يوضح الرسم البياني أدناه صورة لقالب سيليكون من Game Boy مع تسمية توضيحية لمكونات وظيفية رئيسية.
تحتوي رقاقة مكبر الصوت على نقش DMG-AMP ، والذي يرمز إلى مضخم لعبة Dot Matrix. رقم جزء هذه الشريحة من 18 سنًا من Sharp) هو IR3R40.
التعيين الداخلي للرقاقة هو SBG14.
في أعلى يسار الشريحة ، يوجد ترانزيستور تشغيل كبير للسماعة (أحدهما يسحب الإشارة لأسفل والآخر لأعلى). يتكون مكبر سماعة الرأس من كتلتين متطابقتين تقريبًا - للقناتين اليمنى واليسرى. دارات المصادر الحالية والمرايا الحالية شائعة لكلتا القناتين. في أسفل يسار الشريحة يوجد المنطق الرقمي الذي يقوم بتشغيل مكبر الصوت إما لمكبر الصوت أو سماعات الرأس - يتم تنشيطه عند توصيل سماعات الرأس. قابل للنقر
من خلال فحص البلورة بعناية ، يمكنك العثور على مكونات مثل الترانزستورات والمقاومات. وبدءًا من ذلك ، يمكنك فهم المخطط بأكمله. في الصورة أعلاه ، الخطوط البيضاء هي الطبقة المعدنية للرقاقة التي تربط المكونات. السيليكون نفسه يبدو مخضرًا وتحت المعدن. المستطيلات الخضراء حول المحيط عبارة عن منصات لحام الأسلاك التي تربط البلورة و 18 جهة اتصال للرقاقة. لتغيير الخواص الكهربائية ، يتم إدخال الشوائب في بعض مناطق السليكون أثناء عملية المنشطات . يوضح القسم التالي كيفية عمل المكونات المختلفة من هذه الأنواع المختلفة من السيليكون.
NPN الترانزستور
تستخدم رقاقة مكبر الصوت ترانزستورات ثنائية القطب NPN و PNP ، والتي تختلف عن وحدات MOSFET منخفضة الطاقة المستخدمة في المعالجات. هذه الترانزستورات لها ثلاث جهات اتصال - باعث وقاعدة وجامع. تظهر الصورة المكبرة أدناه ترانزستور NPN. تعطي ظلال السليكون المختلفة المساحات التي تمت إضافة الشوائب إليها لتشكيل مناطق N و P. تفصل الخطوط الداكنة هذه المناطق. الفقاعات الفضية هي طبقة معدنية أعلى السليكون تشكل الموصلات التي تتصل بالقاعدة والباعث والمجمع.
NPN الترانزستور في رقاقة مكبر للصوت لعبة فتى اللون. يتم تمييز جامع C والباعث E والقاعدة B. مناطق N و P هي مناطق من السيليكون بها شوائب.
يوجد أسفل الصورة رسم بياني مقطعي رأسي يصف جهاز الترانزستور. يتصل Emitter E بالسيليكون N +. تحتها طبقة P ، التي تتصل بالدبوس الأساسي B. وأسفلها توجد طبقة N + ، متصلة (بشكل غير مباشر) بالمجمع C. إذا نظرت إلى القسم الرأسي تحت الحرف E ، يمكنك رؤية طبقات NPN التي تشكل الترانزستور.
يوجد أدناه هيكل آخر يستخدم لترانزستور التيار العالي الإخراج الذي يقود السماعة. وهي أكبر حجماً ولها العديد من الأصابع المتشابكة والمتشابكة التي تحيط بها مشعب كبير. في صورة البلورة ، يمكنك رؤية اثنين من هذه الترانزستورات تملأ الجانب الأيسر العلوي من البلورة.
ترانزستور NPN كبير تيار كبير في رقاقة مضخم Game Boy Color. يتم تمييز الجامع C والباعث E والقاعدة B.
الترانزستور PNP
أيضا ، تستخدم الشريحة ترانزستورات PNP مصممة بشكل مختلف تمامًا. تم وصفها في الرسم البياني أدناه. الفرق الأكثر وضوحا هو أنها مستديرة.
معظم ترانزستورات PNP على هذه الشريحة مستديرة. ومع ذلك ، عند الجمع بين العديد من الترانزستورات PNP ، لا يزال يتم استخدام بنية مستطيلة. تعتبر الترانزستورات PNP ذات الموجة المربعة أكبر من الترانزستورات ذات الموجة المربعة NPN. تحتوي الرقاقة أيضًا على العديد من الترانزستورات PNP مع العديد من المجمعات. لا تحتوي ترانزستورات PNP الأخرى على جهات اتصال مخصصة للجامع - بدلاً من ذلك ، يتم استخدام الركيزة (الأرض).
