El siguiente diagrama muestra una foto de un dado de silicona de Game Boy con componentes funcionales clave subtitulados.
El chip amplificador tiene la inscripción DMG-AMP, que significa amplificador Dot Matrix Game. El número de pieza de este chip de 18 pines de Sharp) es IR3R40.
La designación interna del chip es SBG14.
En la parte superior izquierda del chip, hay dos transistores de controlador grandes para el altavoz (uno tira la señal hacia abajo y el otro hacia arriba). El amplificador de auriculares consta de dos bloques casi idénticos, para los canales izquierdo y derecho. Los circuitos de fuentes de corriente y espejos de corriente son comunes para ambos canales. En la parte inferior izquierda del chip está la lógica digital que enciende el amplificador para el altavoz o los auriculares; se activa cuando los auriculares están conectados. Clickable
Al examinar cuidadosamente el cristal, puede encontrar componentes como transistores y resistencias. Y a partir de esto, puedes entender todo el esquema. En la foto de arriba, las líneas blancas son la capa metálica del chip que conecta los componentes. El silicio en sí mismo se ve verdoso y está debajo del metal. Los rectángulos verdes alrededor del perímetro son almohadillas para soldar cables que conectan el cristal y 18 contactos del chip. Para cambiar las propiedades eléctricas , se introducen impurezas en algunas áreas de silicio durante el proceso de dopaje . La siguiente sección explica cómo se hacen los diferentes componentes a partir de estos diferentes tipos de silicio.
Transistor NPN
El chip amplificador utiliza transistores bipolares NPN y PNP , que son diferentes de los MOSFET de baja potencia utilizados en los procesadores. Estos transistores tienen tres contactos: un emisor, una base y un colector. La foto ampliada a continuación muestra un transistor NPN. Los diferentes tonos de silicio regalan áreas a las que se han agregado impurezas para formar las regiones N y P. Las líneas oscuras separan estas áreas. Las burbujas plateadas son una capa de metal en la parte superior del silicio que forma los conductores que se conectan a la base, el emisor y el colector.
Transistor NPN en el chip amplificador Game Boy Color. El colector C, el emisor E y la base B están marcados. N y P son regiones de silicio con impurezas.
Debajo de la foto hay un diagrama de sección vertical que describe el dispositivo del transistor. El emisor E se conecta al silicio N +. Debajo se encuentra la capa P, que se conecta al pin base B. Debajo está la capa N +, conectada (indirectamente) al colector C. Si observa la sección vertical debajo de la letra E, puede ver las capas NPN que forman el transistor.
A continuación se muestra otra estructura utilizada para el transistor de corriente de alta salida que activa un altavoz. Son más grandes y tienen muchos "dedos" de emisor y base entrelazados rodeados por una gran variedad. En la foto del cristal, puede ver dos de estos transistores llenando el lado superior izquierdo del cristal.
Gran transistor NPN de alta corriente en el chip amplificador Game Boy Color. El colector C, el emisor E y la base B están marcados.
Transistor PNP
Además, el chip utiliza transistores PNP completamente diferentes. Se describen en el siguiente diagrama. La diferencia más obvia es que son redondos.
La mayoría de los transistores PNP en este chip son redondos. Sin embargo, cuando se combinan varios transistores PNP, todavía se usa una estructura rectangular. Los transistores PNP de onda cuadrada son más grandes que los transistores NPN de onda cuadrada. El chip también tiene múltiples transistores PNP con múltiples colectores cada uno. Otros transistores PNP no tienen contactos dedicados para el colector; en su lugar, se utiliza un sustrato (tierra).
Un transistor PNP tiene un pequeño emisor circular (P-silicio) rodeado por una base en forma de anillo (N-silicio), que a su vez está rodeado por un colector (P-silicio). El metal emisor cubre tanto el emisor como la base, pero solo se conecta al emisor. Estos parches forman un sándwich PNP horizontalmente (de lado) en lugar de verticalmente como un transistor NPN. Aunque la parte de la base rodea físicamente al emisor, el contacto metálico con la base está más lejos. La señal de la base pasa a través de la sección N debajo del colector.
Transistor PNP en el chip amplificador Game Boy Color. Se observan contactos con el colector C, el emisor E y la base B, así como silicio con impurezas N y P.
