D Sınıfı amplifikatör pop-click gürültü bastırma ve doygunluk bozulma telafisi teknolojisi
0 Önsöz
Mobil cihaz uygulamalarında, D Sınıfı amplifikatörlerin pil çıkışı ile doğrudan bağlantısı ortak bir gereklilik haline gelmiştir. Filtresiz D sınıfı amplifikatörlerin verimlilik ve dinamik aralık açısından iyi özelliklere sahip olduğu kamuya açıklanmış olmasına rağmen, patlama ve pop-click gürültüsü, mobil cihazlarda filtresiz D sınıfı amplifikatörlerin pratik uygulamasını her zaman sınırlandırmıştır. Bu nedenle, doğrudan bataryaya bağlanan filtresiz bir D sınıfı amplifikatörün tasarımında, pop-click gürültüsünü bastırmak her zaman bir tasarım zorluğu olmuştur. İkinci olarak, mobil cihazlarda kullanılan D sınıfı güç amplifikatörleri için, sistem yapısı genellikle amplifikatörün performansını iyileştirmek için bir kapalı döngü yapısı kullanır. Amplifikatörün çıkışı (Vout), kapalı döngü bir yapı oluşturmak için geri beslenir ve giriş ses sinyali ile üst üste bindirilir. Geri bildirim sisteminin kendisi performansı artırabilir. Güç kaynağı ve substrat gürültüsü bastırma özelliği, amplifikatörün doğrusal bozulmasını da azaltabilir. Bununla birlikte, giriş sinyali ve geri besleme sinyali entegratör tarafından üst üste bindirildiğinden, giriş sinyali genliği büyük olduğunda, entegratör çıkışının doyurulması kolaydır ve modülasyon dalga biçimi Vtri genellikle tam voltaj aralığında modüle edilemez, bu da darbe modülatör modülasyonunun ve darbe modülatör çıkışının arızalanmasına neden olur. Çoklu modülasyon döngüleri her zaman yüksek veya düşüktür. Sonuç olarak, D sınıfı amplifikatörün güç anahtarı birden fazla döngü için açılır veya kapatılır ve çıkış dalga formu ciddi doygunluk distorsiyonu üretir ve uzun süreli iletim nedeniyle güç cihazında termal hasara neden olmak çok kolaydır.
Yukarıda belirtilen tasarım gereksinimlerine göre, bu makale, mobil cihaz uygulamalarına dayalı bir D sınıfı amplifikatörün tasarımında pop-click gürültüsünü bastırmak için bir yöntem ve entegratörün doygunluk bozulmasını azaltmak için bir dengeleme devresi teknolojisi sunmaktadır. Makale ilk olarak pop-click gürültüsü oluşturma mekanizmasını ve pop-click gürültüsünü bastırmak için belirli devre uygulama yöntemini ve entegratörün doygunluk bozulmasını azaltmak için özel devre uygulama yöntemini sunar, ardından amplifikatörün test sonuçlarını verir ve son olarak özetler.
Bu tasarımda önerilen D Sınıfı amplifikatör sisteminin blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. Esas olarak pop-click gürültü bastırma devresi, darbe genişlik modülasyonu (PWM) kompanzasyon devresi, ön amplifikatör, entegratör, osilatör ve güç aşamasından oluşur. Bu makale esas olarak pop-click gürültü bastırma devresini ve PWM kompanzasyon devresini ayrıntılı olarak tartışmaktadır.