يحتوي الترانزستور PNP على باعث دائري صغير (P-silicon) محاط بقاعدة على شكل حلقة (N-silicon) ، والتي محاطة بدورها بمجمع (P-silicon). يغطي المعدن الباعث كلا من الباعث والقاعدة ، ولكنه يتصل فقط بالباعث. تشكل هذه البقع شطيرة PNP أفقيًا (جانبيًا) بدلاً من رأسيًا مثل ترانزستور NPN. على الرغم من أن الجزء الأساسي يحيط بالباعث ماديًا ، فإن التلامس المعدني مع القاعدة بعيدًا. تمر الإشارة من القاعدة من خلال القسم N تحت المجمع.
الترانزستور PNP على رقاقة مضخم Game Boy Color. ويلاحظ وجود اتصالات مع المجمع C ، والباعث E ، والقاعدة B ، وكذلك السيليكون مع شوائب N و P.
المقاومات
المقاومات عنصر مهم في الشريحة التناظرية. تُظهر الصورة أدناه مقاومات طويلة متعرجة تتكون من شرائح P من السيليكون ، والتي تبدو باللون البيج في الصورة. مقاومته تتناسب مع طول المقاوم ، لذلك المقاومات ذات القيم الكبيرة متعرجة لتناسب المساحة المتاحة. نظرًا لأن المقاومات كبيرة وغير دقيقة نسبيًا ، تحاول تصميمات الرقائق تقليل عددها. لكن هذه الرقاقة التناظرية تتطلب مقاومات كثيرة.
بعض المقاومات على رقاقة مضخم Game Boy. في الوسط ، توفر مقاومتان متوازيتان مقاومة منخفضة. المقاومات الطويلة المتعرجة تعطي مقاومة كبيرة.
توضح الصورة أدناه سبعة مقاومات صغيرة ، ولكن اثنين فقط في الوسط (بالتوازي) متصلان بالدائرة. تجعل المقاومات الإضافية من الممكن إجراء تغييرات عن طريق تغيير الطبقة المعدنية - أسهل بكثير من تغيير السليكون. تحيز هذه المقاومات الترانزستور الناتج ، ويبدو أن هذه مقاومة حاسمة تحتاج إلى ضبط.
المكثفات
هناك ثلاث مكثفات كبيرة على هذه الشريحة ، واحدة لكل مضخم صوت. تظهر الصورة أدناه أحد المكثفات. المكثف هو ببساطة طبقة ضخمة من المعدن مفصولة عن ركيزة السليكون الكامنة بواسطة طبقة أكسيد رقيقة عازلة. في الجزء العلوي الأيمن من الصورة ، يمكنك رؤية وصلات الموصلات المعدنية والركيزة السليكونية. في هذه الشريحة ، يتم استخدام المكثفات لضمان استقرار مكبر الصوت. نظرًا لحجمها ، من السهل تحديد المكثفات الثلاثة في صورة البلورة.
LM380
تشبه دوائر شرائح مضخم Game Boy إلى حد كبير شريحة مكبر الصوت LM380 الشائعة من عام 1972 ، لذلك سأبدأ بمراجعة كيفية عمل LM380. يحتوي LM380 على مدخلات غير عكسية وغير عكسية ، بالإضافة إلى خرج يضخم الفرق بين المدخلات بعدد ثابت من المرات - 50. يبدو أنه مكبر صوت تشغيلي ، ولكن الغرض من LM380 هو تضخيم الصوت ، وهذا يميزه عن مضخم تشغيلي بعدة طرق: نسبة ثابتة صغيرة مكاسب ، لا جهد سلبي وتنفيذ داخلي آخر.
يوضح الرسم البياني أدناه الكتل الوظيفية الرئيسية لـ LM380. تذهب المدخلات إلى دائرة الزوج التفاضلي (الأزرق). تذهب المدخلات إلى LM380 (أو مضخم Game Boy) إلى زوج تفاضلي (Q3 ، Q4) ، ولكن هذا الزوج التفاضلي يختلف عن مضخمات العمليات القياسية. على وجه الخصوص ، تتلقى بواعث التيار المتغير ، ولهذا السبب تحدث الملاحظات.
يتم تمرير الإخراج من الزوج التفاضلي (الأخضر) من خلال مرحلة واحدة من مضخم الترانزستور ، مما يعزز الكسب. يقوم المكثف بتثبيت مكبر الصوت ، مما يمنع التذبذب. أخيرًا ، تقدم مرحلة الإخراج (أرجواني) الكثير من التيار: يسحب ترانزستور الطاقة Q7 الإخراج ، ويسحب Q8 و Q9 لأسفل.
