[Перевод] Реверс-инжиниринг и сравнение двух чипов аудио усилителей Game Boy

У Nintendo Game Boy есть чип усилителя аудио, использующийся для звуков, которые издают динамик и наушники. В данной статье я опишу реверс-инжиниринг этого чипа и сравню его с более поздней версией от Game Boy Color (который я разбирал ранее). Неожиданно оказалось, что Game Boy Color использует совершенно другую схему усилителя – и это может объяснить, почему две эти системы звучат по-разному.

На диаграмме ниже показано фото кремниевого кристалла Game Boy с подписями основных функциональных компонентов.

На чипе усилителя есть надпись DMG-AMP, что означает Dot Matrix Game amplifier. Артикул этого 18-контактного чипа производства Sharp) — IR3R40.

Внутреннее обозначение чипа — SBG14.

Слева вверху на чипе есть два крупных драйверных транзистора для динамика (один притягивает сигнал вниз, а другой вверх). Усилитель наушников состоит из двух почти одинаковых блоков – для левого и правого канала. Схемы источников тока и токовых зеркал для обоих каналов общие. Слева внизу чипа находится цифровая логика, включающая усилитель либо для динамика, либо для наушников – она активируется при подключении наушников.

Кликабельно

Тщательно изучив кристалл, можно найти такие компоненты, как транзисторы и резисторы. А отталкиваясь от этого, можно понять всю схему. На фото выше белые линии – это металлический слой чипа, соединяющий компоненты. Сам кремний выглядит зеленоватым и находится под металлом. Зелёные прямоугольники по периметру – площадки для пайки проводников, соединяющих кристалл и 18 контактов чипа. Для изменения электрических свойств некоторые в участки кремния в процессе легирования вводятся примеси. В следующем разделе пояснено, как из этих различных видов кремния создаются разные компоненты.

NPN транзистор

Чип усилителя построен на биполярных NPN и PNP транзисторах, отличающихся от МОП-транзисторов низкого энергопотребления, используемых в процессорах. У этих транзисторов три контакта – эмиттер, база и коллектор. На увеличенном фото ниже показан NPN-транзистор. Отличающиеся оттенки кремния выдают участки, к которым были добавлены примеси, формирующие регионы N и P. Тёмные линии разделяют эти участки. Серебристые пузырьки – это металлический слой поверх кремния, формирующий проводники, подсоединяющиеся к базе, эмиттеру и коллектору.

NPN-транзистор в чипе усилителя Game Boy Color. Отмечены коллектор C, эмиттер E и база B. N и P – участки кремния с примесями.

Под фото дана схема вертикального разреза, описывающая устройство транзистора. Эмиттер E соединяется с кремнием N+. Под ним лежит слой P, соединяющийся с контактом базы B. Под ним находится слой N+, соединённый (не напрямую) с коллектором C. Если посмотреть на вертикальный разрез под буквой Е, то можно увидеть слои N-P-N, формирующие транзистор.

Ниже приведена другая структура, использующаяся для транзистора с высоким выходным током, управляющих динамиком. Они крупнее, и у них есть множество переплетённых «пальцев» эмиттера и базы, окружённых крупным коллектором. На фото кристалла можно увидеть два таких транзистора, заполняющих верхнюю левую часть кристалла.

Крупный высокотоковый NPN-транзистор в чипе усилителя Game Boy Color. Отмечены коллектор C, эмиттер E и база B.

PNP-транзистор

Также в чипе используются совершенно по-другому сконструированные PNP-транзисторы. Они описаны на диаграмме ниже. Самое очевидное отличие – они круглые.

Большая часть PNP-транзисторов на этом чипе круглые. Однако при комбинировании нескольких PNP-транзисторов используется всё же прямоугольная структура. Прямоугольные PNP-транзисторы крупнее прямоугольных NPN-транзисторов. Также у чипа есть несколько PNP-транзисторов с несколькими коллекторами у каждого. У других PNP-транзисторов нет специальных контактов для коллектора – вместо этого используется подложка (земля).

У PNP-транзистора есть небольшой круглый эмиттер (P-кремний), окружённый кольцеобразным участком базы (N-кремний), который, в свою очередь, окружён коллектором (P-кремний). Металл эмиттера покрывает и эмиттер, и базу, но соединяется только с эмиттером. Эти участки формируют сандвич P-N-P по горизонтали (сбоку), а не по вертикали, как NPN-транзистор. И хотя участок базы физически окружает эмиттер, металлический контакт с базой находится дальше. Сигнал с базы проходит через участок N под коллектором.

