Desain Osilator Berbasis Mode Saat Ini untuk Penguat Daya Audio Kelas D: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Dalam beberapa tahun terakhir, amplifier daya audio Kelas D telah menjadi solusi pilihan untuk sistem audio portabel seperti MP3 dan ponsel karena efisiensinya yang tinggi dan konsumsi daya yang rendah. Osilator adalah bagian penting dari penguat audio kelas D. Osilator memiliki pengaruh penting pada kualitas suara amplifier, efisiensi chip, interferensi elektromagnetik, dan indikator lainnya. Untuk itu, makalah ini merancang rangkaian osilator yang dikendalikan arus untuk power amplifier kelas D. Modul ini didasarkan pada mode saat ini dan terutama mengimplementasikan dua fungsi: satu adalah untuk menyediakan sinyal gelombang segitiga yang amplitudonya sebanding dengan tegangan catu daya; yang lainnya adalah untuk memberikan sinyal gelombang persegi yang frekuensinya hampir tidak tergantung pada tegangan catu daya, dan rasio tugas sinyal gelombang persegi adalah 50%.

Langkah 1: Prinsip Osilator Mode Saat Ini

Prinsip kerja osilator adalah mengontrol pengisian dan pengosongan kapasitor oleh sumber arus melalui tabung sakelar MOS untuk menghasilkan sinyal gelombang segitiga. Diagram blok osilator berbasis mode arus konvensional ditunjukkan pada Gambar 1.

Desain Osilator Berbasis Mode Saat Ini untuk Penguat Daya Audio Kelas D

Dalam Gambar. 1, R1, R2, R3, dan R4 menghasilkan tegangan ambang VH, VL dan tegangan referensi Vref dengan membagi tegangan dari tegangan catu daya. Tegangan referensi kemudian dilewatkan melalui struktur LDO amplifier OPA dan MN1 untuk menghasilkan arus referensi Iref yang sebanding dengan tegangan suplai. Jadi ada:

MP1, MP2, dan MP3 dalam sistem ini dapat membentuk sumber arus cermin untuk menghasilkan arus pengisian IB1. Sumber arus cermin yang terdiri dari MP1, MP2, MN2, dan MN3 menghasilkan arus pelepasan IB2. Diasumsikan bahwa MP1, MP2, dan MP3 memiliki rasio lebar terhadap panjang yang sama, dan MN2 dan MN3 memiliki rasio lebar terhadap panjang yang sama. Lalu ada:

Ketika osilator bekerja, selama fase pengisian t1, CLK=1, tabung MP3 mengisi kapasitor dengan arus konstan IB1. Setelah itu, tegangan di titik A naik secara linier. Ketika tegangan pada titik A lebih besar dari VH, tegangan pada keluaran cmp1 berubah menjadi nol. Modul kontrol logika terutama terdiri dari RS flip-flop. Ketika output cmp1 adalah 0, terminal output CLK terbalik ke level rendah, dan CLK level tinggi. Osilator memasuki fase pelepasan t2, di mana titik kapasitor C mulai melepaskan pada arus konstan IB2, menyebabkan tegangan pada titik A turun. Ketika tegangan turun di bawah VL, tegangan keluaran cmp2 menjadi nol. Flip-flop RS membalik, CLK menjadi tinggi, dan CLK menjadi rendah, menyelesaikan periode pengisian dan pengosongan. Karena IB1 dan IB2 sama, waktu pengisian dan pengosongan kapasitor adalah sama. Kemiringan tepi naik dari gelombang segitiga titik-A sama dengan nilai absolut dari kemiringan tepi jatuh. Oleh karena itu, sinyal CLK merupakan sinyal gelombang persegi dengan duty ratio 50%.

Frekuensi keluaran osilator ini tidak tergantung pada tegangan suplai, dan amplitudo gelombang segitiga sebanding dengan tegangan suplai.

Langkah 2: Implementasi Sirkuit Osilator

Desain rangkaian osilator yang dirancang dalam makalah ini ditunjukkan pada Gambar 2. Rangkaian dibagi menjadi tiga bagian: rangkaian pembangkit tegangan ambang, rangkaian pembangkit arus pengisian dan pengosongan dan rangkaian kontrol logika.

