O diagrama abaixo mostra uma foto de uma matriz de silício Game Boy com os principais componentes funcionais legendados.
O chip do amplificador possui a inscrição DMG-AMP, que significa amplificador Dot Matrix Game. O número de peça deste chip de 18 pinos da Sharp) é IR3R40.
A designação interna do chip é SBG14.
No canto superior esquerdo do chip, existem dois transistores de driver grandes para o alto-falante (um puxa o sinal para baixo e o outro para cima). O amplificador de fone de ouvido consiste em dois blocos quase idênticos - para os canais esquerdo e direito. Os circuitos de fontes de corrente e espelhos de corrente são comuns para ambos os canais. Na parte inferior esquerda do chip, está a lógica digital que liga o amplificador para o alto-falante ou os fones de ouvido - ele é ativado quando os fones de ouvido são conectados. Clicável
Ao examinar cuidadosamente o cristal, você pode encontrar componentes como transistores e resistores. E a partir disso, você pode entender todo o esquema. Na foto acima, as linhas brancas são a camada de metal do chip que conecta os componentes. O silício em si parece esverdeado e está embaixo do metal. Retângulos verdes ao redor do perímetro são almofadas para fios de solda que conectam o cristal e 18 contatos do chip. Para alterar as propriedades elétricas , as impurezas são introduzidas em algumas áreas do silício durante o processo de dopagem . A próxima seção explica como os diferentes componentes são feitos com esses diferentes tipos de silício.
Transistor NPN
O chip do amplificador usa transistores bipolares NPN e PNP , que são diferentes dos MOSFETs de baixa potência usados nos processadores. Esses transistores têm três contatos - um emissor, uma base e um coletor. A foto ampliada abaixo mostra um transistor NPN. Tons diferentes de silício revelam áreas às quais foram adicionadas impurezas para formar as regiões N e P. As linhas escuras separam essas áreas. As bolhas prateadas são uma camada de metal sobre o silício que forma os condutores que se conectam à base, ao emissor e ao coletor.
Transistor NPN no chip do amplificador Game Boy Color. O coletor C, o emissor E e a base B. estão marcados, N e P são regiões de silício com impurezas.
Abaixo da foto, há um diagrama em corte vertical que descreve o dispositivo do transistor. O emissor E se conecta ao silício N +. Abaixo dela, está a camada P, que se conecta ao pino base B. Abaixo dela, está a camada N +, conectada (indiretamente) ao coletor C. Se você observar a seção vertical abaixo da letra E, poderá ver as camadas NPN formando o transistor.
Abaixo está outra estrutura usada para o transistor de corrente de alta saída que aciona um alto-falante. Eles são maiores e têm muitos "dedos" de emissor e base entrelaçados, cercados por uma grande variedade. Na foto do cristal, você pode ver dois desses transistores preenchendo o lado superior esquerdo do cristal.
Grande transistor NPN de alta corrente no chip amplificador Game Boy Color. O coletor C, o emissor E e a base B estão marcados.
Transistor PNP
Além disso, o chip usa transistores PNP completamente diferentes. Eles são descritos no diagrama abaixo. A diferença mais óbvia é que eles são redondos.
A maioria dos transistores PNP deste chip é redonda. No entanto, ao combinar vários transistores PNP, uma estrutura retangular ainda é usada. Os transistores PNP de onda quadrada são maiores que os transistores NPN de onda quadrada. O chip também possui vários transistores PNP com vários coletores cada. Outros transistores PNP não possuem contatos dedicados para o coletor - em vez disso, é usado um substrato (terra).
Um transistor PNP possui um pequeno emissor circular (P-silício) cercado por uma base em forma de anel (N-silício), que por sua vez é cercada por um coletor (P-silício). O metal emissor cobre o emissor e a base, mas somente se conecta ao emissor. Esses patches formam um sanduíche PNP horizontalmente (lateralmente) em vez de verticalmente como um transistor NPN. Embora a porção da base envolva fisicamente o emissor, o contato de metal com a base está mais distante. O sinal da base passa pela seção N sob o coletor.
Transistor PNP no chip do amplificador Game Boy Color. Contatos com o coletor C, emissor E e base B, bem como silício com impurezas N e P são anotados.