PNP-транзистор на чипе усилителя Game Boy Color. Отмечены контакты с коллектором С, эмиттером Е и базой В, а также кремний с примесями N и P.

Резисторы

Резисторы – это важный компонент аналогового чипа. На фото ниже показаны длинные, идущие зигзагом резисторы, сформированные из полосок P кремния, который на фото выглядит бежевым. Его сопротивление пропорционально длине резистора, поэтому резисторы с крупными значениями идут зигзагом, чтобы уместиться на доступном пространстве. Поскольку резисторы относительно большие и неточные, в схемах чипов стараются минимизировать их количество. И всё же подобному аналоговому чипу требуется множество резисторов.

Часть резисторов на чипе усилителя Game Boy. В центре два параллельных резистора дают малое сопротивление. Длинные извилистые резисторы дают большое сопротивление.

На фото ниже видно семь небольших резисторов, однако к схеме подключены только два в середине (параллельно). Дополнительные резисторы дают возможность вносить изменения, меняя металлический слой – это гораздо проще, чем менять кремний. Данные резисторы смещают выходной транзистор, и, судя по всему, это критически важное сопротивление, требующее подстройки.

Конденсаторы

На этом чипе есть три крупных конденсатора, по одному на каждый усилитель. На фото ниже видно один из конденсаторов. Конденсатор – это просто массивный слой металла, отделённый от лежащей снизу кремниевой подложки тонким изолирующим слоем оксида. Справа вверху на фото можно видеть соединения металлических проводников и кремниевой подложки. В данном чипе конденсаторы используются для гарантии стабильности усилителя. Благодаря их размеру три конденсатора легко заметить на фото кристалла.

LM380

Схема чипа усилителя Game Boy очень похожа на популярный чип усилителя аудио LM380 от 1972 года, поэтому я начну с обзора принципа работы LM380. У LM380 есть плюсовой и минусовой вход, а также выход, усиливающий разницу между входами в фиксированное число раз – 50. Похоже на операционный усилитель, однако предназначение LM380 – усиление аудио, и это отличается от операционного усилителя в нескольких моментах: малый фиксированный коэффициент усиления, отсутствие отрицательного питания и другая внутренняя реализация.

На схеме ниже приведены основные функциональные блоки LM380. Входы идут в схему дифференциальной пары (синий). Входы на LM380 (или усилитель Game Boy) идут на дифференциальную пару (Q3, Q4), однако данная дифференциальная пара отличается от стандартных, используемых в операционных усилителях. В частности, эмиттеры получают изменяющийся ток, и именно из-за этого возникает обратная связь.

Выход с дифференциальной пары (зелёный) проходит через однотранзисторный усилительный каскад, повышающий коэффициент усиления. Конденсатор стабилизирует усилитель, предотвращая осцилляции. Наконец, выходной каскад (пурпурный) выдаёт большой ток: силовой транзистор Q7 притягивает выходной сигнал вверх, а Q8 и Q9 – вниз.

Выходные каскады усилителя динамика LM380 и Game Boy используют комплементарную пару транзисторов для притягивания сигнала вниз. Комбинация PNP-транзистора и NPN-транзистора работает как PNP-транзистор большей мощности, чем-то напоминая составной транзистор.

Сеть обратной связи управляет коэффициентом усиления LM380, фиксируя его на уровне 50. В отличие от операционного усилителя, cеть обратной связи LM380 соединена с внутренними точками усилителя, а не с входом.

Усилитель аудио LM380. Диаграмма на основе указаний по применению.

Подробно работа LM380 разбирается в указаниях по применению от National Semiconductor и документе Power Audio Amplifier IC LM380. Похожий на него LM386 описан в лекции и другом описании.

Теперь я опишу сеть обратной связи этого чипа, поскольку чип Game Boy работает на сходных принципах. На диаграмме ниже показано, как сеть обратной связи у LM380 работает без входа. Слева вверху напряжение питания VS, проходя через R1, создаёт ток I. Транзисторы Q5 и Q6 формируют токовое зеркало: это заставляет ток, идущий через Q6, совпадать с током I, идущим через Q5. Ток из Q4 на оставшийся чип должен быть примерно равен 0 (поскольку остаток чипа его сильно увеличивает). В итоге получается, что ток через R2 (создаваемый обратной связью с выходным напряжением) тоже должен равняться I. Поскольку сопротивление R2 в два раза меньше, чем у R1, выходное напряжение должно равняться половине напряжения питания. Получается, что выходное напряжение в покое будет равно половине напряжения питания, что и нужно было.

