JP5966918B2 - Self-excited oscillation class D amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、オーディオ信号などのアナログ信号を増幅して出力する自励発振型D級アンプに関する。 The present invention relates to a self-excited oscillation type class D amplifier that amplifies and outputs an analog signal such as an audio signal.
D級アンプには、他励発振型と自励発振型がある。自励発振型は、他励発振型と比較して回路構成がシンプルであり、しかも可聴周波数での帰還量を大きくできるのでオーディオ性能面で優れているという特性がある。従来、この種の自励発振型D級アンプとして、例えば特許文献1のようなものが知られている。この特許文献1のD級アンプは、入力するアナログオーディオ信号をコンパレータでPWM信号(パルス幅変調信号)に変換し、そのPWM信号でスイッチ回路をオン/オフ制御すると共に、スイッチ回路から出力されるPWM信号をローパスフィルタでアナログ音響信号に復調して出力することにより、スピーカー等の負荷を駆動する。このD級アンプは、スピーカー等の負荷を駆動する音響出力信号を入力段に帰還させる自励発振ループにより自励発振する。
Class D amplifiers include a separately excited oscillation type and a self-excited oscillation type. The self-excited oscillation type has a characteristic that the circuit configuration is simple compared to the separately excited oscillation type, and further, the feedback amount at an audible frequency can be increased, so that the audio performance is excellent. Conventionally, as this type of self-excited oscillation type class D amplifier, for example, one disclosed in
ところが、自励発振型D級アンプは、使用環境(温度、電源電圧変動等)、経年変化等で自励発振周波数が変化する。また自励発振型D級アンプの内部回路において静電容量などの値にバラツキがある場合には自励発振周波数も異なるものとなる。それ故、自励発振型D級アンプの場合は、複数チャンネルの音響出力のために複数台を比較的近くに設置した状態で同時に動作させると、ビート音(うなり)が発生しやすくなる。そこで、従来は自励発振型D級アンプの発振周波数を安定化させる手法が種々提案されている(例えば特許文献2〜5)。
However, in the self-excited oscillation type class D amplifier, the self-excited oscillation frequency changes depending on the usage environment (temperature, power supply voltage fluctuation, etc.), aging, and the like. Further, when there is a variation in the value of capacitance or the like in the internal circuit of the self-excited oscillation type class D amplifier, the self-excited oscillation frequency is also different. Therefore, in the case of a self-excited oscillation type class D amplifier, if a plurality of units are installed relatively close to each other for sound output of a plurality of channels, beat sounds (beats) are likely to occur. Therefore, conventionally, various methods for stabilizing the oscillation frequency of the self-excited oscillation type class D amplifier have been proposed (for example,
一方、本出願人は、上記特許文献2〜5とは異なる手法で自励発振周波数を安定化できるようにした自励発振型D級アンプを先に提案している(特願2012−239612)。この提案に係る自励発振型D級アンプは、自励発振ループで発生する自励発振信号(PWM信号)をPLL(Phase Locked Loop)に取り込んで自励発振周波数を基本クロックの周波数に同期させるように制御するものである。そのため、この自励発振型D級アンプでは、自励発振ループ内に自励発振信号を遅延させるディレイ回路が介挿されており、自励発振信号と基本クロックの位相差などに応じてディレイ回路の遅延量を可変させる構成が採用されている。
On the other hand, the present applicant has previously proposed a self-excited oscillation type class D amplifier that can stabilize the self-excited oscillation frequency by a method different from those of
ところが、本発明者らが鋭意検討したところによると、自励発振周波数を基本クロックの周波数に同期させるように制御する構成を採用する場合には、更に音響出力信号のクリップ対策を講じることがより好ましいという知見を得た。すなわち、入力信号レベルが大きくなり、自励発振信号(PWM信号)のデューティ比が100%又は0%となって音響出力信号がクリップすると、自励発振が停止した状態となり、自励発振周波数が低下する。そのため、PLLによる制御は、ディレイ回路の遅延量を小さくして自励発振周波数を上昇させるように働く。この場合、音響出力信号のクリップ期間中にディレイ回路の遅延量が次第に小さくなっていくため、クリップが解消され、自励発振信号がデューティ比100%又は0%から正常なPWM信号に復帰したときには、自励発振ループが基本クロックの周波数よりもかなり高い周波数で自励発振するようになる。このとき、自励発振信号に基づいてオンオフ動作する出力段のスイッチ回路は、予期しない高周波数でスイッチング動作を行うこととなり、スイッチング損失が過大なものとなる。したがって、音響出力信号のクリップが解消して自励発振信号が復帰した直後におけるスイッチング損失を低減し、出力段に設けられたスイッチング素子を保護できる構成とすることが好ましい。 However, according to the present inventors' diligent investigation, when adopting a configuration in which the self-excited oscillation frequency is controlled to be synchronized with the frequency of the basic clock, it is more possible to take measures against clipping of the acoustic output signal. The knowledge that it is preferable was obtained. That is, when the input signal level increases, the duty ratio of the self-excited oscillation signal (PWM signal) becomes 100% or 0%, and the sound output signal clips, the self-excited oscillation stops and the self-excited oscillation frequency becomes descend. For this reason, the control by the PLL works to increase the self-excited oscillation frequency by reducing the delay amount of the delay circuit. In this case, since the delay amount of the delay circuit gradually decreases during the clip period of the sound output signal, the clipping is canceled and the self-excited oscillation signal is restored from the duty ratio of 100% or 0% to the normal PWM signal. The self-excited oscillation loop comes to self-oscillate at a frequency considerably higher than the frequency of the basic clock. At this time, the output stage switch circuit that performs the on / off operation based on the self-excited oscillation signal performs a switching operation at an unexpectedly high frequency, resulting in excessive switching loss. Therefore, it is preferable to reduce the switching loss immediately after the sound output signal clip is eliminated and the self-excited oscillation signal is restored, and to protect the switching element provided in the output stage.