Resistores
Os resistores são um componente importante de um chip analógico. A foto abaixo mostra resistores longos em zigue-zague, formados a partir de tiras de silicone P, que parecem bege na foto. Sua resistência é proporcional ao comprimento do resistor, portanto, resistores com grandes valores ziguezague para caber no espaço disponível. Como os resistores são relativamente grandes e imprecisos, os designs de chips tentam minimizar seu número. No entanto, esse chip analógico requer muitos resistores.
Alguns dos resistores no chip do amplificador Game Boy. No centro, dois resistores paralelos fornecem baixa resistência. Resistores longos e sinuosos proporcionam grande resistência.
A foto abaixo mostra sete resistores pequenos, mas apenas dois no meio (em paralelo) estão conectados ao circuito. Resistores adicionais tornam possível fazer alterações alterando a camada de metal - muito mais fácil do que trocar o silício. Esses resistores influenciam o transistor de saída, e isso parece ser uma resistência crítica que precisa ser ajustada.
Capacitores
Existem três capacitores grandes neste chip, um para cada amplificador. A foto abaixo mostra um dos capacitores. Um capacitor é simplesmente uma enorme camada de metal separada do substrato de silicone subjacente por uma fina camada de óxido isolante. No canto superior direito da foto, você pode ver as conexões dos condutores de metal e o substrato de silicone. Neste chip, os capacitores são usados para garantir a estabilidade do amplificador. Devido ao seu tamanho, os três capacitores são fáceis de localizar na foto do cristal.
LM380
O circuito do chip do amplificador Game Boy é muito semelhante ao popular chip do amplificador de áudio LM380 de 1972, então começarei revisando como o LM380 funciona. O LM380 possui entradas não inversoras e não inversoras, além de uma saída que amplifica a diferença entre as entradas um número fixo de vezes - 50. Parece um amplificador operacional, mas o objetivo do LM380 é ampliar o áudio, e isso o diferencia de um amplificador operacional de várias maneiras: uma pequena taxa fixa ganho, nenhuma voltagem negativa e outra implementação interna.
O diagrama abaixo mostra os principais blocos funcionais do LM380. As entradas vão para o circuito do par diferencial (azul). As entradas para o LM380 (ou amplificador Game Boy) vão para um par diferencial (Q3, Q4); no entanto, esse par diferencial é diferente dos amplificadores operacionais padrão. Em particular, os emissores recebem uma corrente variável e é por isso que ocorre o feedback.
A saída do par diferencial (verde) é passada através de um único estágio de amplificador de transistor, o que aumenta o ganho. O capacitor estabiliza o amplificador, impedindo a oscilação. Finalmente, o estágio de saída (magenta) está fornecendo muita corrente: o transistor de potência Q7 aumenta a saída e Q8 e Q9 diminui.
Os estágios de saída do amplificador de alto-falante do LM380 e Game Boy usam um par complementar de transistores para puxar o sinal para baixo. A combinação de transistor PNP e NPN atua como um transistor PNP de maior potência, parecendo um transistor composto .
O loop de feedback controla o ganho do LM380, mantendo-o em 50. Ao contrário de um amplificador operacional, a rede de feedback do LM380 é conectada aos pontos internos do amplificador, não à entrada.
Amplificador de áudio LM380. Diagrama com base nas notas de aplicação.
Para obter detalhes sobre como o LM380 funciona, consulte a Nota Nacional de Aplicação de Semicondutores e o documento IC LM380 do Amplificador de Áudio e Potência . Um LM386 semelhante é descrito na palestrae outra descrição .
Agora, descreverei o ciclo de feedback desse chip, já que o chip Game Boy funciona com princípios semelhantes. O diagrama abaixo mostra como o loop de feedback do LM380 funciona sem uma entrada. No canto superior esquerdo, a tensão de alimentação VS, passando por R1, cria a corrente I. Os transistores Q5 e Q6 formam um espelho de corrente: isso faz com que a corrente que passa por Q6 corresponda à corrente que eu passei por Q5. A corrente do quarto trimestre para o chip restante deve ser aproximadamente 0 (já que o restante do chip aumenta bastante). Como resultado, verifica-se que a corrente através de R2 (criada pelo feedback com a tensão de saída) também deve ser I. Como a resistência de R2 é metade da de R1, a tensão de saída deve ser igual a metade da tensão de alimentação. Acontece que a tensão de saída em repouso será igual à metade da tensão de alimentação, que é o que era necessário.