При подключении входов сеть обратной связи работает следующим образом. Допустим, на плюсовой вход даётся напряжение ΔV. Транзисторы эмиттерного повторителя Q3 и Q4 буферизуют и повышают вход, поэтому на резисторе R3 появляется то же напряжение ΔV. В результате через резистор идёт ток ΔI. Это увеличивает идущий через Q5 ток до I+ΔI, а благодаря токовому зеркалу такой же ток пойдёт через Q6. Сложив все токи, получим, что ток через R2 должен равняться I+2ΔI. Поскольку сопротивление R2 в 25 раз больше, чем у R3, 2ΔI увеличивает выходное напряжение до 50ΔV. Следовательно, входное напряжение умножается на 50. Смысл этого в том, что сеть обратной связи фиксирует коэффициент умножения на 50.

Мне кажется, что лучший способ понять LM380 – считать его сделанным из operational transresistance amplifier (OTRA), забытого родственника операционного усилителя. OTRA работает так же, как операционный усилитель, только вместо напряжения на два входа подаются токи, а разница между токами усиливается, выдавая выходное напряжение. Два тока I, приходящие в OTRA, должны быть примерно одинаковыми, а входящие напряжения могут различаться (в отличие от операционного усилителя).

На схеме выше показана схема LM380 в виде операционного транспроводящего усилителя и сети обратной связи. Приравнивание двух токов даёт V_out = V_s/2 + 51V₊ — 50.5V_—, или, приблизительно, V_out = V_s/2 + 50*(V₊-V_—). Иначе говоря, выход центрируется на половине напряжения питания, а разница во входящих напряжениях умножается в 50 раз. Никто больше не описывал LM380 таким способом, так что, возможно, я и не прав – однако пока я не вижу ошибок в таком анализе.

Чип Game Boy Audio: усилитель наушников

Плата Game Boy. Чип усилителя аудио находится в середине правой стороны.

На чипе усилителя Game Boy находятся три усилителя: два одинаковых для левого и правого канала наушников, и один боле мощный, моно усилитель для динамика. Усилители наушников Game Boy и усилитель динамика отличаются, однако оба в принципе похожи на LM380.

На схеме ниже показан усилитель наушников Game Boy. Если сравнить его со схемой LM380, видно сходство между LM380 и усилителем наушников, однако видна и разница. Более всего его выделяют входной каскад и схема обратной связи, а схема усилителя наушников, по сути, идентична.

Точных значений резисторов на кристалле я не нашёл, но если сравнивать их длины, их можно примерно определить. Смотря на R48, R49, R50 и R51, я подсчитал, что коэффициент усилителя наушников равен 22. Судя по резисторам R2, R3, R4 и R7, коэффициент усилителя динамика равен 30, значительно больше, чем у наушников.

В каскад усиления у усилителя наушников входят три транзистора, в отличие от одного у LM380 – вероятно, для большего усиления. Выходной каскад усилителя наушников похож, но упрощён. Пара PNP/NPN, притягивающая вниз выход LM380, заменена на единственный PNP-транзистор. Самая большая разница – управляющий участок Control усилителя, которого нет в LM380. Эта управляющая схема отключает усилитель наушников, когда они не вставлены, что экономит заряд аккумулятора.

Схема усилителя наушников Game Boy. Нарисована мной после реверс-инжиниринга кристалла.

На фото ниже приведён левый усилитель наушников. Выходящий контакт (справа снизу, рядом с артикулом SBG14), управляется семью параллельными PNP-транзисторами (слева вверху) и семью меньшими параллельными NPN-транзисторами (в центре снизу). Конденсатор стоит слева вверху от центра. Множество резисторов змеятся по всему кристаллу.

Левый усилитель наушников на кристалле. Правый является его зеркальным отображением.