Perancangan Osilator Berbasis Mode Saat Ini untuk Penguat Daya Audio Kelas D Gambar 2 rangkaian implementasi osilator

2.1 Unit pembangkit tegangan ambang

Bagian pembangkit tegangan ambang dapat dibentuk oleh MN1 dan empat resistor pembagi tegangan R1, R2, R3 dan R4 yang memiliki nilai resistansi yang sama. Transistor MOS MN1 disini digunakan sebagai transistor switching. Ketika tidak ada sinyal audio yang dimasukkan, chip menyetel terminal CTRL rendah, VH dan VL keduanya 0V, dan osilator berhenti bekerja untuk mengurangi konsumsi daya statis chip. Saat ada input sinyal, CTRL rendah, VH=3Vdd/4, VL=Vdd/4. Karena operasi frekuensi tinggi komparator, jika titik B dan titik C terhubung langsung ke input komparator, interferensi elektromagnetik dapat dihasilkan ke tegangan ambang melalui kapasitansi parasit transistor MOS. Oleh karena itu, rangkaian ini menghubungkan titik B dan titik C ke buffer. Simulasi rangkaian menunjukkan bahwa penggunaan buffer dapat secara efektif mengisolasi interferensi elektromagnetik dan menstabilkan tegangan ambang.

2.2 Pembangkitan arus pengisian dan pengosongan

Arus yang sebanding dengan tegangan suplai dapat dibangkitkan oleh OPA, MN2, dan R5. Karena penguatan OPA tinggi, perbedaan tegangan antara Vref dan V5 dapat diabaikan. Karena efek modulasi saluran, arus MP11 dan MN10 dipengaruhi oleh tegangan source-drain. Oleh karena itu, arus charge-discharge kapasitor tidak lagi linier dengan tegangan suplai. Dalam desain ini, cermin arus menggunakan struktur cascode untuk menstabilkan tegangan sumber-penguras MP11 dan MN10, dan mengurangi sensitivitas terhadap tegangan catu daya. Dari perspektif AC, struktur cascode meningkatkan resistansi keluaran dari sumber arus (lapisan) dan mengurangi kesalahan pada arus keluaran. MN3, MN4, dan MP5 digunakan untuk memberikan tegangan bias untuk MP12. MP8, MP10, MN6 dapat memberikan tegangan bias untuk MN9.

2.3 Bagian Kontrol Logika

Output CLK dan CLK dari flip-flop adalah sinyal gelombang persegi dengan fase yang berlawanan, yang dapat digunakan untuk mengontrol pembukaan dan penutupan MP13, MN11 dan MP14, MN12. MP14 dan MN11 bertindak sebagai transistor switching, yang berfungsi sebagai SW1 dan SW2 pada Gambar 1. MN12 dan MP13 bertindak sebagai tabung bantu, yang fungsi utamanya adalah untuk mengurangi arus pengisian dan pengosongan dan menghilangkan fenomena pemotretan tajam gelombang segitiga. Fenomena sharp-shoot terutama disebabkan oleh efek injeksi muatan saluran ketika transistor MOS berada dalam transisi keadaan.

Dengan asumsi bahwa MN12 dan MP13 dihapus, ketika transisi CLK dari 0 ke 1, MP14 dihidupkan ke keadaan mati, dan sumber arus yang terdiri dari MP11 dan MP12 dipaksa untuk memasuki wilayah linier dalam dari wilayah saturasi secara instan, dan MP11, MP12, MP13 adalah Muatan saluran ditarik dalam waktu yang sangat singkat, yang menyebabkan arus gangguan besar, menyebabkan tegangan lonjakan di titik A. Pada saat yang sama, MN11 melompat dari keadaan mati ke keadaan hidup, dan lapisan saat ini terdiri dari MN10 dan MN9 pergi dari daerah linier dalam ke daerah saturasi. Kapasitansi saluran dari ketiga tabung ini diisi dalam waktu singkat, yang juga menyebabkan arus Burr dan tegangan lonjakan yang besar. Demikian pula, jika pipa bantu MN12 dilepas, MN11, MN10, dan MN9 juga menghasilkan arus kesalahan besar dan tegangan lonjakan saat CLK dilompati. Meskipun MP13 dan MP14 memiliki rasio lebar-panjang yang sama, level gerbang berlawanan, sehingga MP13 dan MP14 dinyalakan secara bergantian. MP13 memainkan dua peran utama dalam menghilangkan tegangan lonjakan. Pertama, pastikan bahwa MP11 dan MP12 bekerja di wilayah saturasi selama seluruh siklus untuk memastikan kontinuitas arus dan menghindari tegangan pemotretan tajam yang disebabkan oleh cermin arus. Kedua, buatlah MP13 dan MP14 menjadi tabung pelengkap. Jadi, pada saat perubahan tegangan CLK, kapasitansi saluran dari satu tabung diisi, dan kapasitansi saluran dari tabung lain dilepaskan, dan muatan positif dan negatif saling membatalkan, sehingga sangat mengurangi arus kesalahan. Demikian pula, pengenalan MN12 akan memainkan peran yang sama.

