Le schéma ci-dessous montre une photo d'une matrice en silicone Game Boy avec des composants fonctionnels clés légendés.
La puce d'amplification porte l'inscription DMG-AMP, qui signifie amplificateur de jeu à matrice de points. Le numéro de référence de cette puce à 18 broches de Sharp) est IR3R40.
La désignation interne de la puce est SBG14.
En haut à gauche de la puce, il y a deux gros transistors de pilote pour le haut-parleur (l'un tire le signal vers le bas et l'autre vers le haut). L'amplificateur casque se compose de deux blocs presque identiques - pour les canaux gauche et droit. Les circuits des sources de courant et des miroirs de courant sont communs aux deux canaux. En bas à gauche de la puce se trouve la logique numérique qui allume l'amplificateur pour le haut-parleur ou le casque - elle est activée lorsque les écouteurs sont connectés. Cliquable
En examinant attentivement le cristal, vous pouvez trouver des composants tels que des transistors et des résistances. Et à partir de là, vous pouvez comprendre l'ensemble du schéma. Sur la photo ci-dessus, les lignes blanches représentent la couche métallique de la puce qui relie les composants. Le silicium lui-même semble verdâtre et se trouve sous le métal. Des rectangles verts autour du périmètre sont des plots pour souder des fils reliant le cristal et 18 contacts de la puce. Pour modifier les propriétés électriques , des impuretés sont introduites dans certaines zones de silicium lors du processus de dopage . La section suivante explique comment différents composants sont fabriqués à partir de ces différents types de silicium.
Transistor NPN
La puce d'amplification utilise des transistors bipolaires NPN et PNP , qui sont différents des MOSFET de faible puissance utilisés dans les processeurs. Ces transistors ont trois contacts - un émetteur, une base et un collecteur. La photo agrandie ci-dessous montre un transistor NPN. Des nuances différentes de silicium donnent des zones auxquelles des impuretés ont été ajoutées pour former les régions N et P. Des lignes sombres séparent ces zones. Les bulles argentées sont une couche métallique au-dessus du silicium qui forme les conducteurs qui se connectent à la base, à l'émetteur et au collecteur.
Transistor NPN dans la puce d'amplification Game Boy Color. Le collecteur C, l'émetteur E et la base B. N et P sont des régions de silicium avec des impuretés.
En dessous de la photo se trouve un schéma en coupe verticale décrivant le dispositif du transistor. L'émetteur E se connecte au silicium N +. En dessous se trouve la couche P, qui se connecte à la broche de base B.En dessous se trouve la couche N +, connectée (indirectement) au collecteur C.Si vous regardez la section verticale sous le E, vous pouvez voir les couches NPN formant le transistor.
Vous trouverez ci-dessous une autre structure utilisée pour un transistor à courant de sortie élevé pilotant un haut-parleur. Ils sont plus grands et ont de nombreux "doigts" d'émetteur et de base entrelacés entourés d'un grand collecteur. Sur la photo du cristal, vous pouvez voir deux de ces transistors remplir le côté supérieur gauche du cristal.
Grand transistor NPN à courant élevé dans la puce d'amplification Game Boy Color. Le collecteur C, l'émetteur E et la base B sont marqués.
Transistor PNP
En outre, la puce utilise des transistors PNP de conception complètement différente. Ils sont décrits dans le schéma ci-dessous. La différence la plus évidente est qu'ils sont ronds.
La plupart des transistors PNP de cette puce sont ronds. Cependant, lors de la combinaison de plusieurs transistors PNP, une structure rectangulaire est toujours utilisée. Les transistors PNP à onde carrée sont plus grands que les transistors NPN à onde carrée. La puce a également plusieurs transistors PNP avec plusieurs collecteurs chacun. D'autres transistors PNP n'ont pas de contacts dédiés pour le collecteur - à la place, un substrat (masse) est utilisé.
Un transistor PNP a un petit émetteur circulaire (P-silicium) entouré d'une base en forme d'anneau (N-silicium), qui à son tour est entourée d'un collecteur (P-silicium). Le métal de l'émetteur recouvre à la fois l'émetteur et la base, mais se connecte uniquement à l'émetteur. Ces patchs forment un sandwich PNP horizontalement (latéralement) plutôt que verticalement comme un transistor NPN. Bien que la partie de base entoure physiquement l'émetteur, le contact métallique avec la base est plus éloigné. Le signal de la base passe par la section N sous le collecteur.
Transistor PNP sur la puce d'amplification Game Boy Color. On note les contacts avec le collecteur C, l'émetteur E et la base B, ainsi qu'avec le silicium avec des impuretés N et P.
