2つのGame Boyオーディオアンプチップのリバースエンジニアリングと比較

ニンテンドーゲームボーイには、スピーカーとヘッドフォンからのサウンドに使用されるオーディオアンプチップがあります。この記事では、このチップをリバースエンジニアリングして、Game Boy Colorの新しいバージョン（以前にレビューしました）と比較します。予想外に、Game Boy Colorは完全に異なるアンプ回路を使用しています。これにより、2つのシステムのサウンドが異なる理由が説明される可能性があります。



下の図は、主要な機能コンポーネントがキャプション付きのゲームボーイシリコンダイの写真です。



アンプチップには、ドットマトリックスゲームアンプの略であるDMG-AMPの表記があります。このシャープ製18ピンチップの部品番号はIR3R40です。







チップの内部名称はSBG14です。







チップの左上には、スピーカー用の2つの大きなドライバートランジスタがあります（1つは信号を引き下げ、もう1つは引き上げます）。ヘッドフォンアンプは、ほぼ同じ2つのブロックで構成されています。電流源とカレントミラーの回路は両方のチャンネルで共通です。チップの左下には、スピーカーまたはヘッドフォンのアンプをオンにするデジタルロジックがあり、ヘッドフォンが接続されているときにアクティブになります。クリック可能









水晶を注意深く調べると、トランジスタや抵抗などのコンポーネントを見つけることができます。ここから、全体のスキームを理解できます。上の写真の白い線は、コンポーネントを接続するチップの金属層です。シリコン自体は緑がかっており、金属の下にあります。周囲の緑色の長方形は、水晶とチップの18個の接点を接続するはんだワイヤ用のパッドです。電気的特性を変えるために、不純物はドーピングプロセス中にシリコンのいくつかの領域に導入されます。次のセクションでは、これらのさまざまなタイプのシリコンからさまざまなコンポーネントを作成する方法について説明します。

NPNトランジスタ

アンプチップはNPNおよびPNPバイポーラトランジスタを使用します。これは、プロセッサで使用される低電力MOSFETとは異なります。これらのトランジスタには、エミッタ、ベース、コレクタの3つの接点があります。下の拡大写真は、NPNトランジスタを示しています。シリコンの色合いが異なると、N領域とP領域を形成するために不純物が追加された領域が広がり、暗い線がこれらの領域を分離します。銀色の泡は、ベース、エミッタ、コレクタに接続する導体を形成するシリコンの上の金属層です。





ゲームボーイカラーアンプチップのNPNトランジスタ。コレクターC、エミッターE、ベースBはマークされており、NとPは不純物のあるシリコン領域です。



写真の下はトランジスタのデバイスを説明する縦断面図です。エミッタEはシ​​リコンN +に接続します。その下には、ベースピンBに接続されているP層があります。その下には、コレクターCに（間接的に）接続されているN +層があります。文字Eの下の縦断面を見ると、トランジスタを形成するNPN層を見ることができます。



以下は、スピーカーを駆動する高出力電流トランジスタに使用される別の構造です。それらはより大きく、大きなマニホールドによって囲まれた多くの絡み合ったエミッターとベースの「フィンガー」を持っています。クリスタルの写真では、そのような2つのトランジスタがクリスタルの左上を埋めていることがわかります。





Game Boy Colorアンプチップの大電流NPNトランジスタ。コレクターC、エミッターE、ベースBがマークされています。

PNPトランジスタ

また、チップは完全に異なる設計のPNPトランジスタを使用しています。以下の図で説明します。最も明白な違いは、それらが丸いということです。



このチップ上のほとんどのPNPトランジスタは丸型です。ただし、複数のPNPトランジスタを組み合わせる場合、長方形の構造が引き続き使用されます。方形波PNPトランジスタは、方形波NPNトランジスタよりも大きくなります。チップには、それぞれに複数のコレクターを備えた複数のPNPトランジスターもあります。他のPNPトランジスタにはコレクタ専用の接点がありません。代わりに、基板（グラウンド）が使用されます。



PNPトランジスタには、リング状のベース（Nシリコン）で囲まれた小さな円形エミッタ（Pシリコン）があり、これがコレクタ（Pシリコン）で囲まれています。エミッタ金属はエミッタとベースの両方をカバーしますが、エミッタにのみ接続します。これらのパッチは、NPNトランジスタのように垂直ではなく、水平（横）にPNPサンドイッチを形成します。ベース部分はエミッタを物理的に囲んでいますが、ベースとの金属接触はさらに離れています。ベースからの信号は、コレクターの下のセクションNを通過します。