Resistencias
Las resistencias son un componente importante de un chip analógico. La foto a continuación muestra resistencias largas y en zigzag formadas a partir de tiras P de silicio, que se ve de color beige en la foto. Su resistencia es proporcional a la longitud de la resistencia, por lo que las resistencias con grandes valores zigzaguean para adaptarse al espacio disponible. Debido a que las resistencias son relativamente grandes e imprecisas, los diseños de chips intentan minimizar su número. Sin embargo, dicho chip analógico requiere muchas resistencias.
Algunas de las resistencias en el chip amplificador de Game Boy. En el centro, dos resistencias paralelas proporcionan baja resistencia. Las resistencias largas y sinuosas dan una gran resistencia.
La foto a continuación muestra siete resistencias pequeñas, pero solo dos en el medio (en paralelo) están conectadas al circuito. Las resistencias adicionales permiten realizar cambios cambiando la capa de metal, mucho más fácil que cambiar el silicio. Estas resistencias sesgan el transistor de salida, y esto parece ser una resistencia crítica que necesita ajuste.
Condensadores
Hay tres condensadores grandes en este chip, uno para cada amplificador. La foto a continuación muestra uno de los condensadores. Un condensador es simplemente una capa masiva de metal separada del sustrato de silicio subyacente por una capa delgada de óxido aislante. En la parte superior derecha de la foto, puede ver las conexiones de los conductores metálicos y el sustrato de silicio. En este chip, los condensadores se utilizan para garantizar la estabilidad del amplificador. Debido a su tamaño, los tres condensadores son fáciles de detectar en la foto del cristal.
LM380
El circuito del chip amplificador de Game Boy es muy similar al popular chip amplificador de audio LM380 de 1972, así que comenzaré por revisar cómo funciona el LM380. El LM380 tiene entradas no inversoras y no inversoras, así como una salida que amplifica la diferencia entre las entradas un número fijo de veces: 50. Parece un amplificador operacional, pero el propósito del LM380 es amplificar el audio, y esto lo distingue de un amplificador operacional de varias maneras: una pequeña relación fija ganancia, sin voltaje negativo y otra implementación interna.
El siguiente diagrama muestra los principales bloques funcionales del LM380. Las entradas van al circuito de par diferencial (azul). Las entradas al LM380 (o amplificador Game Boy) van a un par diferencial (Q3, Q4), pero este par diferencial es diferente de los amplificadores operacionales estándar. En particular, los emisores reciben una corriente variable, y es por esto que ocurre la retroalimentación.
La salida del par diferencial (verde) se pasa a través de una etapa de amplificador de transistor único, que aumenta la ganancia. El condensador estabiliza el amplificador, evitando la oscilación. Finalmente, la etapa de salida (magenta) está suministrando mucha corriente: el transistor de potencia Q7 eleva la salida y Q8 y Q9 reducen.
Las etapas de salida del amplificador de altavoz del LM380 y Game Boy utilizan un par de transistores complementarios para reducir la señal. La combinación del transistor PNP y el transistor NPN actúa como un transistor PNP de mayor potencia, algo parecido a un transistor compuesto .
El circuito de retroalimentación controla la ganancia del LM380, manteniéndolo en 50. A diferencia de un amplificador operacional, la red de retroalimentación LM380 está conectada a los puntos internos del amplificador, no a la entrada.
Amplificador de audio LM380. Diagrama basado en notas de aplicación.
Para obtener detalles sobre cómo funciona el LM380, consulte la Nota de aplicación de National Semiconductor y el documento Power Audio Amplifier IC LM380 . Un LM386 similar se describe en la conferencia.y otra descripción .
Ahora describiré el ciclo de retroalimentación de este chip, ya que el chip de Game Boy funciona con principios similares. El siguiente diagrama muestra cómo funciona el ciclo de retroalimentación del LM380 sin una entrada. En la esquina superior izquierda, el voltaje de suministro VS, que pasa a través de R1, crea corriente I. Los transistores Q5 y Q6 forman un espejo de corriente: esto hace que la corriente que pasa por Q6 coincida con la corriente que yo paso por Q5. La corriente de Q4 al chip restante debe ser aproximadamente 0 (ya que el resto del chip lo aumenta enormemente). Como resultado, resulta que la corriente a través de R2 (creada por la retroalimentación con el voltaje de salida) también debería ser igual a I. Dado que la resistencia de R2 es la mitad que la de R1, el voltaje de salida debería ser igual a la mitad del voltaje de suministro. Resulta que el voltaje de salida en reposo será igual a la mitad del voltaje de suministro, que es lo que se necesitaba.