Résistances
Les résistances sont un composant important d'une puce analogique. La photo ci-dessous montre de longues résistances en zigzag formées à partir de bandes P de silicium, qui semblent beiges sur la photo. Sa résistance est proportionnelle à la longueur de la résistance, donc les résistances avec de grandes valeurs zigzaguent pour s'adapter à l'espace disponible. Les résistances étant relativement grandes et imprécises, les conceptions de puces tentent de minimiser leur nombre. Pourtant, une telle puce analogique nécessite de nombreuses résistances.
Certaines des résistances de la puce d'amplification Game Boy. Au centre, deux résistances parallèles offrent une faible résistance. Les résistances longues et sinueuses offrent une grande résistance.
La photo ci-dessous montre sept petites résistances, mais seulement deux au milieu (en parallèle) sont connectées au circuit. Des résistances supplémentaires permettent d'apporter des modifications en changeant la couche métallique - beaucoup plus facile que de changer de silicium. Ces résistances polarisent le transistor de sortie, et cela semble être une résistance critique qui doit être réglée.
Condensateurs
Il y a trois gros condensateurs sur cette puce, un pour chaque amplificateur. La photo ci-dessous montre l'un des condensateurs. Un condensateur est simplement une couche massive de métal séparée du substrat de silicium sous-jacent par une mince couche d'oxyde isolant. En haut à droite de la photo, vous pouvez voir les connexions des conducteurs métalliques et du substrat en silicium. Dans cette puce, des condensateurs sont utilisés pour assurer la stabilité de l'amplificateur. En raison de leur taille, les trois condensateurs sont faciles à repérer sur la photo du cristal.
LM380
Le circuit de la puce d'amplificateur Game Boy est très similaire à la puce d'amplificateur audio LM380 populaire de 1972, je vais donc commencer par examiner le fonctionnement du LM380. Le LM380 a des entrées non inverseuses et non inverseuses, ainsi qu'une sortie qui amplifie la différence entre les entrées un nombre fixe de fois - 50. Il ressemble à un amplificateur opérationnel, mais le but du LM380 est d'amplifier l'audio, ce qui le distingue d'un amplificateur opérationnel de plusieurs manières: un petit rapport fixe gain, pas de tension négative et autre implémentation interne.
Le schéma ci-dessous montre les principaux blocs fonctionnels du LM380. Les entrées vont au circuit de paires différentielles (bleu). Les entrées du LM380 (ou de l'amplificateur Game Boy) vont à une paire différentielle (Q3, Q4), mais cette paire différentielle est différente des amplis op standard. En particulier, les émetteurs reçoivent un courant variable, et c'est à cause de cela que la rétroaction se produit.
La sortie de la paire différentielle (verte) passe par un seul étage amplificateur à transistor, ce qui augmente le gain. Le condensateur stabilise l'amplificateur, empêchant les oscillations. Enfin, l'étage de sortie (magenta) délivre beaucoup de courant: le transistor de puissance Q7 tire la sortie vers le haut, et Q8 et Q9 tire vers le bas.
Les étages de sortie de l'amplificateur de haut-parleur du LM380 et de la Game Boy utilisent une paire complémentaire de transistors pour réduire le signal. La combinaison du transistor PNP et du transistor NPN agit comme un transistor PNP de puissance plus élevée, ressemblant quelque peu à un transistor composite .
La boucle de rétroaction contrôle le gain du LM380, le maintenant à 50. Contrairement à un amplificateur opérationnel, le réseau de rétroaction LM380 est connecté aux points internes de l'amplificateur, pas à l'entrée.
Amplificateur audio LM380. Diagramme basé sur les notes d'application.
Pour plus de détails sur le fonctionnement du LM380, consultez la note d'application de National Semiconductor et le document Power Audio Amplifier IC LM380 . Un LM386 similaire est décrit dans la conférenceet autre description .
Je vais maintenant décrire la boucle de rétroaction de cette puce, puisque la puce Game Boy fonctionne sur des principes similaires. Le schéma ci-dessous montre comment la boucle de rétroaction du LM380 fonctionne sans entrée. En haut à gauche, la tension d'alimentation VS, passant par R1, crée le courant I. Les transistors Q5 et Q6 forment un miroir de courant: cela fait correspondre le courant traversant Q6 au courant I passant par Q5. Le courant de Q4 vers la puce restante doit être d'environ 0 (puisque le reste de la puce l'augmente considérablement). En conséquence, il s'avère que le courant traversant R2 (créé par rétroaction avec la tension de sortie) doit également être I. Puisque la résistance de R2 est la moitié de celle de R1, la tension de sortie doit être égale à la moitié de la tension d'alimentation. Il s'avère que la tension de sortie au repos sera égale à la moitié de la tension d'alimentation, ce qui était nécessaire.