Game Boy Colorアンプチップ上のPNPトランジスタ。コレクターC、エミッターE、ベースB、およびNとPの不純物を含むシリコンとの接触が示されています。

抵抗器

抵抗は、アナログチップの重要なコンポーネントです。以下の写真は、シリコンのPストリップから形成された長いジグザグの抵抗を示しています。写真ではベージュに見えます。その抵抗は抵抗器の長さに比例するため、大きな値の抵抗器は利用可能なスペースに収まるようにジグザグになっています。抵抗器は比較的大きく、不正確であるため、チップ設計では抵抗器の数を最小限に抑えようとします。しかし、そのようなアナログチップには多くの抵抗器が必要です。





Game Boyアンプチップ上の抵抗の一部。中央には、2つの並列抵抗が低抵抗を提供します。長く曲がりくねった抵抗は大きな抵抗を与えます。



下の写真は7つの小さな抵抗器を示していますが、回路に接続されているのは中央に2つ（並列）だけです。追加の抵抗により、金属層を変更することで変更を行うことができます。シリコンを変更するよりもはるかに簡単です。これらの抵抗は出力トランジスタにバイアスをかけますが、これは調整が必要な重要な抵抗のようです。

コンデンサー

このチップには、各アンプに1つずつ、3つの大きなコンデンサーがあります。下の写真はコンデンサの1つを示しています。コンデンサは、薄い絶縁酸化物層によって下にあるシリコン基板から分離された金属の巨大な層です。写真の右上に、金属導体とシリコン基板の接続が表示されています。このチップでは、アンプの安定性を確保するためにコンデンサが使用されています。サイズが大きいため、3つのコンデンサは水晶の写真で簡単に見つけることができます。

LM380

Game Boyアンプチップ回路は、1972年の人気のLM380オーディオアンプチップと非常に似ているので、LM380の動作を確認することから始めます。 LM380には、非反転入力と非反転入力、および入力間の差を一定の回数（50回）増幅する出力があります。これはオペアンプのように見えますが、LM380の目的はオーディオを増幅することであり、これによりいくつかの点でオペアンプと区別されます：小さな固定比率ゲイン、負電圧なし、その他の内部実装。



次の図は、LM380の主な機能ブロックを示しています。入力は差動ペア回路（青）に送られます。 LM380（またはゲームボーイアンプ）への入力は差動ペア（Q3、Q4）に送られますが、この差動ペアは標準のオペアンプとは異なります。特に、エミッタは変化する電流を受け取ります。このため、フィードバックが発生します。



差動ペア（緑）からの出力は、ゲインを上げる単一のトランジスタアンプ段を通過します。コンデンサはアンプを安定させ、発振を防ぎます。最後に、出力段（マゼンタ）は大量の電流を供給しています。パワートランジスタQ7は出力を引き上げ、Q8とQ9は引き下げます。



LM380とGame Boyのスピーカーアンプ出力段は、相補的なトランジスタのペアを使用して信号を引き下げます。 PNPトランジスタとNPNトランジスタの組み合わせは、複合トランジスタに似た、より高出力のPNPトランジスタとして機能します。



フィードバックループは、LM380のゲインを制御して50に保持します。オペアンプとは異なり、LM380フィードバックネットワークは、入力ではなく、アンプの内部ポイントに接続されます。





LM380オーディオアンプ。アプリケーションノートに基づく図。



LM380の動作の詳細については、ナショナルセミコンダクターのアプリケーションノートとパワーオーディオアンプIC LM380のドキュメントを参照してください。同様のLM386が講義で説明されていますと他の説明。



Game Boyチップは同様の原理で動作するので、このチップのフィードバックループについて説明します。次の図は、LM380のフィードバックループが入力なしでどのように機能するかを示しています。左上では、R1を通過する電源電圧VSが電流Iを生成します。トランジスタQ5とQ6はカレントミラーを形成します。これにより、Q6を通過する電流がQ5を通過する電流Iと一致します。 Q4から残りのチップへの電流は、ほぼ0になるはずです（チップの残りの部分が大幅に増加するため）。その結果、R2を流れる電流（出力電圧とのフィードバックによって生成される）もIに等しくなることがわかります。R2の抵抗はR1の抵抗の半分であるため、出力電圧は電源電圧の半分に等しくなるはずです。静止時の出力電圧は、必要な電源電圧の半分に等しいことがわかります。