تستخدم مراحل خرج مكبر الصوت في LM380 و Game Boy زوجًا متكاملاً من الترانزستورات لسحب الإشارة إلى أسفل. يعمل الجمع بين ترانزستور PNP وترانزستور NPN بمثابة ترانزستور PNP ذو طاقة أعلى ، يشبه إلى حد ما ترانزستور مركب .
تتحكم حلقة التغذية الراجعة في مكاسب LM380 ، وتغلقها عند 50. على عكس مضخم التشغيل ، يتم توصيل شبكة التغذية المرتدة في LM380 بالنقاط الداخلية لمكبر الصوت ، وليس المدخلات.
مكبر الصوت LM380. الرسم البياني على أساس ملاحظات التطبيق.
للحصول على تفاصيل حول كيفية عمل LM380 ، راجع ملاحظة تطبيق National Semiconductor و Power Audio Amplifier IC LM380 . تم وصف LM386 مماثل في المحاضرةو وصف آخر .
سأقوم الآن بوصف حلقة التغذية الراجعة لهذه الشريحة ، لأن رقاقة Game Boy تعمل على مبادئ مماثلة. يوضح الرسم البياني أدناه كيفية عمل حلقة التغذية المرتدة في LM380 بدون إدخال. في أعلى اليسار ، يولد جهد الإمداد VS ، الذي يمر عبر R1 ، التيار الأول. الترانزستورات Q5 و Q6 تشكل مرآة حالية: هذا يتسبب في أن التيار الذي يمر عبر Q6 يتطابق مع التيار الذي يمر عبر Q5. يجب أن يكون التيار من Q4 إلى الشريحة المتبقية حوالي 0 (نظرًا لأن الجزء المتبقي من الشريحة يزيده بشكل كبير). ونتيجة لذلك ، اتضح أن التيار من خلال R2 (الذي تم إنشاؤه عن طريق التغذية المرتدة بجهد الخرج) يجب أن يكون أيضًا الأول. نظرًا لأن مقاومة R2 هي نصف مقاومة R1 ، فيجب أن يكون جهد الخرج مساوياً لنصف جهد الإمداد. اتضح أن جهد الخرج عند الراحة سيكون مساوياً لنصف جهد الإمداد ، وهو ما كان مطلوبًا.
عند توصيل المدخلات ، تعمل حلقة الملاحظات على النحو التالي. افترض أن جهد ΔV مُعطى للمدخل الإيجابي. ترانزستورات باعث-باعث Q3 و Q4 تعزز الإدخال ، لذلك يظهر نفس الجهد عبر R3. ونتيجة لذلك ، يتدفق تيار ∆I عبر المقاوم. هذا يزيد التيار المتدفق من خلال Q5 إلى I + ΔI ، وبفضل المرآة الحالية ، سيتدفق نفس التيار خلال Q6. بإضافة جميع التيارات ، نحصل على أن التيار من خلال R2 يجب أن يكون مساوياً لـ I + 2 .I. بما أن R2 أكبر 25 مرة من R3 ، فإن 2ΔI تزيد من جهد الخرج إلى 50ΔV. لذلك ، يتم ضرب جهد الدخل بمقدار 50. الفكرة وراء ذلك هي أن حلقة التغذية المرتدة تحدد عامل الضرب إلى 50.
يبدو لي أن أفضل طريقة لفهم LM380 هي التفكير فيه على أنه مصنوع من مضخم مقاومة تشغيلية (OTRA) ، وهو قريب منسي لمكبر صوت تشغيلي. يعمل OTRA بنفس الطريقة التي يعمل بها مكبر الصوت التشغيلي ، باستثناء أنه بدلاً من الجهد ، يتم تطبيق التيارات على المدخلات ، ويتم تضخيم الفرق بين التيارات ، مما يعطي جهد الخرج. يجب أن يكون التياران I اللذان يدخلان OTRA متساويين تقريبًا ، وقد تختلف الفولتية المدخلة (على عكس مضخم العمليات).
يوضح الرسم البياني أعلاه LM380 على شكل حلقة op-amp وحلقة تغذية راجعة. معادلة التيارين يعطي V out = V s / 2 + 51V + - 50.5V - أو V out تقريبًا = V s/ 2 + 50 * (V + -V - ). بمعنى آخر ، يتمركز الناتج عند نصف جهد الإمداد ويتم ضرب الفرق في جهد الدخل بعامل 50. لم يصف أي شخص آخر LM380 بهذه الطريقة ، لذلك قد أكون مخطئًا - ومع ذلك ، حتى الآن لا أرى أخطاء في هذا التحليل.