Al conectar las entradas, el ciclo de retroalimentación funciona de la siguiente manera. Suponga que se da un voltaje ΔV a la entrada positiva. Los transistores emisor-seguidor Q3 y Q4 amortiguan y aumentan la entrada, por lo que aparece el mismo ΔV en R3. Como resultado, una corriente ∆I fluye a través de la resistencia. Esto aumenta la corriente que fluye a través de Q5 a I + ΔI, y gracias al espejo de corriente, la misma corriente fluirá a través de Q6. Sumando todas las corrientes, obtenemos que la corriente a través de R2 debe ser igual a I + 2ΔI. Como R2 es 25 veces mayor que R3, 2ΔI aumenta el voltaje de salida a 50ΔV. Por lo tanto, el voltaje de entrada se multiplica por 50. La idea detrás de esto es que el ciclo de retroalimentación fija el factor de multiplicación a 50.
Me parece que la mejor manera de entender el LM380 es pensar que está hecho de un amplificador de transresistencia operacional (OTRA), un pariente olvidado de un amplificador operacional. El OTRA funciona de la misma manera que un amplificador operacional, excepto que en lugar de voltaje, las corrientes se aplican a las dos entradas, y la diferencia entre las corrientes se amplifica, dando un voltaje de salida. Las dos corrientes I que ingresan al OTRA deben ser aproximadamente iguales, y los voltajes de entrada pueden ser diferentes (a diferencia de un amplificador operacional).
El diagrama anterior muestra el LM380 como un amplificador operacional y un circuito de retroalimentación. Al igualar las dos corrientes se obtiene V out = V s / 2 + 51V + - 50.5V - , o aproximadamente V out = V s/ 2 + 50 * (V + -V - ). En otras palabras, la salida se centra en la mitad del voltaje de suministro y la diferencia en los voltajes de entrada se multiplica por un factor de 50. Nadie más ha descrito el LM380 de esta manera, por lo que puedo estar equivocado; sin embargo, hasta ahora no veo errores en este análisis.
Game Boy Audio Chip: amplificador de auriculares
Tablero de Game Boy. El chip amplificador de audio está en el medio del lado derecho.
Hay tres amplificadores en el chip amplificador de Game Boy: dos idénticos para los canales de auriculares izquierdo y derecho, y un amplificador mono más potente para el altavoz. Los amplificadores de auriculares y altavoces de Game Boy son diferentes, sin embargo, ambos son similares en principio al LM380.
El siguiente diagrama muestra el amplificador de auriculares Game Boy. Si lo compara con el circuito LM380, puede ver las similitudes entre el LM380 y el amplificador de auriculares, pero también hay una diferencia. Sobre todo, se distingue por la etapa de entrada y el circuito de retroalimentación, y el circuito amplificador de auriculares es esencialmente idéntico.
No encontré los valores exactos de las resistencias en el cristal, pero si compara sus longitudes, pueden determinarse aproximadamente. Al observar R48, R49, R50 y R51, calculé que la relación del amplificador de los auriculares es 22. A juzgar por las resistencias R2, R3, R4 y R7, la relación del amplificador de los altavoces es 30, significativamente más alta que la de los auriculares.
El amplificador de auriculares tiene tres transistores en su etapa de amplificación, a diferencia de uno en el LM380, probablemente para obtener más ganancia. La etapa de salida de un amplificador de auriculares es similar pero simplificada. El par PNP / NPN que baja la salida LM380 ha sido reemplazado por un solo transistor PNP. La mayor diferencia es la sección de control del amplificador, que el LM380 no tiene. Este circuito de control apaga el amplificador de auriculares cuando no está insertado, lo que ahorra batería.
Circuito amplificador de auriculares Game Boy. Dibujado por mí después de la ingeniería inversa del cristal.
La foto a continuación muestra el amplificador de auriculares izquierdo. El contacto saliente (abajo a la derecha, al lado del número de parte SBG14) es accionado por siete transistores PNP paralelos (arriba a la izquierda) y siete transistores NPN paralelos más pequeños (centro abajo). El condensador está en la parte superior izquierda del centro. Muchas resistencias serpentean alrededor del cristal.
Amplificador de auriculares izquierdo en chip. La correcta es su imagen especular.
Chip de audio Game Boy: amplificador de altavoz
El siguiente diagrama muestra el amplificador de altavoces Game Boy. A diferencia de los dos canales de un amplificador de auriculares, solo hay un amplificador de altavoz y produce una mezcla de canales izquierdo y derecho. La etapa de entrada y la retroalimentación son nuevamente casi idénticas a las del LM380. La etapa de salida difiere ligeramente. Sin embargo, la etapa del amplificador de altavoz es completamente diferente: incluye una etapa de amplificador diferencial de cuatro transistores, que proporciona mucha más ganancia. Aunque esta etapa del amplificador es muy similar a la etapa de entrada, está conectada de manera diferente y utiliza un transistor NPN.
