Das folgende Diagramm zeigt ein Foto eines Game Boy-Siliziumchips mit den wichtigsten Funktionskomponenten.
Der Verstärkerchip hat die Aufschrift DMG-AMP, was für Dot Matrix Game Amplifier steht. Die Teilenummer dieses 18-poligen Chips von Sharp lautet IR3R40.
Die interne Bezeichnung des Chips lautet SBG14.
Oben links auf dem Chip befinden sich zwei große Treibertransistoren für den Lautsprecher (einer zieht das Signal nach unten und der andere nach oben). Der Kopfhörerverstärker besteht aus zwei nahezu identischen Blöcken - für den linken und den rechten Kanal. Die Schaltkreise von Stromquellen und Stromspiegeln sind für beide Kanäle gleich. Unten links auf dem Chip befindet sich die digitale Logik, die den Verstärker für den Lautsprecher oder die Kopfhörer einschaltet. Sie wird aktiviert, wenn Kopfhörer angeschlossen sind. Klickbar
Durch sorgfältige Untersuchung des Kristalls können Sie Komponenten wie Transistoren und Widerstände finden. Und ausgehend davon können Sie das gesamte Schema verstehen. Auf dem Foto oben sind die weißen Linien die Metallschicht des Chips, die die Komponenten verbindet. Das Silizium selbst sieht grünlich aus und befindet sich unter dem Metall. Grüne Rechtecke um den Umfang sind Pads zum Löten von Drähten, die den Kristall und 18 Kontakte des Chips verbinden. Um die elektrischen Eigenschaften zu ändern , werden während des Dotierungsprozesses Verunreinigungen in einige Bereiche des Siliziums eingebracht . Im nächsten Abschnitt wird erläutert, wie verschiedene Komponenten aus diesen verschiedenen Siliziumtypen hergestellt werden.
NPN-Transistor
Der Verstärkerchip verwendet NPN- und PNP- Bipolartransistoren , die sich von den in Prozessoren verwendeten Niedrigleistungs- MOSFETs unterscheiden . Diese Transistoren haben drei Kontakte - einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor. Das vergrößerte Foto unten zeigt einen NPN-Transistor. Unterschiedliche Siliziumtöne geben Bereiche ab, denen Verunreinigungen hinzugefügt wurden, um die N- und P-Bereiche zu bilden. Dunkle Linien trennen diese Bereiche. Die silbernen Blasen sind eine Metallschicht auf dem Silizium, die die Leiter bildet, die mit der Basis, dem Emitter und dem Kollektor verbunden sind.
NPN-Transistor im Game Boy-Farbverstärkerchip. Kollektor C, Emitter E und Base B sind markiert. N und P sind Siliziumbereiche mit Verunreinigungen.
Unter dem Foto befindet sich ein vertikales Schnittdiagramm, das die Vorrichtung des Transistors beschreibt. Emitter E verbindet sich mit Silizium N +. Darunter liegt die P-Schicht, die mit dem Basisstift B verbunden ist. Darunter befindet sich die N + -Schicht, die (indirekt) mit dem Kollektor C verbunden ist. Wenn Sie sich den vertikalen Abschnitt unter dem Buchstaben E ansehen, sehen Sie die NPN-Schichten, die den Transistor bilden.
Nachfolgend ist eine andere Struktur aufgeführt, die für einen Hochleistungsstromtransistor verwendet wird, der einen Lautsprecher ansteuert. Sie sind größer und haben viele miteinander verflochtene Emitter- und Basis- "Finger", die von einem großen Verteiler umgeben sind. Auf dem Foto des Kristalls sehen Sie zwei solcher Transistoren, die die obere linke Seite des Kristalls füllen.
Großer Hochstrom-NPN-Transistor im Game Boy-Farbverstärkerchip. Kollektor C, Emitter E und Basis B sind markiert.
PNP-Transistor
Außerdem verwendet der Chip völlig anders gestaltete PNP-Transistoren. Sie sind in der folgenden Abbildung beschrieben. Der offensichtlichste Unterschied ist, dass sie rund sind.
Die meisten PNP-Transistoren auf diesem Chip sind rund. Wenn jedoch mehrere PNP-Transistoren kombiniert werden, wird immer noch eine rechteckige Struktur verwendet. Rechteckwellen-PNP-Transistoren sind größer als Rechteck-NPN-Transistoren. Der Chip hat auch mehrere PNP-Transistoren mit jeweils mehreren Kollektoren. Andere PNP-Transistoren haben keine dedizierten Kontakte für den Kollektor - stattdessen wird ein Substrat (Masse) verwendet.
