनरेटिंग भाग का गठन MN1 और चार वोल्टेज डिवाइडिंग रेसिस्टर्स R1, R2, R3 और R4 द्वारा किया जा सकता है, जिसमें समान प्रतिरोध मान होते हैं। MOS ट्रांजिस्टर MN1 का उपयोग यहां स्विचिंग ट्रांजिस्टर के रूप में किया जाता है। जब कोई ऑडियो सिग्नल इनपुट नहीं होता है, तो चिप CTRL टर्मिनल को कम सेट करता है, VH और VL दोनों 0V होते हैं, और थरथरानवाला चिप की स्थिर बिजली की खपत को कम करने के लिए काम करना बंद कर देता है। जब कोई सिग्नल इनपुट होता है, तो CTRL कम होता है, VH=3Vdd/4, VL=Vdd/4। तुलनित्र के उच्च आवृत्ति संचालन के कारण, यदि बिंदु बी और बिंदु सी सीधे तुलनित्र इनपुट से जुड़े होते हैं, तो एमओएस ट्रांजिस्टर के परजीवी समाई के माध्यम से थ्रेशोल्ड वोल्टेज में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप उत्पन्न हो सकता है। इसलिए, यह सर्किट बिंदु B और बिंदु C को बफर से जोड़ता है। सर्किट सिमुलेशन से पता चलता है कि बफ़र्स का उपयोग विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को प्रभावी ढंग से अलग कर सकता है और थ्रेशोल्ड वोल्टेज को स्थिर कर सकता है।

२.२ चार्ज और डिस्चार्ज करंट का उत्पादन

आपूर्ति वोल्टेज के लिए आनुपातिक वर्तमान OPA, MN2 और R5 द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। चूंकि OPA का लाभ अधिक है, Vref और V5 के बीच वोल्टेज अंतर नगण्य है। चैनल मॉड्यूलेशन प्रभाव के कारण, MP11 और MN10 की धाराएँ स्रोत-नाली वोल्टेज से प्रभावित होती हैं। इसलिए, संधारित्र का चार्ज-डिस्चार्ज करंट अब आपूर्ति वोल्टेज के साथ रैखिक नहीं है। इस डिजाइन में, वर्तमान दर्पण MP11 और MN10 के स्रोत-नाली वोल्टेज को स्थिर करने और बिजली आपूर्ति वोल्टेज की संवेदनशीलता को कम करने के लिए कैस्कोड संरचना का उपयोग करता है। एसी के दृष्टिकोण से, कैसकोड संरचना वर्तमान स्रोत (परत) के आउटपुट प्रतिरोध को बढ़ाती है और आउटपुट करंट में त्रुटि को कम करती है। MP12 के लिए पूर्वाग्रह वोल्टेज प्रदान करने के लिए MN3, MN4, और MP5 का उपयोग किया जाता है। MP8, MP10, MN6, MN9 के लिए बायस वोल्टेज प्रदान कर सकते हैं।

२.३ तर्क नियंत्रण अनुभाग

फ्लिप-फ्लॉप के आउटपुट सीएलके और सीएलके विपरीत चरणों के साथ स्क्वायर वेव सिग्नल हैं, जिनका उपयोग एमपी 13, एमएन 11 और एमपी 14, एमएन 12 के उद्घाटन और समापन को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। MP14 और MN11 स्विचिंग ट्रांजिस्टर के रूप में कार्य करते हैं, जो चित्र 1 में SW1 और SW2 के रूप में कार्य करते हैं। MN12 और MP13 सहायक ट्यूबों के रूप में कार्य करते हैं, जिनका मुख्य कार्य चार्ज और डिस्चार्ज करंट की गड़गड़ाहट को कम करना और त्रिकोणीय तरंगों की तेज-शूटिंग घटना को समाप्त करना है।. शार्प-शूट घटना मुख्य रूप से चैनल चार्ज इंजेक्शन प्रभाव के कारण होती है जब एमओएस ट्रांजिस्टर राज्य संक्रमण में होता है।