1.1 pop-click gürültü bastırma devresi
Maksimum pop-click gürültü seviyesi, ses amplifikatörü performansının önemli bir göstergesidir. Bu gürültü, amplifikatör gücü açıldığında veya kapatıldığında kolayca üretilir. İnsan kulağı bu sese duyarlıdır. Amplifikatör pop-tıklama sesini en aza indirmek veya bastırmak D Sınıfı amplifikatör tasarımının anahtarı. Amplifikatör açıldığında veya kapatıldığında, Sınıf D amplifikatörün pop-click gürültüsü esas olarak iki yönden gelir: biri amplifikatörün DC ofseti, diğeri ise PWM darbesinin aniden açılması ve kapanmasıdır. Amplifikatörün DC ofset voltajı, açıldığında amplifikatörün çıkışına aniden uygulanır veya kapatıldığında kaybolur.PWM darbesinin aniden oluşması veya kaybolması, D sınıfı amplifikatörün çıkışında pop-click gürültü seviyesine neden olan bir geçiş aşaması oluşturur. Çok büyük olmaya başlar ve sonra negatif geri besleme döngüsünün engellenmesi nedeniyle yavaş yavaş kaybolur.Bu süreç kısa olmasına rağmen insan kulağı hala duyabilir. İnsan kulaklarının bu sesleri işitmesini önlemek için araştırmacılar çeşitli etkili önlemler sağlar. Kamuya açık raporlara göre, aşağıdaki teknolojiler vardır: Literatür, ses amplifikatörünün güç kaynağı voltaj pini üzerinde bir (RC) filtre devresi kullanır veya DC güç kaynağını amplifikatör güç kaynağı pinine bağlamak için bir analog anahtar kullanır. Bu yöntemin entegre edilmesi kolay değildir ve Ek sistem güç tüketimi ve maliyet tüketimine neden olur ve uygulama sınırlıdır; literatür, tek uçlu bir giriş ses sinyali amplifikatörünün pop-click gürültüsünü bastırmak için bir yöntem sunar.Bu yöntem, amplifikatör giriş aşaması ve amplifikatörün ortak mod seviyesini hızlı bir şekilde ayarlar Modülasyon aşaması, önyargı ve geri besleme voltajı / akımı (BFVC) oluşturmak için anahtarlama sinyalleri sağlamak için sanal anahtarlar sunar. Literatür, programlanabilir bir yardımcı sürücü geri besleme döngüsü sunarak pop-click gürültüsünü bastırır ve sürücünün amplifikatörün güç anahtarını açmak için sürüş kabiliyetini ayarlar. Yukarıdaki ikisi, pop-click gürültüsünü bastırmak için geri besleme tekniklerini kullanır.Geri bildirim ağındaki döngü ayarlama işlemi nedeniyle, döngü yanıt süresi yavaşsa, pop-click gürültüsünü bastırmanın etkisi zayıftır ve döngü yanıtı çok hızlıdır, bu da kolayca amplifikatör döngülerine neden olabilir. Devre kararsızdır; bu nedenle, pop-click gürültüsünü bastırmak için amplifikatöre bir geri bildirim ağı eklemek devre tasarımının karmaşıklığına neden olacak ve güç tüketimini artıracaktır, bu nedenle pratik değildir. Yukarıdaki hususlara dayanarak, bu makale, monolitik entegrasyon ile pop-tıklama sesini bastırmanın basit ve pratik bir yolunu verecektir.
Şekil 1'de, D Sınıfı amplifikatörün ön amplifikatörünün giriş ofset voltajının neden olduğu pop-click gürültüsünü ortadan kaldırmak için, dahili sıralı mantık kontrol devresi entegre edilmiştir ve çalışma süreci şu şekildedir: İlk aşamada, devrenin çalıştırılması sırasında, güç kaynağı voltajı eşiğin altında ise Voltaj Vref1, çip kapalı aşamadadır, bu sırada amplifikatörün ön yükselticisi, entegratörü, PWM modülatörü ve güç anahtarının tümü kapalı aşamadadır ve amplifikatörün çıkışı yoktur. İkinci aşama: harici kuplaj kapasitörünün hızlı şarj işlemi.Güç kaynağı voltajı eşik voltajı Vref1'den yüksek olduğunda, düşük voltaj kilitleme (UVLO) yüksek bir seviye çıkarır ve ön amplifikatördeki dahili öngerilim devresi açılır.Bias devresi hızlı bir şekilde harici kuplaj kondansatörünü şarj eder , Harici kondansatörün şarjı sırasında amplifikatörün çıkışında bir ofset sinyalini önlemek için, bağlantı kondansatöründeki voltaj hızla ortak mod seviyesine (orijinal tasarım VDD / 2'dir) ulaşır, S1 ve S2 anahtarları kapanır ve ön amplifikatör diferansiyel girişi 0'dır ve amplifikatörün geri besleme dirençleri R3 ve R4 kısa devredir, bu nedenle tam diferansiyel amplifikatörün (FDA) diferansiyel çıkışı sıfırdır Devre Şekil 2'de gösterilmiştir. Üçüncü aşama: kaplin kapasitöründeki ortak mod voltaj düzeltme aşaması, UVLO sinyali gecikme süresini (TD1) geçer, Şekil 2'de, S1 anahtarı kapalı, S2 açık kalır ve güç transistörü kapalıdır ve çıkış yüksek empedans durumunda (hoparlör "sessiz" durumdadır ). Bu zamanda, ses giriş sinyali, ön amplifikatörün giriş DC ofset voltajını ortadan kaldırmak ve PWM karşılaştırıcısı tarafından üretilen tıklama gürültüsü darbesini bastırmak için amplifikatör FDA1'in giriş ucuna girer. Dördüncü aşama: Güç aşaması anahtar aşamasını açın, S1 kapanır, S2 kapanır, ön yükseltici normalde giriş ses sinyalini yükseltir ve ön yükselticinin çıkış sinyali, modülasyon için entegratör ve PWM modülatörüne girer. Son olarak, S2, TD3 zaman gecikmesini geçtikten sonra, CTL_DRI yükselir ve PWM modülatörü ve güç anahtarı açılır, böylece çıkış PWM dalgası yüke güç anahtarı aracılığıyla sağlanır ve tüm yonga normal çalışır. Bu yöntemin geri besleme döngüsü yoktur, bu nedenle amplifikatör döngüsünün kararlılığını etkilemeyecektir. Benzer şekilde, amplifikatör güç kaynağı voltajının enerjisinin kesilmesi aşamasında, çip güç kaynağı voltajını tespit eder Güç kaynağı voltajı eşik Vref2'den düşük olduğunda, düşük voltaj koruma devresi bir kapatma sinyali üretir.İlk olarak, ön amplifikatör ve entegratör devreleri TD4 gecikme süresinden sonra kapatılır. Entegratörün çıkış voltajı kademeli olarak azalır (entegrasyon kapasitör deşarj işlemi), PWM modülasyonunun çıkış darbesi kademeli olarak daralır ve hoparlörün çıkış sesi kademeli olarak kaybolarak tüm çipin anında kapanmasını ve hoparlörün patlama sesi çıkarmasını engeller.Şekil 3 bu tasarımın zamanlama diyagramını gösterir. .