Ein PNP-Transistor hat einen kleinen kreisförmigen Emitter (P-Silizium), der von einer ringförmigen Basis (N-Silizium) umgeben ist, die wiederum von einem Kollektor (P-Silizium) umgeben ist. Das Emittermetall bedeckt sowohl den Emitter als auch die Basis, ist jedoch nur mit dem Emitter verbunden. Diese Patches bilden ein PNP-Sandwich horizontal (seitlich) und nicht vertikal wie ein NPN-Transistor. Obwohl der Basisabschnitt den Emitter physikalisch umgibt, ist der Metallkontakt mit der Basis weiter entfernt. Das Signal von der Basis geht durch Abschnitt N unter dem Kollektor.
PNP-Transistor auf dem Game Boy Color-Verstärkerchip. Es werden Kontakte mit Kollektor C, Emitter E und Base B sowie Silizium mit N- und P-Verunreinigungen festgestellt.
Widerstände
Widerstände sind ein wichtiger Bestandteil eines analogen Chips. Das Foto unten zeigt lange Zick-Zack-Widerstände aus P-Siliziumstreifen, die auf dem Foto beige aussehen. Sein Widerstand ist proportional zur Länge des Widerstands, sodass Widerstände mit großen Werten im Zickzack in den verfügbaren Raum passen. Da Widerstände relativ groß und ungenau sind, versuchen Chipdesigns, ihre Anzahl zu minimieren. Ein solcher analoger Chip erfordert jedoch viele Widerstände.
Einige der Widerstände auf dem Game Boy-Verstärkerchip. In der Mitte sorgen zwei parallele Widerstände für einen geringen Widerstand. Lange, gewundene Widerstände bieten einen hohen Widerstand.
Das Foto unten zeigt sieben kleine Widerstände, aber nur zwei in der Mitte (parallel) sind an die Schaltung angeschlossen. Zusätzliche Widerstände ermöglichen Änderungen durch Ändern der Metallschicht - viel einfacher als das Ändern von Silizium. Diese Widerstände spannen den Ausgangstransistor vor, und dies scheint ein kritischer Widerstand zu sein, der abgestimmt werden muss.
Kondensatoren
Auf diesem Chip befinden sich drei große Kondensatoren, einer für jeden Verstärker. Das Foto unten zeigt einen der Kondensatoren. Ein Kondensator ist einfach eine massive Metallschicht, die durch eine dünne isolierende Oxidschicht vom darunter liegenden Siliziumsubstrat getrennt ist. Oben rechts auf dem Foto sehen Sie die Verbindungen der Metallleiter und des Siliziumsubstrats. In diesem Chip werden Kondensatoren verwendet, um die Stabilität des Verstärkers sicherzustellen. Aufgrund ihrer Größe sind die drei Kondensatoren auf dem Foto des Kristalls leicht zu erkennen.
LM380
Die Schaltung des Game Boy-Verstärkerchips ist dem beliebten LM380-Audioverstärkerchip aus dem Jahr 1972 sehr ähnlich. Ich werde daher zunächst die Funktionsweise des LM380 überprüfen. Der LM380 verfügt über nicht invertierende und nicht invertierende Eingänge sowie einen Ausgang, der die Differenz zwischen den Eingängen eine feste Anzahl von Malen verstärkt - 50. Es sieht aus wie ein Operationsverstärker, aber der Zweck des LM380 besteht darin, Audio zu verstärken, und dies unterscheidet ihn in mehrfacher Hinsicht von einem Operationsverstärker: ein kleines festes Verhältnis Verstärkung, keine negative Spannung und andere interne Implementierung.
Das folgende Diagramm zeigt die Hauptfunktionsblöcke des LM380. Die Eingänge gehen an die Differentialpaarschaltung (blau). Die Eingänge des LM380 (oder Game Boy-Verstärkers) gehen an ein Differenzpaar (Q3, Q4), aber dieses Differenzpaar unterscheidet sich von den Standard-Operationsverstärkern. Insbesondere empfangen die Emitter einen variierenden Strom, und aus diesem Grund tritt eine Rückkopplung auf.
Der Ausgang des Differenzpaars (grün) wird durch eine einzelne Transistorverstärkerstufe geleitet, wodurch die Verstärkung erhöht wird. Der Kondensator stabilisiert den Verstärker und verhindert so Schwingungen. Schließlich liefert die Ausgangsstufe (Magenta) viel Strom: Der Leistungstransistor Q7 zieht den Ausgang nach oben und Q8 und Q9 nach unten.