Game Boy Audio Chip: مكبر صوت سماعة الرأس
لعبة الصبي المجلس. توجد شريحة مكبر الصوت في منتصف الجانب الأيمن.
توجد ثلاثة مضخمات على شريحة مضخم Game Boy: اثنان متطابقان لقنوات سماعة الرأس اليسرى واليمنى ، ومكبر صوت أحادي أكثر قوة للسماعة. تختلف سماعات الرأس Game Game ومكبرات الصوت ، ولكن كلاهما متشابه من حيث المبدأ مع LM380.
يوضح الرسم البياني أدناه مضخم صوت سماعة الرأس Game Boy. إذا قارنته بدائرة LM380 ، يمكنك رؤية أوجه التشابه بين LM380 ومضخم صوت سماعة الرأس ، ولكن هناك أيضًا اختلاف. الأهم من ذلك كله ، أنها تتميز بمرحلة الإدخال ودائرة التغذية المرتدة ، ودائرة مضخم سماعة الرأس متطابقة بشكل أساسي.
لم أجد القيم الدقيقة للمقاومات على البلورة ، ولكن إذا قارنت أطوالها ، فيمكن تحديدها تقريبًا. بالنظر إلى R48 و R49 و R50 و R51 ، حسبت أن نسبة مكبر الصوت في سماعة الرأس هي 22. بناءً على المقاومات R2 و R3 و R4 و R7 ، فإن نسبة مكبر الصوت هي 30 ، وهي أعلى بكثير من نسبة سماعات الرأس.
يحتوي مضخم صوت سماعة الرأس على ثلاثة ترانزستورات في مرحلة تضخيمه ، على عكس واحد في LM380 - على الأرجح لمزيد من الكسب. مرحلة خرج مضخم صوت السماعة متشابهة ولكنها مبسطة. تم استبدال زوج PNP / NPN الذي يسحب الناتج LM380 بترانزستور PNP واحد. الاختلاف الأكبر هو قسم التحكم في مكبر الصوت ، والذي لا يحتوي عليه LM380. تقوم دائرة التحكم هذه بإيقاف مضخم صوت السماعة عند عدم إدخالها ، مما يوفر طاقة البطارية.
لعبة الصبي سماعة مكبر للصوت الدائرة. رسمتها بعد هندسة البلورة العكسية.
تُظهر الصورة أدناه مضخم صوت السماعة اليسرى. يتم توجيه جهة الاتصال الصادرة (أسفل اليمين ، بجانب رقم الجزء SBG14) بواسطة سبعة ترانزستورات PNP متوازية (أعلى اليسار) وسبعة ترانزستورات موازية NPN أصغر (أسفل الوسط). المكثف في أعلى يسار المركز. تتسرب الكثير من المقاومات حول البلورة.
مضخم صوت سماعة الرأس اليسرى على الرقاقة. الصورة الصحيحة هي صورتها المتطابقة.
جيم بوي رقاقة الصوت: مكبر الصوت
يوضح الرسم البياني التالي مضخم صوت مكبر الصوت Game Boy. على عكس القناتين لمضخم صوت سماعة الرأس ، يوجد مكبر صوت واحد فقط ، وينتج مزيجًا من القنوات اليسرى واليمنى. تتطابق مرحلة الإدخال والملاحظات تقريبًا مع LM380. تختلف مرحلة الإخراج قليلاً. ومع ذلك ، فإن مرحلة مكبر الصوت مختلفة تمامًا: فهي تتضمن مرحلة مكبر للصوت التفاضلي رباعي الترانزستور ، والتي تعطي مكسبًا أكبر بكثير. على الرغم من أن مرحلة مكبر الصوت هذه تشبه إلى حد كبير مرحلة الإدخال ، إلا أنها متصلة بشكل مختلف وتستخدم ترانزستور NPN.
دائرة مكبر الصوت في رقاقة مضخم Game Boy
المكاسب الإجمالية للشريحة محدودة بحلقة التغذية الراجعة. يعمل مضخم العمليات بحيث يكون الكسب الخام في حدود 100000 ، ولكن الملاحظات تقلل من ذلك إلى شيء أكثر معقولية ، مثل 50. يزيد الكسب "الإضافي" من الكفاءة ويقلل من التشويه. وبعبارة أخرى ، فإن مرحلة أمبير Game Boy الإضافية ، مقارنة بـ LM380 ، لن تجعلها أعلى 100 مرة.
