Diagram di bawah ini menunjukkan foto silikon Game Boy silikon dengan komponen fungsional utama yang diberi judul.
Chip penguat memiliki tulisan DMG-AMP, yang merupakan singkatan dari penguat Dot Matrix Game. Nomor bagian dari chip 18-pin ini dari Sharp) adalah IR3R40.
Penunjukan internal chip adalah SBG14.
Di kiri atas chip, ada dua transistor driver besar untuk speaker (satu menarik sinyal ke bawah dan yang lainnya ke atas). Penguat headphone terdiri dari dua blok yang hampir identik - untuk saluran kiri dan kanan. Sirkuit sumber saat ini dan cermin saat ini adalah umum untuk kedua saluran. Di bagian kiri bawah chip adalah logika digital yang menyalakan amplifier untuk speaker atau headphone - diaktifkan ketika headphone terhubung. Dapat diklik
Dengan hati-hati memeriksa kristal, Anda dapat menemukan komponen seperti transistor dan resistor. Dan mulai dari ini, Anda dapat memahami keseluruhan skema. Pada foto di atas, garis putih adalah lapisan logam dari chip yang menghubungkan komponen. Silikon itu sendiri terlihat kehijauan dan berada di bawah logam. Persegi panjang hijau di sekeliling perimeter adalah bantalan untuk kawat solder yang menghubungkan kristal dan 18 kontak chip. Untuk mengubah sifat listrik , kotoran dimasukkan ke beberapa area silikon selama proses doping . Bagian selanjutnya menjelaskan bagaimana berbagai komponen dibuat dari berbagai jenis silikon ini.
Transistor NPN
Chip amplifier menggunakan transistor bipolar NPN dan PNP , yang berbeda dari MOSFET daya rendah yang digunakan dalam prosesor. Transistor ini memiliki tiga kontak - emitor, basis, dan kolektor. Foto yang diperbesar di bawah ini menunjukkan transistor NPN. Nuansa silikon yang berbeda memberikan area yang telah ditambahkan pengotor untuk membentuk daerah N dan P. Garis hitam memisahkan area ini. Gelembung keperakan adalah lapisan logam di atas silikon yang membentuk konduktor yang terhubung ke dasar, emitor, dan kolektor.
Transistor NPN dalam chip penguat Game Boy Color. Kolektor C, emitor E, dan basis B ditandai. N dan P adalah daerah silikon dengan pengotor.
Di bawah foto adalah diagram bagian vertikal yang menggambarkan perangkat transistor. Emitter E terhubung ke silikon N +. Di bawahnya terletak lapisan P, yang menghubungkan ke pin dasar B. Di bawahnya adalah lapisan N +, terhubung (secara tidak langsung) ke kolektor C. Jika Anda melihat bagian vertikal di bawah huruf E, Anda dapat melihat lapisan NPN membentuk transistor.
Di bawah ini adalah struktur lain yang digunakan untuk transistor arus keluaran tinggi yang menggerakkan speaker. Mereka lebih besar dan memiliki banyak emitor terjalin dan "jari" pangkal dikelilingi oleh manifold besar. Dalam foto kristal, Anda dapat melihat dua transistor seperti mengisi sisi kiri atas kristal.
Transistor NPN besar saat ini dalam chip amplifier Game Boy Color. Kolektor C, emitor E dan basis B ditandai.
Transistor PNP
Juga, chip tersebut menggunakan transistor PNP yang dirancang sangat berbeda. Mereka dijelaskan dalam diagram di bawah ini. Perbedaan yang paling jelas adalah bahwa mereka bulat.
Sebagian besar transistor PNP pada chip ini bulat. Namun, ketika menggabungkan beberapa transistor PNP, struktur persegi panjang masih digunakan. Transistor PNP gelombang persegi lebih besar daripada transistor NPN gelombang persegi. Chip ini juga memiliki beberapa transistor PNP dengan masing-masing beberapa kolektor. Transistor PNP lain tidak memiliki kontak khusus untuk kolektor - sebagai gantinya, substrat (ground) digunakan.
Transistor PNP memiliki emitor melingkar kecil (P-silikon) dikelilingi oleh basis berbentuk cincin (N-silikon), yang pada gilirannya dikelilingi oleh kolektor (P-silikon). Logam emitor mencakup emitor dan alas, tetapi hanya terhubung ke emitor. Bagian-bagian ini membentuk sandwich PNP secara horizontal (menyamping) daripada vertikal seperti transistor NPN. Meskipun bagian dasar secara fisik mengelilingi emitor, kontak logam dengan alas lebih jauh. Sinyal dari pangkalan melewati bagian N di bawah kolektor.
Transistor PNP pada chip penguat Game Boy Color. Kontak dengan pengumpul C, emitor E, dan basis B, serta silikon dengan pengotor N dan P dicatat.