Die Ausgangsstufen des Lautsprecherverstärkers des LM380 und des Game Boy verwenden ein komplementäres Transistorpaar, um das Signal nach unten zu ziehen. Die Kombination aus PNP-Transistor und NPN-Transistor wirkt als PNP-Transistor mit höherer Leistung und ähnelt etwas einem zusammengesetzten Transistor .
Die Rückkopplungsschleife steuert die Verstärkung des LM380 und sperrt sie auf 50. Im Gegensatz zu einem Operationsverstärker ist das Rückkopplungsnetzwerk des LM380 mit den internen Punkten des Verstärkers verbunden, nicht mit dem Eingang.
LM380 Audioverstärker. Diagramm basierend auf Anwendungshinweisen.
Einzelheiten zur Funktionsweise des LM380 finden Sie im Application Note von National Semiconductor und im Dokument Power Audio Amplifier IC LM380 . Ein ähnlicher LM386 wird in der Vorlesung beschriebenund andere Beschreibung .
Ich werde nun die Rückkopplungsschleife dieses Chips beschreiben, da der Game Boy-Chip nach ähnlichen Prinzipien arbeitet. Das folgende Diagramm zeigt, wie die Rückkopplungsschleife des LM380 ohne Eingang funktioniert. Oben links erzeugt die Versorgungsspannung VS, die durch R1 fließt, den Strom I. Die Transistoren Q5 und Q6 bilden einen Stromspiegel: Dies bewirkt, dass der durch Q6 fließende Strom mit dem durch Q5 fließenden Strom I übereinstimmt. Der Strom von Q4 zum verbleibenden Chip sollte ungefähr 0 sein (da der Rest des Chips ihn stark erhöht). Infolgedessen stellt sich heraus, dass der Strom durch R2 (erzeugt durch Rückkopplung mit der Ausgangsspannung) ebenfalls gleich I sein sollte. Da der Widerstand von R2 halb so groß ist wie der von R1, sollte die Ausgangsspannung gleich der Hälfte der Versorgungsspannung sein. Es stellt sich heraus, dass die Ausgangsspannung in Ruhe gleich der Hälfte der Versorgungsspannung ist, was benötigt wurde.
Beim Anschließen der Eingänge funktioniert die Rückkopplungsschleife wie folgt. Angenommen, dem positiven Eingang wird eine Spannung ΔV gegeben. Die Emitterfolgertransistoren Q3 und Q4 puffern und verstärken den Eingang, so dass über R3 das gleiche ΔV erscheint. Infolgedessen fließt ein Strom ∆I durch den Widerstand. Dies erhöht den durch Q5 fließenden Strom auf I + ΔI, und dank des Stromspiegels fließt der gleiche Strom durch Q6. Addiert man alle Ströme, so ergibt sich, dass der Strom durch R2 gleich I + 2ΔI sein sollte. Da R2 25-mal größer als R3 ist, erhöht 2 & Dgr; I die Ausgangsspannung auf 50 & Dgr; V. Daher wird die Eingangsspannung mit 50 multipliziert. Die Idee dahinter ist, dass die Rückkopplungsschleife den Multiplikationsfaktor auf 50 festlegt.
Es scheint mir, dass der beste Weg, den LM380 zu verstehen, darin besteht, ihn als einen Operations-Transresistenz-Verstärker (OTRA) zu betrachten, einen vergessenen Verwandten eines Operationsverstärkers. Der OTRA arbeitet auf die gleiche Weise wie ein Operationsverstärker, außer dass anstelle der Spannung Ströme an die beiden Eingänge angelegt werden und die Differenz zwischen den Strömen verstärkt wird, was eine Ausgangsspannung ergibt. Die zwei I-Ströme, die in den OTRA eintreten, sollten ungefähr gleich sein, und die Eingangsspannungen können unterschiedlich sein (im Gegensatz zu einem Operationsverstärker).
Das obige Diagramm zeigt den LM380 als Operationsverstärker und Rückkopplungsschleife. Das Gleichsetzen der beiden Ströme ergibt V out = V s / 2 + 51 V + - 50,5 V - oder ungefähr V out = V s/ 2 + 50 * (V + -V - ). Mit anderen Worten, der Ausgang ist auf die Hälfte der Versorgungsspannung zentriert und die Differenz der Eingangsspannungen wird mit dem Faktor 50 multipliziert. Niemand sonst hat den LM380 so beschrieben, daher kann ich mich irren - bisher sehe ich jedoch keine Fehler in dieser Analyse.