Чип аудио Game Boy: усилитель динамика

На следующей схеме показан усилитель динамика Game Boy. В отличие от двух каналов усилителя наушников, усилитель динамика всего один, и он выдаёт смесь левого и правого каналов. Входной каскад и обратная связь опять-таки почти идентичны LM380. Выходной каскад отличается незначительно. Однако каскад усиления динамика совершенно другой: в него входит четырёхтранзисторный дифференциальный усилительный каскад, дающий гораздо большее усиление. Хотя этот усилительный каскад очень похож на входной каскад, соединяется он по-другому, и использует NPN-транзистор.

Схема усилителя динамика в чипе усилителя Game Boy

Общее усиление чипа ограничено сетью обратной связи. Операционный усилитель работает так, что необработанный коэффициент усиления будет равен порядка 100 000, однако обратная связь уменьшает его до чего-то более разумного, типа 50. «Лишнее» усиление увеличивает эффективность работы и уменьшает искажения. Иначе говоря, дополнительный каскад усилителя в Game Boy, по сравнению с LM380, не сделает его в 100 раз громче.

Во втором усиливающем каскаде я немного не разобрался. Он похож на дифференциальный усилитель, за исключением того, что у дифференциального усилителя обычно соединены эмиттеры, а в этой схеме соединены коллекторы.

У чипа есть контакты для развязывающих конденсаторов, уменьшающих влияние колебаний питания. У усилителей наушников есть внешние развязывающие конденсаторы, однако по какой-то причине у усилителя динамика развязывающих конденсаторов нет (см. схему). Возможно, что из-за отсутствия этого конденсатора у динамика есть фоновое гудение, на которое жалуются люди.

Развязывающий конденсатор, использованный в чипе Game Boy (и LM380) помогает уменьшить влияние колебаний питания. У чипов часто размещают развязывающие конденсаторы между питанием и землёй, однако данный развязывающий конденсатор немного не такой. Он соединён с определённой точкой сети обратной связи, что позволяет ему быть более эффективным, чем обычный развязывающий конденсатор.

Сравнение с Game Boy Color

Недавно я уже описывал реверс-инжиниринг чипа усилителя Game Boy Color, поэтому довольно интересно будет сравнить два этих чипа. Функции у чипов усилителей Game Boy и Game Boy Color похожие. Они выглядят похоже даже на уровне кристалла. У обоих силовые транзисторы расположены в левом верхнем углу динамика, управляющие схемы – в левом нижнем углу, а два канала наушников – справа.

Сравнение чипов аудио усилителей от Game Boy (слева) и Game Boy Color (справа)

Однако неожиданно оказалось, что реализованы эти чипы совершенно по-разному. Если Game Boy использует аудио усилитель в стиле LM380, Game Boy Color использует силовые операционные усилители с более сложными схемами. Самое важное отличие – у чипа Game Boy есть внутренняя обратная связь для управления усилением, а у Game Boy Color есть ещё и внешний конденсатор обратной связи, из-за чего он работает как фильтр верхних частот. Больше информации вы найдёте в моей статье про усилитель для Game Boy Color и его принципиальной схеме.

Коллекционеры систем Game Boy заметили, что разные версии игры звучат по-разному. У оригинального Game Boy был «тёплый, басистый звук», а у Game Boy Color звук «тонкий», с фоновым шумом и гудением. И это не только субъективные ощущения – различия видны на графике сигналов:

Интересно, что большую часть звуковых различий можно объяснить при помощи анализа чипов усилителя. Выход Game Boy близок к квадратной волне, однако из-за развязывающего конденсатора на 100 мкФ происходят прогибы волны. Усилитель в Game Boy Color настроен как фильтр высоких частот, поэтому выдаёт высокочастотные пики, теряя басистый звук.

Заключение

Game Boy от 1989 и Game Boy Color от 1998 используют специальные чипы усилителя. Изучая фото кристалла, можно провести реверс-инжинириг их схем. Чипы в основном отличаются от обычных усилителей по двум параметрам – что объясняет необходимость создания специальных чипов. Во-первых, у каждого чипа есть по три усилителя: два для каналов наушников, и один для динамика. Во-вторых, для экономии энергии у чипа есть специальная схема, отключающая неиспользуемые усилители в зависимости от того, воткнуты ли наушники. Реверс-инжиниринг чипов объясняет большинство различий в звучании Game Boy и Game Boy Color. Чип Game Boy Color реализует фильтр высоких частот, поэтому звук у него тонкий и ему не хватает басов Game Boy.