ここで、音響出力信号のクリップから復帰した直後においてスイッチング損失が大きくなるという課題は、上述したように、自励発振信号をPLLに取り込んで自励発振周波数を基本クロックの周波数に同期させるように制御する構成を採用した場合に新たに発生する課題である。 Here, as described above, the problem that the switching loss increases immediately after returning from the clip of the sound output signal is that the self-excited oscillation signal is taken into the PLL and the self-excited oscillation frequency is synchronized with the frequency of the basic clock. This is a new problem that occurs when a configuration to be controlled is employed.
そこで本発明は、その新たな課題を解決すべく、クリップからの復帰後においてスイッチング損失を低減し、スイッチング素子を保護することができる自励発振型D級アンプを提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve the new problem, an object of the present invention is to provide a self-excited oscillation type class D amplifier that can reduce switching loss and protect a switching element after returning from a clip.
上記目的を達成するため、本発明に係る第1の自励発振型D級アンプは、基本周波数の基本信号を出力する基本発振器と、自励発振ループを有し、該自励発振ループにおける自励発振信号によって負荷を駆動する自励発振型D級増幅回路と、自励発振信号と基本信号とを比較し、自励発振信号の自励発振周波数を基本周波数に同期させる制御信号を発生する制御信号発生手段と、自励発振ループ中に介挿され、自励発振信号の遅延時間を制御信号に応じて変化させることにより、自励発振周波数を基本周波数に追随させて基本周波数と同期させる自励発振信号遅延手段と、自励発振周波数を監視し、自励発振が停止した状態を検出したタイミングで、制御信号発生手段において発生する制御信号を保持し、自励発振が再開した状態を検出したタイミングで、制御信号の保持値を保持状態から可変状態に戻して自励発振信号遅延手段を動作させる自励発振周波数監視手段と、を備える構成である。このような構成によれば、自励発振ループにおける自励発振が停止した状態をクリップとして検出した後、そのクリップから復帰して自励発振が再開したときには、クリップ検出時に保持しておいた制御信号を用いて自励発振信号遅延手段を動作させるため、クリップから復帰した直後において自励発振ループが基本周波数よりも高い周波数で自励発振することを防止することができる。 In order to achieve the above object, a first self-excited oscillation type class D amplifier according to the present invention includes a basic oscillator that outputs a basic signal having a fundamental frequency, and a self-excited oscillation loop. A self-excited oscillation type class D amplifier circuit that drives a load by an excitation oscillation signal, compares the self-excitation oscillation signal with a basic signal, and generates a control signal that synchronizes the self-excitation oscillation frequency of the self-excitation oscillation signal with the basic frequency. The control signal generating means is inserted in the self-excited oscillation loop, and the delay time of the self-excited oscillation signal is changed according to the control signal so that the self-excited oscillation frequency follows the basic frequency and is synchronized with the basic frequency. The self-excited oscillation signal delay means and the self-excited oscillation frequency are monitored, and when the self-excited oscillation is stopped, the control signal generated by the control signal generating means is held and the self-excited oscillation is resumed. Detected In timing, a configuration and a self-oscillation frequency monitoring means for operating the self-oscillation signal delay means back to the variable state from the holding state holding value of the control signal. According to such a configuration, when the self-excited oscillation in the self-excited oscillation loop is detected as a clip, when the self-excited oscillation resumes after returning from the clip, the control held at the time of detecting the clip Since the self-oscillation signal delay means is operated using the signal, it is possible to prevent the self-oscillation loop from self-oscillating at a frequency higher than the fundamental frequency immediately after returning from the clip.
また第2の自励発振型D級アンプは、上記第1の構成において、自励発振周波数監視手段が、基本信号の立ち上がり及び立ち下がりのいずれか一方を少なくとも2回検知するまでの間に、自励発振信号の位相反転を検知しない場合に、自励発振が停止した状態であることを検出する構成である。 Further, the second self-excited oscillation type class D amplifier has the above-described first configuration, in which the self-excited oscillation frequency monitoring unit detects at least two times the rising edge or the falling edge of the basic signal. When the phase inversion of the self-excited oscillation signal is not detected, the self-excited oscillation is detected to be stopped.