في مرحلة التضخيم الثانية ، لم أفهم قليلاً. وهو مشابه لمكبر الصوت التفاضلي ، باستثناء أن مكبر الصوت التفاضلي عادة ما يحتوي على بواعث متصلة ، وفي هذه الدائرة يتم توصيل المجمعات.
تحتوي الرقاقة على دبابيس لفك المكثفات لتقليل آثار تقلبات الطاقة. تحتوي مضخمات سماعة الرأس على مكثفات فصل خارجية ، ومع ذلك ، لسبب ما ، لا يحتوي مكبر الصوت على مكثفات فصل (انظر الرسم البياني). من الممكن أنه بسبب عدم وجود هذا المكثف ، فإن السماعة لديها همهمة خلفية يشكو الناس منها.
يساعد مكثف الفصل المستخدم في رقاقة Game Boy (و LM380) على تقليل تأثيرات تقلبات الطاقة. غالبًا ما تحتوي الرقائق على مكثفات فصل بين الطاقة والأرض ، ولكن مكثف الفصل هذا مختلف قليلاً. وهي متصلة بنقطة محددة في حلقة التغذية الراجعة ، مما يجعلها أكثر كفاءة من مكثف الفصل التقليدي.
مقارنة مع Game Boy Color
لقد قمت مؤخرًا بتغطية الهندسة العكسية لرقاقة مضخم Game Boy Color ، لذلك سيكون من المثير للاهتمام مقارنة الاثنين. لرقائق مضخم Game Boy و Game Boy Color وظائف مماثلة. تبدو متشابهة حتى على مستوى الكريستال. يحتوي كلاهما على ترانزستورات كهربائية في الزاوية اليسرى العليا من مكبر الصوت ، ودوائر تحكم في الزاوية اليسرى السفلية ، وقناتان لسماعة الرأس على اليمين.
مقارنة بين شرائح مكبر الصوت من Game Boy (يسار) و Game Boy Color (يمين)
ومع ذلك ، اتضح بشكل غير متوقع أن هذه الرقائق يتم تنفيذها بطرق مختلفة تمامًا. بينما يستخدم Game Boy مضخم صوت بنمط LM380 ، يستخدم Game Boy Color مضخمات الطاقة مع دوائر أكثر تعقيدًا. الاختلاف الأكثر أهمية هو أن رقاقة Game Boy لديها تعليقات داخلية للتحكم في السيطرة ، في حين أن Game Boy Color لديها أيضًا مكثف تغذية راجعة خارجي ، مما يجعلها تعمل كمرشح تمرير عالي. لمزيد من المعلومات، راجع بلدي لعبة فتى اللون مكبر للصوت المادة و الرسم التخطيطي .
لعبة جامعي نظام الصبي رصدتأن الإصدارات المختلفة من اللعبة تبدو مختلفة. كان لدى Game Boy الأصلي صوت "صوت جهير دافئ" ، بينما كان لدى Game Boy Color صوت "رقيق" مع ضجيج في الخلفية وضجيج. وهي ليست مجرد مشاعر ذاتية - الاختلافات مرئية على الرسم البياني للإشارة: من
المثير للاهتمام ، يمكن تفسير معظم الاختلافات الصوتية من خلال تحليل شرائح مكبر الصوت. يقترب خرج Game Boy من موجة مربعة ، ومع ذلك ، نظرًا لمكثف الفصل 100uF ، فإن الشكل الموجي يتدهور. تم إعداد مكبر الصوت في Game Boy Colour كمرشح تمرير عالي ، لذلك ينتج قمم عالية التردد مع فقدان صوت الجهير.
خاتمة
تستخدم Game Boy من عام 1989 و Game Boy Color من عام 1998 شرائح مضخم خاصة. من خلال دراسة صورة البلورة ، يمكنك إجراء هندسة عكسية لدوائرها. تختلف الرقائق بشكل عام عن مضخمات الصوت التقليدية من ناحيتين - وهو ما يفسر الحاجة إلى رقائق خاصة. أولاً ، تحتوي كل شريحة على ثلاثة مكبرات صوت: اثنان لقنوات سماعة الرأس وواحدة للسماعة. ثانيًا ، لتوفير الطاقة ، تحتوي الشريحة على دائرة خاصة تقوم بإيقاف تشغيل مضخمات الصوت غير المستخدمة اعتمادًا على ما إذا كانت سماعات الرأس متصلة. تشرح الهندسة العكسية للرقائق معظم الاختلافات في الصوت بين Game Boy و Game Boy Color. تقوم شريحة Game Boy Color بتطبيق مرشح تمرير عالي ، بحيث يكون الصوت رقيقًا ويفتقر إلى جهير Game Boy.