Lors de la connexion des entrées, la boucle de retour fonctionne comme suit. Supposons qu'une tension ΔV soit donnée à l'entrée positive. Les transistors émetteur-suiveur Q3 et Q4 tamponnent et amplifient l'entrée, de sorte que le même ΔV apparaît à travers R3. En conséquence, un courant ∆I traverse la résistance. Cela augmente le courant traversant Q5 à I + ΔI, et grâce au miroir de courant, le même courant circulera à travers Q6. En additionnant tous les courants, nous obtenons que le courant traversant R2 doit être égal à I + 2ΔI. Puisque R2 est 25 fois plus grand que R3, 2ΔI augmente la tension de sortie à 50ΔV. Par conséquent, la tension d'entrée est multipliée par 50. L'idée sous-jacente est que la boucle de rétroaction fixe le facteur de multiplication à 50.
Il me semble que la meilleure façon de comprendre le LM380 est de le penser comme étant constitué d'un amplificateur opérationnel à transrésistance (OTRA), parent oublié d'un amplificateur opérationnel. L'OTRA fonctionne de la même manière qu'un amplificateur opérationnel, sauf qu'au lieu de la tension, des courants sont appliqués aux deux entrées, et la différence entre les courants est amplifiée, donnant une tension de sortie. Les deux courants I entrant dans l'OTRA doivent être approximativement les mêmes et les tensions d'entrée peuvent être différentes (contrairement à un ampli opérationnel).
Le schéma ci-dessus montre le LM380 en tant qu'ampli opérationnel et boucle de rétroaction. L'équivalence des deux courants donne V out = V s / 2 + 51V + - 50,5V - , ou approximativement V out = V s/ 2 + 50 * (V + -V - ). En d'autres termes, la sortie est centrée à la moitié de la tension d'alimentation et la différence des tensions d'entrée est multipliée par un facteur 50. Personne d'autre n'a décrit le LM380 de cette manière, donc je peux me tromper - cependant, jusqu'à présent, je ne vois pas d'erreurs dans cette analyse.
Puce audio Game Boy: amplificateur de casque
Plateau Game Boy. La puce d'amplificateur audio est au milieu du côté droit.
Il y a trois amplificateurs sur la puce d'amplification Game Boy: deux identiques pour les canaux casque gauche et droit, et un amplificateur mono plus puissant pour le haut-parleur. Les amplis casque et haut-parleurs Game Boy sont différents, mais les deux sont similaires en principe au LM380.
Le schéma ci-dessous montre l'amplificateur de casque Game Boy. Si vous le comparez au circuit LM380, vous pouvez voir les similitudes entre le LM380 et l'amplificateur de casque, mais il y a aussi une différence. Surtout, il se distingue par l'étage d'entrée et le circuit de rétroaction, et le circuit d'amplificateur de casque est essentiellement identique.
Je n'ai pas trouvé les valeurs exactes des résistances sur le cristal, mais si vous comparez leurs longueurs, elles peuvent être approximativement déterminées. En regardant R48, R49, R50 et R51, j'ai calculé que le rapport d'amplification du casque était de 22. À en juger par les résistances R2, R3, R4 et R7, le rapport d'amplification du haut-parleur est de 30, nettement supérieur à celui du casque.
L'amplificateur casque a trois transistors dans son étage d'amplification, par opposition à un dans le LM380 - probablement pour plus de gain. L'étage de sortie d'un amplificateur casque est similaire mais simplifié. La paire PNP / NPN abaissant la sortie LM380 a été remplacée par un seul transistor PNP. La plus grande différence est la section Control de l'amplificateur, que le LM380 n'a pas. Ce circuit de commande éteint l'amplificateur de casque lorsqu'il n'est pas inséré, ce qui économise l'énergie de la batterie.
Circuit d'amplificateur de casque Game Boy. Dessiné par moi après l'ingénierie inverse du cristal.
La photo ci-dessous montre l'amplificateur casque gauche. Le contact sortant (en bas à droite, à côté du numéro de pièce SBG14) est entraîné par sept transistors PNP parallèles (en haut à gauche) et sept transistors NPN parallèles plus petits (au centre en bas). Le condensateur est en haut à gauche du centre. De nombreuses résistances serpentent autour du cristal.
Amplificateur sur puce pour casque gauche. La bonne est son image miroir.
Puce audio Game Boy: amplificateur de haut-parleur
Le schéma suivant montre l'amplificateur de haut-parleur Game Boy. Contrairement aux deux canaux d'un amplificateur de casque, il n'y a qu'un seul amplificateur de haut-parleur et il produit un mélange de canaux gauche et droit. L'étage d'entrée et la rétroaction sont à nouveau presque identiques à ceux du LM380. L'étage de sortie diffère légèrement. Cependant, l'étage d'amplification de haut-parleur est complètement différent: il comprend un étage d'amplification différentielle à quatre transistors, ce qui donne beaucoup plus de gain. Bien que cet étage d'amplification soit très similaire à l'étage d'entrée, il est connecté différemment et utilise un transistor NPN.