Resistor
Resistor adalah komponen penting dari sebuah chip analog. Foto di bawah ini menunjukkan resistor zig-zagging panjang yang terbentuk dari strip P silikon, yang terlihat krem di foto. Resistansinya sebanding dengan panjang resistor, sehingga resistor dengan nilai zigzag besar agar sesuai dengan ruang yang tersedia. Karena resistor relatif besar dan tidak tepat, desain chip berusaha meminimalkan jumlah mereka. Namun chip analog seperti itu membutuhkan banyak resistor.
Beberapa resistor pada chip amplifier Game Boy. Di tengah, dua resistor paralel memberikan resistansi rendah. Resistor yang panjang dan berliku memberi perlawanan besar.
Foto di bawah ini menunjukkan tujuh resistor kecil, tetapi hanya dua di tengah (paralel) yang terhubung ke rangkaian. Resistor tambahan memungkinkan untuk membuat perubahan dengan mengubah lapisan logam - jauh lebih mudah daripada mengganti silikon. Resistor ini bias transistor keluaran, dan ini tampaknya menjadi resistensi kritis yang perlu disetel.
Kapasitor
Ada tiga kapasitor besar pada chip ini, satu untuk setiap amplifier. Foto di bawah ini menunjukkan salah satu kapasitor. Kapasitor hanyalah lapisan besar logam yang dipisahkan dari substrat silikon yang mendasarinya oleh lapisan oksida isolasi tipis. Di kanan atas dalam foto, Anda dapat melihat koneksi konduktor logam dan substrat silikon. Dalam chip ini, kapasitor digunakan untuk memastikan stabilitas amplifier. Karena ukurannya, ketiga kapasitor mudah dikenali dalam foto kristal.
LM380
Sirkuit chip amplifier Game Boy sangat mirip dengan chip amplifier audio LM380 yang populer mulai tahun 1972, jadi saya akan mulai dengan meninjau cara kerja LM380. LM380 memiliki input non-pembalik dan non-pembalik, serta output yang memperkuat perbedaan antara input beberapa kali - 50. Kelihatannya seperti penguat operasional, tetapi tujuan dari LM380 adalah untuk memperkuat audio, dan ini membedakannya dari penguat operasional dengan beberapa cara: rasio tetap kecil gain, tidak ada tegangan negatif dan implementasi internal lainnya.
Diagram di bawah ini menunjukkan blok fungsional utama LM380. Input masuk ke rangkaian pasangan diferensial (biru). Input ke LM380 (atau penguat Game Boy) pergi ke pasangan diferensial (Q3, Q4), namun pasangan diferensial ini berbeda dari op amp standar. Secara khusus, emitor menerima arus yang bervariasi, dan karena inilah umpan balik terjadi.
Output dari pasangan diferensial (hijau) dilewatkan melalui tahap penguat transistor tunggal, yang meningkatkan gain. Kapasitor menstabilkan amplifier, mencegah osilasi. Akhirnya, tahap output (magenta) menghasilkan banyak arus: transistor daya Q7 menarik output naik, dan Q8 dan Q9 menarik ke bawah.
Tahap output penguat speaker dari LM380 dan Game Boy menggunakan sepasang transistor pelengkap untuk menarik sinyal ke bawah. Kombinasi transistor PNP dan transistor NPN bertindak sebagai transistor PNP daya yang lebih tinggi, agak menyerupai transistor komposit .
Putaran umpan balik mengontrol penguatan LM380, menguncinya pada 50. Tidak seperti amplifier operasional, jaringan umpan balik LM380 terhubung ke titik internal amplifier, bukan ke input.
Penguat audio LM380. Diagram berdasarkan catatan aplikasi.
Untuk detail tentang cara kerja LM380, lihat Catatan Aplikasi dari National Semiconductor dan dokumen Power Audio Amplifier IC LM380 . LM386 serupa dijelaskan dalam kuliah inidan deskripsi lainnya .
Saya sekarang akan menjelaskan loop umpan balik dari chip ini, karena chip Game Boy bekerja pada prinsip yang sama. Diagram di bawah ini menunjukkan bagaimana loop umpan balik dari LM380 bekerja tanpa input. Di kiri atas, tegangan suplai VS, yang melewati R1, menciptakan arus I. Transistor Q5 dan Q6 membentuk cermin arus: ini menyebabkan arus melalui Q6 sesuai dengan arus yang saya lewati Q5. Arus dari Q4 ke chip yang tersisa harus sekitar 0 (karena sisa chip sangat meningkat). Akibatnya, ternyata arus melalui R2 (dibuat oleh umpan balik dengan tegangan output) juga harus sama dengan I. Karena resistansi R2 adalah setengah dari R1, tegangan output harus sama dengan setengah tegangan suplai. Ternyata tegangan keluaran saat istirahat akan sama dengan setengah dari tegangan suplai, yang diperlukan.