Game Boy Audio Chip: Kopfhörerverstärker
Game Boy Brett. Der Audioverstärkerchip befindet sich in der Mitte der rechten Seite.
Auf dem Game Boy-Verstärkerchip befinden sich drei Verstärker: zwei identische für den linken und rechten Kopfhörerkanal und ein leistungsstärkerer Monoverstärker für den Lautsprecher. Game Boy-Kopfhörer- und Lautsprecherverstärker sind unterschiedlich, beide ähneln jedoch im Prinzip dem LM380.
Das folgende Diagramm zeigt den Game Boy-Kopfhörerverstärker. Wenn Sie es mit der LM380-Schaltung vergleichen, können Sie die Ähnlichkeiten zwischen dem LM380 und dem Kopfhörerverstärker erkennen, aber es gibt auch einen Unterschied. Vor allem unterscheidet es sich durch die Eingangsstufe und die Rückkopplungsschaltung, und die Kopfhörerverstärkerschaltung ist im wesentlichen identisch.
Ich habe die genauen Werte der Widerstände auf dem Kristall nicht gefunden, aber wenn man ihre Längen vergleicht, können sie grob bestimmt werden. Mit Blick auf R48, R49, R50 und R51 habe ich berechnet, dass das Verhältnis der Kopfhörerverstärker 22 beträgt. Gemessen an den Widerständen R2, R3, R4 und R7 ist das Verhältnis der Lautsprecherverstärker 30 und damit deutlich höher als das der Kopfhörer.
Der Kopfhörerverstärker verfügt über drei Transistoren in der Verstärkungsstufe, im Gegensatz zu einem im LM380 - wahrscheinlich für mehr Verstärkung. Die Ausgangsstufe eines Kopfhörerverstärkers ist ähnlich, aber vereinfacht. Das PNP / NPN-Paar, das den LM380-Ausgang herunterzieht, wurde durch einen einzelnen PNP-Transistor ersetzt. Der größte Unterschied ist der Control-Bereich des Verstärkers, den der LM380 nicht hat. Dieser Steuerkreis schaltet den Kopfhörerverstärker aus, wenn er nicht eingesetzt ist, wodurch Batteriestrom gespart wird.
Game Boy Kopfhörerverstärkerschaltung. Gezeichnet von mir nach dem Reverse Engineering des Kristalls.
Das Foto unten zeigt den linken Kopfhörerverstärker. Der ausgehende Kontakt (unten rechts neben der Teilenummer SBG14) wird von sieben parallelen PNP-Transistoren (oben links) und sieben kleineren parallelen NPN-Transistoren (Mitte unten) angesteuert. Der Kondensator befindet sich oben links in der Mitte. Viele Widerstände schlängeln sich um den Kristall.
Linker Kopfhörerverstärker auf dem Chip. Das richtige ist das Spiegelbild.
Game Boy Audio-Chip: Lautsprecherverstärker
Das folgende Diagramm zeigt den Game Boy-Lautsprecherverstärker. Im Gegensatz zu den beiden Kanälen eines Kopfhörerverstärkers gibt es nur einen Lautsprecherverstärker, der eine Mischung aus linken und rechten Kanälen erzeugt. Die Eingangsstufe und das Feedback sind wieder fast identisch mit dem LM380. Die Endstufe unterscheidet sich geringfügig. Die Lautsprecherverstärkerstufe ist jedoch völlig anders: Sie enthält eine Differenzverstärkerstufe mit vier Transistoren, die viel mehr Verstärkung bietet. Obwohl diese Verstärkerstufe der Eingangsstufe sehr ähnlich ist, ist sie unterschiedlich angeschlossen und verwendet einen NPN-Transistor.
Die Lautsprecherverstärkerschaltung im Game Boy-Verstärkerchip
Die Gesamtverstärkung des Chips wird durch die Rückkopplungsschleife begrenzt. Der Operationsverstärker arbeitet so, dass die Rohverstärkung in der Größenordnung von 100.000 liegt, aber die Rückkopplung reduziert sie auf etwas Vernünftigeres wie 50. Die "zusätzliche" Verstärkung erhöht die Effizienz und verringert die Verzerrung. Mit anderen Worten, die zusätzliche Verstärkerstufe des Game Boy im Vergleich zum LM380 macht ihn nicht 100-mal lauter.