यह मानते हुए कि MN12 और MP13 को हटा दिया जाता है, जब CLK 0 से 1 तक संक्रमण करता है, MP14 को ऑफ स्टेट में चालू किया जाता है, और MP11 और MP12 से बना वर्तमान स्रोत संतृप्ति क्षेत्र से गहरे रैखिक क्षेत्र में तुरंत प्रवेश करने के लिए मजबूर होता है, और MP11, MP12, MP13 हैं चैनल चार्ज बहुत कम समय में निकाला जाता है, जो एक बड़ी गड़बड़ करंट का कारण बनता है, जिससे बिंदु A पर स्पाइक वोल्टेज होता है। उसी समय, MN11 ऑफ स्टेट से ऑन स्टेट में कूद जाता है, और MN10 और MN9 से बनी वर्तमान परतें गहरे रैखिक क्षेत्र से संतृप्ति क्षेत्र तक जाती हैं। इन तीनों ट्यूबों के चैनल कैपेसिटेंस को कम समय में चार्ज किया जाता है, जिससे एक बड़ा बूर करंट और स्पाइक वोल्टेज भी होता है। इसी तरह, यदि सहायक पाइप MN12 को हटा दिया जाता है, तो MN11, MN10, और MN9 भी एक बड़ी गड़बड़ धारा और एक स्पाइक वोल्टेज उत्पन्न करते हैं जब CLK को काट दिया जाता है। हालाँकि MP13 और MP14 की चौड़ाई-से-लंबाई का अनुपात समान है, गेट स्तर विपरीत है, इसलिए MP13 और MP14 को बारी-बारी से चालू किया जाता है। MP13 स्पाइक वोल्टेज को खत्म करने में दो मुख्य भूमिका निभाता है। सबसे पहले, सुनिश्चित करें कि MP11 और MP12 पूरे चक्र के दौरान संतृप्ति क्षेत्र में काम करते हैं ताकि करंट की निरंतरता सुनिश्चित हो सके और करंट मिरर के कारण होने वाले शार्प-शूटिंग वोल्टेज से बचा जा सके। दूसरा, MP13 और MP14 को एक पूरक ट्यूब बनाएं। इस प्रकार, सीएलके वोल्टेज परिवर्तन के समय, एक ट्यूब के चैनल कैपेसिटेंस को चार्ज किया जाता है, और दूसरी ट्यूब के चैनल कैपेसिटेंस को छुट्टी दे दी जाती है, और सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिससे ग्लिच करंट कम हो जाता है। इसी तरह, MN12 की शुरूआत भी यही भूमिका निभाएगी।

२.४ मरम्मत प्रौद्योगिकी का अनुप्रयोग

एमओएस ट्यूबों के विभिन्न बैचों के पैरामीटर वेफर्स के बीच अलग-अलग होंगे। विभिन्न प्रक्रिया कोणों के तहत, एमओएस ट्यूब की ऑक्साइड परत की मोटाई भी अलग-अलग होगी, और संबंधित कॉक्स भी तदनुसार बदल जाएगा, जिससे चार्ज और डिस्चार्ज करंट शिफ्ट हो जाएगा, जिससे ऑसिलेटर की आउटपुट फ्रीक्वेंसी बदल जाएगी। एकीकृत सर्किट डिजाइन में, ट्रिमिंग तकनीक का उपयोग मुख्य रूप से रोकनेवाला और रोकनेवाला नेटवर्क (या संधारित्र नेटवर्क) को संशोधित करने के लिए किया जाता है। विभिन्न प्रतिरोधी नेटवर्क (या कैपेसिटर नेटवर्क) को डिजाइन करने के लिए प्रतिरोध (या कैपेसिटेंस) को बढ़ाने या घटाने के लिए विभिन्न प्रतिरोधी नेटवर्क का उपयोग किया जा सकता है। चार्ज और डिस्चार्ज धाराएं IB1 और IB2 मुख्य रूप से वर्तमान Iref द्वारा निर्धारित की जाती हैं। और Iref=Vdd/2R5. इसलिए, यह डिज़ाइन रोकनेवाला R5 को ट्रिम करना चुनता है। ट्रिमिंग नेटवर्क चित्र 3 में दिखाया गया है। आकृति में, सभी प्रतिरोधक समान हैं। इस डिज़ाइन में, रोकनेवाला R5 का प्रतिरोध 45kΩ है। R5 4.5kΩ के प्रतिरोध के साथ दस छोटे प्रतिरोधों द्वारा श्रृंखला में जुड़ा हुआ है। दो बिंदुओं ए और बी के बीच तार को फ्यूज करने से आर 5 के प्रतिरोध में 2.5% की वृद्धि हो सकती है, और बी और सी के बीच तार को फ्यूज करने से ए, बी और बी, सी के बीच प्रतिरोध में 1.25% की वृद्धि हो सकती है। फ़्यूज़ सभी उड़ाए जाते हैं, जो प्रतिरोध को 3.75% बढ़ा देता है। इस ट्रिमिंग तकनीक का नुकसान यह है कि यह केवल प्रतिरोध मान को बढ़ा सकता है, लेकिन छोटा नहीं।