Saat menghubungkan input, loop umpan balik berfungsi sebagai berikut. Misalkan tegangan ΔV diberikan ke input positif. Transistor emitor-pengikut Q3 dan Q4 buffer dan meningkatkan input, sehingga ΔV yang sama muncul di R3. Akibatnya, arus ∆I mengalir melalui resistor. Ini meningkatkan arus yang mengalir melalui Q5 ke I + ΔI, dan berkat cermin saat ini, arus yang sama akan mengalir melalui Q6. Menambahkan semua arus, kita mendapatkan bahwa arus melalui R2 harus sama dengan I + 2ΔI. Karena R2 25 kali lebih besar dari R3, 2ΔI meningkatkan tegangan output ke 50ΔV. Oleh karena itu, tegangan input dikalikan dengan 50. Gagasan di balik ini adalah bahwa loop umpan balik memperbaiki faktor multiplikasi menjadi 50.
Bagi saya, cara terbaik untuk memahami LM380 adalah dengan menganggapnya dibuat dari penguat transresistensi operasional (OTRA), kerabat yang relatif terlupakan dari penguat operasional. OTRA bekerja dengan cara yang sama sebagai penguat operasional, kecuali bahwa alih-alih tegangan, arus diterapkan pada dua input, dan perbedaan antara arus diperkuat, memberikan tegangan output. Dua arus I yang memasuki OTRA harus kira-kira sama, dan tegangan input mungkin berbeda (tidak seperti op amp).
Diagram di atas menunjukkan LM380 sebagai op-amp dan loop umpan balik. Menyamakan kedua arus menghasilkan V out = V s / 2 + 51V + - 50.5V - , atau sekitar V out = V s/ 2 + 50 * (V + -V - ). Dengan kata lain, output dipusatkan pada setengah dari tegangan suplai dan perbedaan dalam tegangan input dikalikan dengan faktor 50. Tidak ada orang lain yang menggambarkan LM380 dengan cara ini, jadi saya mungkin salah - namun, sejauh ini saya tidak melihat kesalahan dalam analisis ini.
Chip Audio Game Boy: Penguat Headphone
Papan Game Boy. Chip penguat audio ada di tengah sisi kanan.
Ada tiga amplifier pada chip amplifier Game Boy: dua identik untuk saluran headphone kiri dan kanan, dan satu amplifier mono yang lebih kuat untuk speaker. Game Boy headphone amp dan speaker amp berbeda, tetapi keduanya pada prinsipnya mirip dengan LM380.
Diagram di bawah ini menunjukkan amplifier headphone Game Boy. Jika Anda membandingkannya dengan sirkuit LM380, Anda dapat melihat kesamaan antara LM380 dan amplifier headphone, tetapi ada juga perbedaan. Yang terpenting, ini dibedakan oleh tahap input dan sirkuit umpan balik, dan sirkuit penguat headphone pada dasarnya identik.
Saya tidak menemukan nilai pasti resistor pada kristal, tetapi jika Anda membandingkan panjangnya, mereka dapat ditentukan secara kasar. Melihat R48, R49, R50 dan R51, saya menghitung bahwa rasio penguat headphone adalah 22. Dilihat oleh resistor R2, R3, R4 dan R7, rasio penguat speaker adalah 30, secara signifikan lebih tinggi daripada headphone.
Penguat headphone memiliki tiga transistor dalam tahap amplifikasi, yang bertentangan dengan satu di LM380 - mungkin untuk mendapatkan lebih banyak. Tahap output dari penguat headphone serupa tetapi disederhanakan. Pasangan PNP / NPN yang menarik output LM380 telah diganti dengan transistor PNP tunggal. Perbedaan terbesar adalah bagian Kontrol amplifier, yang tidak dimiliki LM380. Rangkaian kontrol ini mematikan amplifier headphone ketika tidak dimasukkan, yang menghemat daya baterai.
Rangkaian amplifier headphone Game Boy. Digambar oleh saya setelah rekayasa terbalik kristal.
Foto di bawah ini menunjukkan amplifier headphone kiri. Kontak keluar (kanan bawah, di sebelah nomor bagian SBG14) digerakkan oleh tujuh transistor PNP paralel (kiri atas) dan tujuh transistor NPN paralel yang lebih kecil (tengah bawah). Kapasitor berada di kiri atas tengah. Banyak resistor ular di sekitar kristal.
Amplifier-on-chip headphone kiri. Yang tepat adalah gambar cerminnya.