Ao conectar as entradas, o loop de feedback funciona da seguinte maneira. Suponha que uma tensão ΔV seja dada à entrada positiva. Os transistores seguidor de emissor Q3 e Q4 amortecem e aumentam a entrada, de modo que o mesmo ΔV apareça em R3. Como resultado, uma corrente ∆I flui através do resistor. Isso aumenta a corrente que flui através de Q5 para I + ΔI e, graças ao espelho atual, a mesma corrente flui através de Q6. Adicionando todas as correntes, obtemos que a corrente através de R2 deve ser igual a I + 2ΔI. Como R2 é 25 vezes maior que R3, 2ΔI aumenta a tensão de saída para 50ΔV. Portanto, a tensão de entrada é multiplicada por 50. A idéia por trás disso é que o loop de feedback fixa o fator de multiplicação para 50.
Parece-me que a melhor maneira de entender o LM380 é pensar nele como um amplificador de transresistância operacional (OTRA), um parente esquecido de um amplificador operacional. O OTRA funciona da mesma maneira que um amplificador operacional, exceto que, em vez de tensão, as correntes são aplicadas às duas entradas e a diferença entre as correntes é amplificada, fornecendo uma tensão de saída. As duas correntes I que entram no OTRA devem ser aproximadamente as mesmas e as tensões de entrada podem ser diferentes (diferente de um amplificador operacional).
O diagrama acima mostra o LM380 como um amplificador operacional e um loop de feedback. A equação das duas correntes resulta em V out = V s / 2 + 51V + - 50,5V - , ou aproximadamente V out = V s/ 2 + 50 * (V + -V - ). Em outras palavras, a saída é centralizada na metade da tensão de alimentação e a diferença nas tensões de entrada é multiplicada por um fator de 50. Ninguém mais descreveu o LM380 dessa maneira, por isso posso estar errado - no entanto, até agora não vejo erros nesta análise.
Chip de áudio Game Boy: Amplificador de fone de ouvido
Placa de Game Boy. O chip do amplificador de áudio está no meio do lado direito.
Existem três amplificadores no chip amplificador Game Boy: dois idênticos para os canais esquerdo e direito dos fones de ouvido e um mais poderoso amplificador mono para o alto-falante. Os amplificadores de fone de ouvido e de alto-falante da Game Boy são diferentes, no entanto, ambos são semelhantes em princípio ao LM380.
O diagrama abaixo mostra o amplificador de fone de ouvido Game Boy. Se você compará-lo ao circuito do LM380, poderá ver as semelhanças entre o LM380 e o amplificador de fone de ouvido, mas também há uma diferença. Acima de tudo, ele se distingue pelo estágio de entrada e pelo circuito de feedback, e o circuito do amplificador de fones de ouvido é essencialmente idêntico.
Não encontrei os valores exatos dos resistores no cristal, mas se você comparar seus comprimentos, eles podem ser determinados a grosso modo. Olhando para R48, R49, R50 e R51, calculei que a taxa do amplificador do fone de ouvido é 22. A julgar pelos resistores R2, R3, R4 e R7, a taxa do amplificador do alto-falante é 30, significativamente maior que a dos fones de ouvido.
O amplificador de fone de ouvido possui três transistores em seu estágio de amplificação, em oposição a um no LM380 - provavelmente para obter mais ganho. O estágio de saída de um amplificador de fone de ouvido é semelhante, mas simplificado. O par PNP / NPN que puxa para baixo a saída do LM380 foi substituído por um único transistor PNP. A maior diferença é a seção Controle do amplificador, que o LM380 não possui. Este circuito de controle desliga o amplificador de fone de ouvido quando não está inserido, o que economiza energia da bateria.
Circuito amplificador de fone de ouvido Game Boy. Desenhado por mim depois da engenharia reversa do cristal.
A foto abaixo mostra o amplificador de fone de ouvido esquerdo. O contato de saída (canto inferior direito, próximo ao número de peça SBG14) é acionado por sete transistores PNP paralelos (canto superior esquerdo) e sete transistores NPN paralelos menores (canto inferior central). O capacitor está no canto superior esquerdo do centro. Muitos resistores serpenteiam ao redor do cristal.
Amplificador de fone de ouvido esquerdo no chip. O caminho certo é a sua imagem no espelho.
Chip de áudio Game Boy: amplificador de alto-falante
O diagrama a seguir mostra o amplificador de alto-falante do Game Boy. Ao contrário dos dois canais de um amplificador de fone de ouvido, existe apenas um amplificador de alto-falante e produz uma mistura de canais esquerdo e direito. O estágio de entrada e o feedback são novamente quase idênticos ao LM380. O estágio de saída difere um pouco. No entanto, o estágio do amplificador do alto-falante é completamente diferente: inclui um estágio do amplificador diferencial de quatro transistores, o que proporciona muito mais ganho. Embora esse estágio do amplificador seja muito semelhante ao estágio de entrada, ele é conectado de forma diferente e usa um transistor NPN.