Şekil 4, bir UVLO devre modülü ve bir dijital zaman geciktirme ünitesinden oluşan pop-click gürültü bastırma devresinin blok diyagramını göstermektedir. UVLO devre modülü, bir direnç bölücü devre, bir ofset karşılaştırıcı ve bir invertör zincirinden oluşan Şekil 5 (a) 'da gösterilmektedir.Direnç bölücü devresi, güç kaynağı voltajını örnekler ve ofset karşılaştırıcı, Şekil 5 (b)' de gösterildiği gibi bir histerezis eşik voltajı üretir. ) Ofset karşılaştırıcısının devre şeması verilmiştir Ofset voltajı, diferansiyel giriş çifti M1 ve M2'nin asimetrik olarak üretilmesi için sırasıyla CTL ve transistörler M5 ve M6 tarafından üretilir Ofset voltajı rezistör ROS boyutuna göre belirlenir.
1.2 PWM kompanzasyon devresi
Geri besleme yapısına sahip bir D sınıfı güç amplifikatöründe, entegratör giriş ses sinyalini ve geri besleme sinyalini toplamak için kullanılır.Şekil 1'de gösterildiği gibi, giriş ses sinyali genliği çok büyük olduğunda, entegratör doygunluğa eğilimlidir. Darbe genişliği modülatör çıkışı her zaman yüksek veya düşüktür. Entegratörün çıkışının doygun hale gelmesini ve çoklu anahtarlama çevrimi sırasında MP1 ve MP2 güç anahtarlarının normalde açık veya normalde kapalı olmasına neden olmasını önlemek için, maksimum görev döngüsünü ve PWM darbesinin minimum görev döngüsünü ayarlamak için darbe modülatörünün çıkışına bir PWM dengeleme devresi eklenir. Çıkış dalga formunun doygunluk bozulmasını mümkün olduğunca azaltırken güç cihazını koruma amacına ulaşmak için çıkış güç cihazının bir saat döngüsü içinde bir kez açılıp kapanması sağlanır. PWM dengeleme devresi, bir dengeleme saati üreten devre ve bir PWM düzeltme mantık devresinden oluşan Şekil 6'da gösterilmektedir. Şekil 7'deki devre tarafından iki telafi saati (Vtri_PH1 ve Vtri_PH2) üretilir. Normalde, VPWM görev döngüsü% 5 ile% 95 arasındadır. Şu anda, VPWM_COR = VPWM. VPWM görev döngüsü% 5'ten az olduğunda, VPWM_COR = Vtri_PH1 ve VPWM görev döngüsü% 95'ten büyük olduğunda, VPWM_COR = Vtri_PH2.
Şekil 7, üçgen dalga üretecinin devre yapısını göstermektedir Devre, iki karşılaştırıcıdan, RS flip-floplardan, şarj ve boşaltma yollarından ve direnç bölücülerinden oluşmaktadır. Devre, D Sınıfı amplifikatörün modülasyon dalga biçimini sağlar ve aynı zamanda PWM dengeleme devresi için dengeleme sinyalleri Vtri_PH1 ve Vtri_PH2 üretir. Çalışma prensibi aşağıdaki gibidir: Üçgen dalga Vtri'yi elde etmek için, kondansatör CTRI'yi şarj etmek ve deşarj etmek için sabit bir akım kaynağı IREF kullanılır.Şekil 7'de, ilk karşılaştırıcı (COMP1) Vtri giriş voltajını VTH1 voltajı ile karşılaştırır. > VTH1, karşılaştırıcının çıkışı yüksek, şekildeki RS mandalının çıkışı mantık yüksek olarak ayarlanmış, transistör M1 kapatılmış ve M2 aynı anda açılmış, CTRI kondansatörü boşalmaya başlar, Vtri < VTH2, ikinci karşılaştırıcı COMP2'nin çıkışı yüksek, RS mandalının çıkışı lojik düşük olarak sıfırlanır, transistör M2 kapatılır, M1 açılır ve kapasitör CTRI şarj olmaya başlar.IREF sabit bir akım kaynağı olduğu için CTRI üzerindeki çıkış Gerilim, iyi doğrusallığa sahip üçgen bir dalgadır ve amplifikatörün harmonik bozulmasını azaltmaya yardımcı olur.