El circuito amplificador del altavoz en el chip amplificador de Game Boy
La ganancia general del chip está limitada por el ciclo de retroalimentación. El amplificador operacional funciona para que la ganancia bruta sea del orden de 100,000, pero la retroalimentación lo reduce a algo más razonable, como 50. La ganancia "extra" aumenta la eficiencia y reduce la distorsión. En otras palabras, la etapa de amplificador adicional de Game Boy, en comparación con el LM380, no lo hará 100 veces más ruidoso.
En la segunda etapa de amplificación, no entendí un poco. Es similar a un amplificador diferencial, excepto que un amplificador diferencial generalmente tiene emisores conectados, y en este circuito, los colectores están conectados.
El chip tiene pines para desacoplar condensadores para reducir los efectos de las fluctuaciones de potencia. Los amplificadores de auriculares tienen condensadores de desacoplamiento externos, sin embargo, por alguna razón, el amplificador de altavoz no tiene condensadores de desacoplamiento (ver diagrama). Es posible que debido a la falta de este condensador, el altavoz tenga un zumbido de fondo del que la gente se queja.
El condensador de desacoplamiento utilizado en el chip Game Boy (y LM380) ayuda a reducir los efectos de las fluctuaciones de potencia. Los chips a menudo tienen condensadores de desacoplamiento entre la alimentación y la tierra, pero este condensador de desacoplamiento es un poco diferente. Está conectado a un punto específico en el circuito de retroalimentación, lo que lo hace más eficiente que un condensador de desacoplamiento convencional.
Comparación con Game Boy Color
Recientemente cubrí la ingeniería inversa del chip amplificador Game Boy Color, por lo que será interesante comparar los dos. Los chips amplificadores Game Boy y Game Boy Color tienen funciones similares. Se ven similares incluso a nivel de cristal. Ambos tienen transistores de potencia en la esquina superior izquierda del altavoz, circuitos de control en la esquina inferior izquierda y dos canales de auriculares a la derecha.
Comparación de los chips del amplificador de audio de Game Boy (izquierda) y Game Boy Color (derecha)
Sin embargo, inesperadamente resultó que estos chips se implementan de maneras completamente diferentes. Mientras que Game Boy usa un amplificador de audio de estilo LM380, Game Boy Color usa amplificadores operacionales con circuitos más complejos. La diferencia más importante es que el chip Game Boy tiene retroalimentación interna para el control de ganancia, mientras que el Game Boy Color también tiene un condensador de retroalimentación externo, lo que lo hace actuar como un filtro de paso alto. Para obtener más información, consulte mi artículo y el diagrama esquemático de Game Boy Color Amplifier .
Coleccionistas del sistema Game Boy vistosque las diferentes versiones del juego suenan de manera diferente. El Game Boy original tenía un "sonido cálido y bajo", mientras que el Game Boy Color tenía un sonido "delgado" con ruido de fondo y zumbido. Y no se trata solo de sentimientos subjetivos: las diferencias son visibles en el gráfico de señal:
Curiosamente, la mayoría de las diferencias sónicas se pueden explicar analizando los chips del amplificador. La salida de Game Boy está cerca de una onda cuadrada, sin embargo, debido al condensador de desacoplamiento de 100uF, la forma de onda se hunde. El amplificador en Game Boy Color está configurado como un filtro de paso alto, por lo que produce picos de alta frecuencia mientras pierde el sonido de graves.
Conclusión
Game Boy de 1989 y Game Boy Color de 1998 usan chips amplificadores especiales. Al estudiar la foto del cristal, puede realizar ingeniería inversa en sus circuitos. Los chips generalmente difieren de los amplificadores convencionales en dos aspectos, lo que explica la necesidad de chips especiales. Primero, cada chip tiene tres amplificadores: dos para los canales de auriculares y uno para el altavoz. En segundo lugar, para ahorrar energía, el chip tiene un circuito especial que apaga los amplificadores no utilizados dependiendo de si los auriculares están conectados. La ingeniería inversa de los chips explica la mayoría de las diferencias de sonido entre Game Boy y Game Boy Color. El chip Game Boy Color implementa un filtro de paso alto, por lo que el sonido es delgado y carece de los graves de Game Boy.