2.4 Penerapan teknologi perbaikan

Parameter batch yang berbeda dari tabung MOS akan bervariasi antara wafer. Di bawah sudut proses yang berbeda, ketebalan lapisan oksida tabung MOS juga akan berbeda, dan Cox yang sesuai juga akan berubah, menyebabkan arus pengisian dan pengosongan bergeser, menyebabkan frekuensi keluaran osilator berubah. Dalam desain sirkuit terpadu, teknologi pemangkasan terutama digunakan untuk memodifikasi jaringan resistor dan resistor (atau jaringan kapasitor). Jaringan resistor yang berbeda dapat digunakan untuk menambah atau mengurangi resistansi (atau kapasitansi) untuk merancang jaringan resistor yang berbeda (atau jaringan kapasitor). Arus pengisian dan pengosongan IB1 dan IB2 terutama ditentukan oleh arus Iref. Dan Iref=Vdd/2R5. Oleh karena itu, desain ini memilih untuk memangkas resistor R5. Jaringan pemangkasan ditunjukkan pada Gambar 3. Pada gambar, semua resistor adalah sama. Dalam desain ini, resistansi resistor R5 adalah 45kΩ. R5 dihubungkan secara seri oleh sepuluh resistor kecil dengan resistansi 4,5kΩ. Menggabungkan kabel antara dua titik A dan B dapat meningkatkan resistansi R5 sebesar 2,5%, dan menggabungkan kabel antara B dan C dapat meningkatkan resistansi sebesar 1,25%, antara A, B, dan B, C. Semua sekring putus, yang meningkatkan resistensi sebesar 3,75%. Kelemahan dari teknik trimming ini adalah hanya dapat meningkatkan nilai resistansi saja, tetapi tidak kecil.

Gambar 3 struktur jaringan perbaikan resistensi

Langkah 3: Analisis Hasil Simulasi

Desain ini dapat diimplementasikan pada proses CMOS 0,5μm CSMC dan dapat disimulasikan dengan alat Spectre.

3.1 Peningkatan gelombang segitiga dengan tabung switching komplementer

Gambar 4 adalah diagram skematik yang menunjukkan peningkatan gelombang segitiga oleh tabung sakelar komplementer. Dapat dilihat dari Gambar 4 bahwa bentuk gelombang MP13 dan MN12 dalam desain ini tidak memiliki puncak yang jelas ketika kemiringan berubah, dan fenomena penajaman bentuk gelombang menghilang setelah tabung bantu ditambahkan.

Gambar 4 Peningkatan bentuk gelombang dari tabung switching komplementer ke gelombang segitiga

3.2 Pengaruh tegangan dan suhu catu daya

Dapat dilihat dari Gambar 5 bahwa frekuensi osilator berubah menjadi 1,86% ketika tegangan catu daya berubah dari 3V menjadi 5V. Ketika suhu berubah dari -40 ° C menjadi 120 ° C, frekuensi osilator berubah sebesar 1,93%. Dapat dilihat bahwa ketika suhu dan tegangan catu daya sangat bervariasi, frekuensi keluaran osilator dapat tetap stabil, sehingga operasi normal dari chip dapat dipastikan.

Gambar 5 Pengaruh tegangan dan suhu pada frekuensi

Langkah 4: Kesimpulan

Makalah ini merancang osilator terkontrol arus untuk penguat daya audio Kelas D. Biasanya, osilator ini dapat mengeluarkan sinyal gelombang persegi dan segitiga dengan frekuensi 250 kHz. Selain itu, frekuensi keluaran osilator dapat tetap stabil ketika suhu dan tegangan suplai sangat bervariasi. Selain itu, tegangan spike juga dapat dihilangkan dengan menambahkan transistor switching komplementer. Dengan memperkenalkan teknik pemangkasan jaringan resistor, frekuensi keluaran yang akurat dapat diperoleh dengan adanya variasi proses. Saat ini, osilator ini telah digunakan dalam penguat audio Kelas D.