चित्रा 3 प्रतिरोध मरम्मत नेटवर्क संरचना

चरण 3: सिमुलेशन परिणाम विश्लेषण

यह डिज़ाइन CSMC की 0.5μm CMOS प्रक्रिया पर लागू किया जा सकता है और इसे स्पेक्टर टूल के साथ सिम्युलेटेड किया जा सकता है।

३.१ पूरक स्विचिंग ट्यूब द्वारा त्रिकोणीय तरंग का सुधार

चित्रा 4 पूरक स्विच ट्यूब द्वारा त्रिकोणीय तरंग के सुधार को दर्शाने वाला एक योजनाबद्ध आरेख है। यह अंजीर। 4 से देखा जा सकता है कि इस डिजाइन में MP13 और MN12 की तरंगों में ढलान बदलने पर कोई स्पष्ट चोटियां नहीं होती हैं, और सहायक ट्यूब को जोड़ने के बाद तरंग तेज करने की घटना गायब हो जाती है।

चित्रा 4 त्रिकोणीय तरंग के लिए पूरक स्विचिंग ट्यूब की बेहतर तरंग

३.२ बिजली आपूर्ति वोल्टेज और तापमान का प्रभाव

यह चित्र 5 से देखा जा सकता है कि बिजली आपूर्ति वोल्टेज 3V से 5V में बदलने पर थरथरानवाला की आवृत्ति 1.86% में बदल जाती है। जब तापमान -40°C से 120°C तक बदलता है, तो थरथरानवाला आवृत्ति 1.93% बदल जाती है। यह देखा जा सकता है कि जब तापमान और बिजली आपूर्ति वोल्टेज व्यापक रूप से भिन्न होता है, तो थरथरानवाला की आउटपुट आवृत्ति स्थिर रह सकती है, ताकि चिप के सामान्य संचालन को सुनिश्चित किया जा सके।

चित्रा 5 आवृत्ति पर वोल्टेज और तापमान का प्रभाव

चरण 4: निष्कर्ष

यह पेपर क्लास डी ऑडियो पावर एम्पलीफायरों के लिए एक वर्तमान नियंत्रित थरथरानवाला डिजाइन करता है। आमतौर पर, यह थरथरानवाला 250 kHz की आवृत्ति के साथ वर्ग और त्रिकोणीय तरंग संकेतों को आउटपुट कर सकता है। इसके अलावा, जब तापमान और आपूर्ति वोल्टेज व्यापक रूप से भिन्न होते हैं, तो थरथरानवाला की आउटपुट आवृत्ति स्थिर रह सकती है। इसके अलावा, पूरक स्विचिंग ट्रांजिस्टर जोड़कर स्पाइक वोल्टेज को भी हटाया जा सकता है। एक रोकनेवाला नेटवर्क ट्रिमिंग तकनीक शुरू करके, प्रक्रिया भिन्नताओं की उपस्थिति में एक सटीक आउटपुट आवृत्ति प्राप्त की जा सकती है। वर्तमान में, इस थरथरानवाला का उपयोग क्लास डी ऑडियो एम्पलीफायर में किया गया है।