O circuito do amplificador do alto-falante no chip do amplificador do Game Boy
O ganho geral do chip é limitado pelo loop de feedback. O amplificador operacional funciona para que o ganho bruto seja da ordem de 100.000, mas o feedback o reduz para algo mais razoável, como 50. O ganho "extra" aumenta a eficiência e reduz a distorção. Em outras palavras, o estágio extra do amplificador do Game Boy, comparado ao LM380, não o tornará 100 vezes mais alto.
Na segunda etapa de amplificação, eu não entendi um pouco. É semelhante a um amplificador diferencial, exceto que um amplificador diferencial geralmente possui emissores conectados e, neste circuito, os coletores estão conectados.
O chip possui pinos para desacoplar capacitores para reduzir os efeitos de flutuações de energia. Os amplificadores de fone de ouvido possuem capacitores de desacoplamento externos; no entanto, por algum motivo, o amplificador de alto-falante não possui capacitores de desacoplamento (consulte o diagrama). É possível que, devido à falta desse capacitor, o alto-falante tenha um zumbido de fundo que as pessoas estão reclamando.
O capacitor de desacoplamento usado no chip Game Boy (e LM380) ajuda a reduzir os efeitos das flutuações de energia. Os chips geralmente possuem capacitores de desacoplamento entre energia e terra, mas esse capacitor de desacoplamento é um pouco diferente. Ele é conectado a um ponto específico no circuito de realimentação, o que o torna mais eficiente do que um capacitor de desacoplamento convencional.
Comparação com Game Boy Color
Recentemente, cobri a engenharia reversa do chip amplificador Game Boy Color, por isso será interessante comparar os dois. Os chips amplificadores Game Boy e Game Boy Color têm funções semelhantes. Eles parecem semelhantes mesmo no nível do cristal. Ambos possuem transistores de potência no canto superior esquerdo do alto-falante, circuitos de controle no canto inferior esquerdo e dois canais de fone de ouvido à direita.
Comparação de chips de amplificador de áudio de Game Boy (esquerda) e Game Boy Color (direita)
No entanto, inesperadamente, esses chips são implementados de maneiras completamente diferentes. Enquanto o Game Boy usa um amplificador de áudio no estilo LM380, o Game Boy Color usa amplificadores operacionais com circuitos mais complexos. Mais importante ainda, o chip Game Boy tem feedback interno para controle de ganho, enquanto o Game Boy Color também possui um capacitor de feedback externo, que o faz agir como um filtro passa-alto. Para mais informações, consulte o meu artigo sobre o amplificador de cores Game Boy e o diagrama esquemático .
Coletores do sistema Game Boy são vistosque diferentes versões do jogo parecem diferentes. O Game Boy original tinha um "som quente e baixo", enquanto o Game Boy Color tinha um som "fino" com ruído de fundo e zumbido. E não são apenas sentimentos subjetivos - as diferenças são visíveis no gráfico do sinal:
Curiosamente, a maioria das diferenças sônicas pode ser explicada pela análise dos chips do amplificador. A saída do Game Boy é próxima de uma onda quadrada; no entanto, devido ao capacitor de desacoplamento de 100uF, a forma de onda se curva. O amplificador do Game Boy Color é configurado como um filtro passa-alto, produz picos de alta frequência e perde o som dos graves.
Conclusão
Game Boy de 1989 e Game Boy Color de 1998 usam chips amplificadores especiais. Ao estudar a foto do cristal, você pode fazer engenharia reversa de seus circuitos. Os chips geralmente diferem dos amplificadores convencionais em dois aspectos - o que explica a necessidade de chips especiais. Primeiro, cada chip possui três amplificadores: dois para os canais de fone de ouvido e um para o alto-falante. Em segundo lugar, para economizar energia, o chip possui um circuito especial que desliga amplificadores não utilizados, dependendo de os fones de ouvido estarem conectados. A engenharia reversa dos chips explica a maioria das diferenças de som entre Game Boy e Game Boy Color. O chip Game Boy Color implementa um filtro passa-alto, de modo que o som é fino e carece dos graves do Game Boy.