Le circuit d'amplificateur de haut-parleur dans la puce d'amplificateur Game Boy
Le gain global de la puce est limité par la boucle de rétroaction. L'ampli op fonctionne pour que le gain brut soit de l'ordre de 100 000, mais le feedback le réduit à quelque chose de plus raisonnable, comme 50. Le gain "Extra" augmente l'efficacité et réduit la distorsion. En d'autres termes, l'étage d'amplification supplémentaire de la Game Boy, par rapport au LM380, ne le rendra pas 100 fois plus fort.
Dans la deuxième étape d'amplification, je n'ai pas compris un peu. Il est similaire à un amplificateur différentiel, sauf qu'un amplificateur différentiel a généralement des émetteurs connectés, et dans ce circuit, les collecteurs sont connectés.
La puce a des broches pour découpler les condensateurs afin de réduire les effets des fluctuations de puissance. Les amplificateurs de casque ont des condensateurs de découplage externes, cependant, pour une raison quelconque, l'amplificateur de haut-parleur ne dispose pas de condensateurs de découplage (voir schéma). Il est possible qu'en raison de l'absence de ce condensateur, le haut-parleur ait un bourdonnement de fond dont les gens se plaignent.
Le condensateur de découplage utilisé dans la puce Game Boy (et LM380) permet de réduire les effets des fluctuations de puissance. Les puces ont souvent des condensateurs de découplage entre l'alimentation et la terre, mais ce condensateur de découplage est un peu différent. Il est connecté à un point spécifique de la boucle de rétroaction, ce qui le rend plus efficace qu'un condensateur de découplage classique.
Comparaison avec Game Boy Color
J'ai récemment couvert l' ingénierie inverse de la puce d'amplification Game Boy Color, il sera donc intéressant de comparer les deux. Les puces d'amplification Game Boy et Game Boy Color ont des fonctions similaires. Ils se ressemblent même au niveau des cristaux. Les deux ont des transistors de puissance dans le coin supérieur gauche du haut-parleur, des circuits de commande dans le coin inférieur gauche et deux canaux de casque sur la droite.
Comparaison des puces d'amplification audio de Game Boy (à gauche) et Game Boy Color (à droite)
Cependant, il s'est avéré de manière inattendue que ces puces sont implémentées de manière complètement différente. Alors que la Game Boy utilise un amplificateur audio de style LM380, la Game Boy Color utilise des amplis de puissance avec des circuits plus complexes. Plus important encore, la puce Game Boy a une rétroaction interne pour le contrôle du gain, tandis que la Game Boy Color a également un condensateur de rétroaction externe, ce qui en fait un filtre passe-haut. Pour plus d'informations, consultez mon article et mon diagramme schématique sur Game Boy Color Amplifier .
Les collectionneurs du système Game Boy repérésque les différentes versions du jeu sonnent différemment. La Game Boy originale avait un "son de basse chaud" tandis que la Game Boy Color avait un son "mince" avec un bruit de fond et un bourdonnement. Et ce ne sont pas seulement des sentiments subjectifs - les différences sont visibles sur le graphique du signal: il est
intéressant de noter que la plupart des différences sonores peuvent être expliquées en analysant les puces d'amplification. La sortie de la Game Boy est proche d'une onde carrée, cependant, en raison du condensateur de découplage de 100 uF, la forme d'onde s'affaisse. L'amplificateur de Game Boy Color est configuré comme un filtre passe-haut, de sorte qu'il produit des crêtes haute fréquence tout en perdant le son des graves.
Conclusion
Game Boy de 1989 et Game Boy Color de 1998 utilisent des puces d'amplification spéciales. En étudiant la photo du cristal, vous pouvez effectuer une rétro-ingénierie de leurs circuits. Les puces diffèrent généralement des amplificateurs conventionnels à deux égards - ce qui explique le besoin de puces spéciales. Tout d'abord, chaque puce dispose de trois amplificateurs: deux pour les canaux casque et un pour le haut-parleur. Deuxièmement, pour économiser de l'énergie, la puce dispose d'un circuit spécial qui éteint les amplificateurs inutilisés selon que les écouteurs sont branchés ou non. L'ingénierie inverse des puces explique la plupart des différences de son entre Game Boy et Game Boy Color. La puce Game Boy Color implémente un filtre passe-haut, de sorte que le son est fin et n'a pas les basses de la Game Boy.