入力を接続すると、フィードバックループは次のように動作します。正の入力に電圧ΔVが与えられていると仮定します。エミッタフォロワトランジスタQ3とQ4は入力をバッファリングしてブーストするため、R3の両端に同じΔVが現れます。その結果、電流∆Iが抵抗に流れます。これにより、Q5を流れる電流がI +ΔIに増加し、カレントミラーのおかげで、同じ電流がQ6を流れます。すべての電流を追加すると、R2を流れる電流はI +2ΔIに等しくなるはずです。 R2はR3の25倍であるため、2ΔIは出力電圧を50ΔVに増加させます。したがって、入力電圧は50倍されます。この背後にある考え方は、フィードバックループが乗算係数を50に固定することです。







LM380を理解する最善の方法は、それをオペアンプの忘れられた親類であるオペアンプトランスレジスタンスアンプ（OTRA）から作られたものと考えることだと私には思えます。 OTRAは、電圧の代わりに電流が2つの入力に適用され、電流間の差が増幅されて出力電圧が得られることを除いて、オペアンプと同じように機能します。 OTRAに入る2つのI電流はほぼ同じであり、入力電圧は異なる場合があります（オペアンプとは異なります）。







上の図は、LM380をオペアンプおよびフィードバックループとして示しています。二つの電流を等化するVを与える_外 = V _S / 2 + 51V ₊ 50.5V - - _、又はおよそV _アウト = V _S/ 2 + 50 *（V ₊ -V _- ）。言い換えると、出力は電源電圧の半分を中心とし、入力電圧の差は50倍になります。他の誰もこのようにLM380について説明していないので、私は間違っているかもしれません-しかし、今のところ、私はこの分析でエラーを見ていません。

ゲームボーイオーディオチップ：ヘッドフォンアンプ

ゲームボーイボード。オーディオアンプチップは右側の中央にあります。



Game Boyアンプチップには3つのアンプがあります。左と右のヘッドフォンチャンネルに2つあり、スピーカー用にさらに強力なモノアンプが1つあります。ゲームボーイのヘッドフォンアンプとスピーカーアンプは異なりますが、どちらも原則としてLM380と似ています。



下の図は、ゲームボーイヘッドフォンアンプを示しています。 LM380回路と比較すると、LM380とヘッドフォンアンプの類似点がわかりますが、違いもあります。何よりも、それは入力段とフィードバック回路によって区別され、ヘッドフォンアンプ回路は本質的に同じです。



水晶の抵抗器の正確な値はわかりませんでしたが、それらの長さを比較すると、大まかに決定できます。 R48、R49、R50、R51を見ると、ヘッドフォンアンプの比率は22と計算されています。抵抗R2、R3、R4、R7から判断すると、スピーカーアンプの比率は30で、ヘッドフォンの比率よりもかなり高くなっています。



ヘッドフォンアンプは、LM380の1つとは対照的に、増幅段に3つのトランジスタを備えています。ヘッドフォンアンプの出力段は似ていますが、単純化されています。 LM380の出力をプルダウンするPNP / NPNペアは、単一のPNPトランジスタに置き換えられています。最大の違いは、アンプのコントロールセクションで、LM380にはありません。この制御回路は、挿入されていないときはヘッドフォンアンプをオフにするため、バッテリーの電力を節約できます。





ゲームボーイヘッドフォンアンプ回路。クリスタルをリバースエンジニアリングした後、私が描きました。



下の写真は左のヘッドフォンアンプを示しています。出力接点（右下、部品番号SBG14の横）は、7つの並列PNPトランジスタ（左上）と7つの小さい並列NPNトランジスタ（中央下）によって駆動されます。コンデンサーは中央の左上にあります。クリスタルの周りにたくさんの抵抗器が蛇に。