Chip audio Game Boy: penguat speaker
Diagram berikut menunjukkan penguat speaker Game Boy. Berbeda dengan dua saluran amplifier headphone, hanya ada satu amplifier speaker, dan itu menghasilkan campuran saluran kiri dan kanan. Tahap input dan umpan balik hampir identik dengan LM380. Tahap output sedikit berbeda. Namun, tahap penguat speaker benar-benar berbeda: ini termasuk tahap penguat diferensial empat-transistor, yang memberikan keuntungan lebih banyak. Meskipun tahap penguat ini sangat mirip dengan tahap input, ini terhubung secara berbeda dan menggunakan transistor NPN.
Sirkuit pengeras suara speaker dalam chip penguat Game Boy
Keuntungan keseluruhan chip dibatasi oleh loop umpan balik. Op-amp bekerja sehingga keuntungan mentah akan berada di urutan 100.000, tetapi umpan balik menguranginya menjadi sesuatu yang lebih masuk akal, seperti 50. Keuntungan "ekstra" meningkatkan efisiensi dan mengurangi distorsi. Dengan kata lain, tahap ekstra amp Game Boy, dibandingkan dengan LM380, tidak akan membuatnya 100 kali lebih keras.
Pada tahap penguatan kedua, saya tidak mengerti sedikit. Ini mirip dengan penguat diferensial, kecuali bahwa penguat diferensial biasanya memiliki emitor yang terhubung, dan di sirkuit ini, kolektor terhubung.
Chip ini memiliki pin untuk decoupling kapasitor untuk mengurangi efek fluktuasi daya. Amplifier headphone memiliki kapasitor decoupling eksternal, namun, untuk beberapa alasan, amplifier speaker tidak memiliki kapasitor decoupling (lihat diagram). Ada kemungkinan bahwa karena kurangnya kapasitor ini, pembicara memiliki latar belakang hum yang dikeluhkan orang.
Kapasitor decoupling yang digunakan dalam chip Game Boy (dan LM380) membantu mengurangi efek fluktuasi daya. Chip sering memiliki kapasitor decoupling antara daya dan arde, tetapi kapasitor decoupling ini sedikit berbeda. Ini terhubung ke titik tertentu dalam loop umpan balik, yang membuatnya lebih efisien daripada kapasitor decoupling konvensional.
Perbandingan dengan Game Boy Color
Saya baru - baru ini membahas rekayasa terbalik dari chip amplifier Game Boy Color, jadi akan menarik untuk membandingkan keduanya. Chip amplifier Game Boy dan Game Boy Color memiliki fungsi yang serupa. Mereka terlihat serupa bahkan pada tingkat kristal. Keduanya memiliki transistor daya di sudut kiri atas speaker, sirkuit kontrol di sudut kiri bawah, dan dua saluran headphone di kanan.
Perbandingan chip penguat audio dari Game Boy (kiri) dan Game Boy Color (kanan)
Namun, ternyata chip ini diimplementasikan dengan cara yang sangat berbeda. Sementara Game Boy menggunakan amplifier audio gaya LM380, Game Boy Color menggunakan power op amp dengan sirkuit yang lebih kompleks. Perbedaan yang paling penting adalah bahwa chip Game Boy memiliki umpan balik internal untuk mendapatkan kontrol, sedangkan Game Boy Color juga memiliki kapasitor umpan balik eksternal, yang membuatnya bertindak sebagai filter high-pass. Untuk informasi lebih lanjut, lihat artikel Penguat Warna Game Boy saya dan diagram skematik .
Pengumpul sistem Game Boy terlihatversi permainan yang berbeda terdengar berbeda. Game Boy yang asli memiliki "suara bass yang hangat" sedangkan Game Boy Color memiliki suara "tipis" dengan suara latar belakang dan dengung. Dan itu bukan hanya perasaan subjektif - perbedaannya terlihat pada grafik sinyal:
Menariknya, sebagian besar perbedaan sonik dapat dijelaskan dengan menganalisis chip amplifier. Output Game Boy dekat dengan gelombang persegi, namun, karena kapasitor decoupling 100uF, bentuk gelombang merosot. Penguat di Game Boy Color diatur sebagai filter high-pass, sehingga menghasilkan puncak frekuensi tinggi sambil kehilangan suara bass.
Kesimpulan
Game Boy dari 1989 dan Game Boy Color dari 1998 menggunakan chip amplifier khusus. Dengan mempelajari foto kristal, Anda dapat merekayasa ulang sirkuitnya. Chip umumnya berbeda dari amplifier konvensional dalam dua hal - yang menjelaskan perlunya chip khusus. Pertama, setiap chip memiliki tiga amplifier: dua untuk saluran headphone, dan satu untuk speaker. Kedua, untuk menghemat daya, chip memiliki sirkuit khusus yang mematikan amplifier yang tidak digunakan tergantung pada apakah headphone terpasang. Reverse engineering dari chip menjelaskan sebagian besar perbedaan suara antara Game Boy dan Game Boy Color. Chip Game Boy Color mengimplementasikan filter high-pass, sehingga suaranya tipis dan tidak memiliki bass dari Game Boy.