In der zweiten Verstärkungsstufe habe ich nicht wenig verstanden. Es ist ähnlich wie bei einem Differenzverstärker, außer dass bei einem Differenzverstärker normalerweise Emitter angeschlossen sind und in dieser Schaltung die Kollektoren angeschlossen sind.
Der Chip verfügt über Stifte zum Entkoppeln von Kondensatoren, um die Auswirkungen von Leistungsschwankungen zu verringern. Kopfhörerverstärker verfügen über externe Entkopplungskondensatoren. Aus irgendeinem Grund verfügt der Lautsprecherverstärker jedoch nicht über Entkopplungskondensatoren (siehe Abbildung). Es ist möglich, dass der Lautsprecher aufgrund des Fehlens dieses Kondensators Hintergrundsummen hat, über das sich die Leute beschweren.
Der im Game Boy (und LM380) -Chip verwendete Entkopplungskondensator trägt dazu bei, die Auswirkungen von Leistungsschwankungen zu verringern. Chips haben oft Entkopplungskondensatoren zwischen Leistung und Masse, aber dieser Entkopplungskondensator ist etwas anders. Es ist mit einem bestimmten Punkt in der Rückkopplungsschleife verbunden, was es effizienter macht als ein herkömmlicher Entkopplungskondensator.
Vergleich mit Game Boy Color
Ich habe kürzlich das Reverse Engineering des Game Boy-Farbverstärkerchips behandelt, daher wird es interessant sein, die beiden zu vergleichen. Die Game Boy- und Game Boy-Farbverstärkerchips haben ähnliche Funktionen. Sie sehen auch auf Kristallebene ähnlich aus. Beide haben Leistungstransistoren in der oberen linken Ecke des Lautsprechers, Steuerkreise in der unteren linken Ecke und zwei Kopfhörerkanäle in der rechten.
Vergleich der Audioverstärkerchips von Game Boy (links) und Game Boy Color (rechts)
Es stellte sich jedoch unerwartet heraus, dass diese Chips auf völlig unterschiedliche Weise implementiert werden. Während der Game Boy einen Audioverstärker im LM380-Stil verwendet, verwendet der Game Boy Color Operationsverstärker mit komplexeren Schaltkreisen. Am wichtigsten ist, dass der Game Boy-Chip über eine interne Rückkopplung zur Verstärkungsregelung verfügt, während der Game Boy Color über einen externen Rückkopplungskondensator verfügt, der als Hochpassfilter fungiert. Weitere Informationen finden Sie in meinem Game Boy Color Amplifier Artikel und schematische Darstellung .
Game Boy-Systemkollektoren entdecktdass verschiedene Versionen des Spiels unterschiedlich klingen. Der ursprüngliche Game Boy hatte einen "warmen Bass-Sound", während der Game Boy Color einen "dünnen" Sound mit Hintergrundgeräuschen und Brummen hatte. Und es sind nicht nur subjektive Gefühle - die Unterschiede sind im Signaldiagramm sichtbar:
Interessanterweise können die meisten Schallunterschiede durch die Analyse der Verstärkerchips erklärt werden. Der Ausgang des Game Boy liegt nahe an einer Rechteckwelle. Aufgrund des 100-uF-Entkopplungskondensators sinkt die Wellenform jedoch ab. Der Verstärker in Game Boy Color ist als Hochpassfilter eingerichtet, sodass er hochfrequente Spitzen erzeugt und gleichzeitig den Bassklang verliert.
Fazit
Game Boy von 1989 und Game Boy Color von 1998 verwenden spezielle Verstärkerchips. Indem Sie das Foto des Kristalls studieren, können Sie deren Schaltkreise rückentwickeln. Chips unterscheiden sich im Allgemeinen in zweierlei Hinsicht von herkömmlichen Verstärkern - was die Notwendigkeit spezieller Chips erklärt. Erstens hat jeder Chip drei Verstärker: zwei für die Kopfhörerkanäle und einen für den Lautsprecher. Zweitens verfügt der Chip aus Energiegründen über eine spezielle Schaltung, die nicht verwendete Verstärker ausschaltet, je nachdem, ob die Kopfhörer angeschlossen sind. Das Reverse Engineering der Chips erklärt die meisten Klangunterschiede zwischen Game Boy und Game Boy Color. Der Game Boy Color-Chip implementiert einen Hochpassfilter, sodass der Sound dünn ist und der Bass des Game Boy fehlt.