左ヘッドホンアンプオンチップ。右はその鏡像です。

ゲームボーイオーディオチップ：スピーカーアンプ

次の図は、Game Boyスピーカーアンプを示しています。ヘッドフォンアンプの2つのチャネルとは異なり、スピーカーアンプは1つだけで、左右のチャネルの混合が生成されます。入力段とフィードバックもLM380とほぼ同じです。出力ステージは少し異なります。ただし、スピーカーアンプステージは完全に異なります。4トランジスタ差動アンプステージが含まれ、はるかに高いゲインが得られます。このアンプ段は入力段とよく似ていますが、接続方法が異なり、NPNトランジスタを使用しています。





ゲームボーイアンプチップのスピーカーアンプ回路



チップの全体的なゲインは、フィードバックループによって制限されます。オペアンプは生のゲインが100,000のオーダーになるように機能しますが、フィードバックによって50のようなより妥当な値に減少します。「追加」のゲインは効率を高め、歪みを減らします。つまり、LM380と比較してゲームボーイの追加のアンプステージでは、100倍にはなりません。



第二増幅段階では、少しわかりませんでした。差動増幅器と似ていますが、通常、差動増幅器にはエミッタが接続されており、この回路ではコレクタが接続されています。



チップには、コンデンサをデカップリングして電力変動の影響を低減するためのピンがあります。ヘッドフォンアンプには外部デカップリングコンデンサがありますが、何らかの理由で、スピーカーアンプにはデカップリングコンデンサがありません（図を参照）。このコンデンサーがないために、スピーカーが人々が不平を言っているバックグラウンドハムを持っている可能性があります。



Game Boy（およびLM380）チップで使用されているデカップリングコンデンサは、電源変動の影響を減らすのに役立ちます。多くの場合、チップには電源とグランドの間にデカップリングコンデンサがありますが、このデカップリングコンデンサは少し異なります。フィードバックループの特定のポイントに接続されているため、従来のデカップリングコンデンサよりも効率的です。

ゲームボーイカラーとの比較

最近、Game Boy Colorアンプチップのリバースエンジニアリングについて説明したので、この2つを比較すると興味深いでしょう。ゲームボーイとゲームボーイカラーのアンプチップは同様の機能を持っています。それらは水晶レベルでも似ています。どちらもスピーカーの左上隅にパワートランジスタ、左下隅に制御回路、右側に2つのヘッドフォンチャンネルがあります。





Game Boy（左）とGame Boy Color（右）のオーディオアンプチップの比較



しかし、予想外に、これらのチップはまったく異なる方法で実装されていることが判明しました。 Game BoyはLM380スタイルのオーディオアンプを使用していますが、Game Boy Colorはより複雑な回路を備えたパワーオペアンプを使用しています。最も重要なのは、Game Boyチップにはゲイン制御用の内部フィードバックがあり、Game Boy Colorには外部フィードバックコンデンサーがあるため、ハイパスフィルターとして機能します。詳細については、ゲームボーイカラーアンプの記事と回路図を参照してください。



ゲームボーイシステムコレクターが発見ゲームのバージョンによってサウンドが異なります。オリジナルのゲームボーイは「温かみのあるベースサウンド」でしたが、ゲームボーイカラーはバックグラウンドノイズとハムを含む「シン」サウンドでした。そしてそれは主観的な感情だけではありません-違いは信号グラフに表示されます：







興味深いことに、ほとんどの音の違いはアンプチップを分析することで説明できます。Game Boyの出力は方形波に近いですが、100uFのデカップリングコンデンサにより、波形がたるんでいます。Game Boy Colorのアンプはハイパスフィルターとして設定されているため、低音を失いながら高周波ピークを生成します。

結論

1989年のGame Boyと1998年のGame Boy Colorは、特別なアンプチップを使用しています。水晶の写真を研究することで、回路をリバースエンジニアリングできます。チップは通常、2つの点で従来のアンプと異なります。これは、特別なチップの必要性を説明しています。まず、各チップには3つのアンプがあります。2つはヘッドフォンチャネル用、もう1つはスピーカー用です。次に、電力を節約するために、チップには、ヘッドフォンが接続されているかどうかに応じて未使用のアンプをオフにする特別な回路があります。チップのリバースエンジニアリングは、ゲームボーイとゲームボーイカラーのサウンドの違いのほとんどを説明しています。Game Boy Colorチップはハイパスフィルターを実装しているため、サウンドは薄く、Game Boyの低音に欠けています。