Bu tasarımda, VTH1 ve VTH2, orantılı bir direnç bölücü kullanılarak güç kaynağı voltajı VDD'den elde edilir.Osilatör çıkış frekansının güç kaynağı voltajından bağımsız olduğu elde edilebilir. Osilatör çıkış dalga formu Şekil 8'de gösterilmektedir. Bu tasarımda, tipik giriş voltajı 3,6 V olduğunda, üçgen dalga frekansı 300 kHz'dir ve Vtri_PH1 ve Vtri_PH2'nin görev oranları% 95'tir.
2 Test sonuçları
CSMC 0.35 m CMOS sürecine dayalı olarak, D Sınıfı ses güç amplifikatörü tasarlanmıştır .. Düzen fotoğrafı Şekil 9'da gösterilmektedir. Tek kanallı yonga alanı 0,85 mm2'dir. Bu tasarımda, lityum pilli mobil cihaz uygulamalarına dayalı olarak, güç kaynağı voltaj aralığı 2,5 ~ 4,2 V ve anahtarlama frekansı 300 kHz'dir. Şekil 10, güç kaynağı voltajı 2,5 V, 3,6 V, 4,2 V ve yük direnci 8 olduğunda THD + N - çıkış gücü eğrisini göstermektedir. Şekilden, güç kaynağı voltajı 3,6 V ve çıkış gücü yaklaşık 400 mW olduğunda, amplifikatörün THD + N değerinin% 0,025 kadar düşük olabileceği görülmektedir; Tablo 1, bu tasarımdaki D Sınıfı amplifikatörün bazı test sonuçlarını göstermektedir.
3 Sonuç
Bu makale, mobil cihazların uygulamasına dayanan bir pop-click gürültü bastırma devresi teknolojisi önermektedir.Sekans devresi, güç açılıp kapatıldığında, amplifikatörün iç devresinin sırayla açılıp kapanmasını kontrol ederek pop-click gürültü genliğini etkili bir şekilde azaltır; 2.0 mV. Darbe genişliği modülasyon sinyali üzerinde darbe telafisi gerçekleştirerek, entegratörün doygunluğunun neden olduğu güç anahtarı transistörüne zarar verme riski ortadan kaldırılır ve büyük giriş sinyali genliğinin neden olduğu satürasyon bozulması da azaltılır. Bu teknolojilerin tanıtımı, amplifikatör verimliliği, THD + N ve çıkış gücü gibi performanstan ödün vermedi.
Referanslar
BERKHOUT M, DOOPER L. Mobil uygulamalarda D Sınıfı ses amplifikatörleri Devreler ve Sistemler Üzerine IEEE İşlemleri I Düzenli makale, 2010, 57 (5): 992-1002.
CHOI Y, TAK W, YOON Y, ve diğerleri. Doğrudan pil bağlantısı için% 0,018 THD + N, 88 dB PSRR PWM D Sınıfı amplifikatör. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2012, 47 (2): 454-463 .
JIANG X, SONG J, WANG M ve diğerleri. Sınıf-D ses amplifikatörleri için entegre pop-click gürültü bastırma, EMI azaltma ve kısa devre algılama. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2013, 48 (4): 1099 -1108.
Tim Lok, Ses Klik ve Pop Gürültü Karakteristikleri ve Giderim Teknikleri, Endüstri ve Bilgi Eğitimi, 2010 (8): 61-65.
Wang Haishi, Zhang Bo, Sun Jiang. D sınıfı amplifikatörler için tıklama ve patlamayı bastırmanın yolları. Journal of Semiconductors, 2012, 33 (8): 1-5.
ZHENG H, ZHU Z, MA R.A Mobil uygulamada doğrudan lityum pil bağlantılı% 0,02 THD ve 80 dB PSRR filtresiz D sınıfı amplifikatör Journal of Semiconductors, 2017, 38 (7): 56-63.
yazar bilgileri:
Zheng Hao, Liu Yanfei, Wang Qiuyan, Yang Jingjing, Yang Dongdong
(Roket Ordusu Mühendislik Üniversitesi, Xi'an 710025, Shaanxi)