また第3の自励発振型D級アンプは、上記第2の構成において、自励発振周波数監視手段は、制御信号を保持した後、自励発振信号の位相反転を検知することに伴い、自励発振が再開した状態であることを検出する構成である。 In the third self-excited oscillation type class D amplifier according to the second configuration, the self-excited oscillation frequency monitoring means holds the control signal and then detects the phase inversion of the self-excited oscillation signal. In this configuration, it is detected that the excitation oscillation has resumed.
さらに第4の自励発振型D級アンプは、上記第1乃至第3のいずれかの構成において、制御信号発生手段は、自励発振信号と基本信号との比較結果に基づき、自励発振信号及び基本信号の周波数、周期又は位相のずれに応じた電圧を発生し、該電圧を制御信号として自励発振信号遅延手段へ出力するループフィルタを備え、自励発振周波数監視手段は、自励発振が停止した状態を検出したタイミングで、ループフィルタにおける電圧を不変状態に保持し、自励発振が再開した状態を検出したタイミングで、ループフィルタにおける電圧を自励発振信号及び基本信号の周波数、周期又は位相のずれに応じて変化することを許容することを特徴とする構成である。 Further, in the fourth self-excited oscillation type class D amplifier, in any of the first to third configurations, the control signal generating means is based on a comparison result between the self-excited oscillation signal and the basic signal. And a loop filter that generates a voltage corresponding to the frequency, period or phase shift of the basic signal and outputs the voltage as a control signal to the self-oscillation signal delay means. The voltage in the loop filter is held in an invariable state at the timing when the stopped state is detected, and the frequency and period of the self-excited oscillation signal and basic signal are detected at the timing at which the self-excited oscillation is resumed at the timing detected. Or it is the structure characterized by permitting changing according to the shift | offset | difference of a phase.
本発明によれば、自励発振の停止時に制御信号を保持し、自励発振が再開された時にはその保持した制御信号を用いて自励発振信号の遅延時間を制御する動作を再開するため、例えばクリップから復帰して自励発振が再開された後において異常に早い周波数での発振が防止されるためスイッチング損失が低減され、スイッチング素子を保護することができるようになる。 According to the present invention, when the self-excited oscillation is stopped, the control signal is held, and when the self-excited oscillation is resumed, the operation of controlling the delay time of the self-excited oscillation signal is resumed using the held control signal. For example, after the self-excited oscillation is resumed after returning from the clip, oscillation at an abnormally high frequency is prevented, so that the switching loss is reduced and the switching element can be protected.
以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態における自励発振型D級アンプ1の一構成例を示す回路図である。この自励発振型D級アンプ1は、アナログオーディオ信号を入力して負荷となるスピーカー22を駆動する自励発振型のD級増幅回路10を備えている。このD級増幅回路10は、自励発振ループ11を有し、この自励発振ループ11における自励発振信号(PWM信号)によってスピーカー22を駆動するものである。すなわち、このD級増幅回路10は、コンパレータ12と、ディレイ回路13と、出力回路14と、ローパスフィルタ18と、フィードバック回路23とを有し、コンパレータ12とディレイ回路13と出力回路14とローパスフィルタ18とで構成される往路と、ローパスフィルタ18からフィードバック回路23を経由してコンパレータ12に入力する帰還路とによって自励発振ループ11を形成している。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a self-excited oscillation type
コンパレータ12は、オーディオ信号と、スピーカー22に出力される信号が抵抗24,25で構成されるフィードバック回路23を経由して帰還する帰還信号とを入力し、それら両信号レベルの大小に応じて2値に変化する自励発振信号(オーディオ信号をパルス幅変調したPWM信号)を出力する。この自励発振信号は、自励発振信号遅延手段として構成されるディレイ回路13に入力し、ディレイ回路13で調整されたディレイ量(遅延時間)に基づく遅延が施された後に出力回路14へ入力する。出力回路14は、ドライバ回路15と、パワーMOSトランジスタで構成されるスイッチング素子16,17とを備えている。ドライバ回路15は、ディレイ回路13から出力される自励発振信号に基づき2つのスイッチング素子16,17を個別にスイッチング駆動することにより、自励発振信号を各スイッチング素子16,17に接続された正負の電源電圧で電力増幅して出力する。この電力増幅された自励発振信号は、コイル19とコンデンサ20によるローパスフィルタ18でアナログオーディオ信号に復調され、出力端子21からスピーカー22へ出力される。また復調されたアナログオーディオ信号は、上述したように帰還路に設けられたフィードバック回路23に入力し、抵抗24,25で分圧された帰還信号となってコンパレータ12へ入力する。尚、スピーカー22へ出力されるオーディオ信号は、例えば、自励発振信号のデューティ比が50%のときには0Vの信号となり、デューティ比100%のときにはスイッチング素子16に接続された正の電源電圧に張り付いた状態(クリップ状態)の信号となり、さらにデューティ比0%のときにはスイッチング素子17に接続された負の電源電圧に張り付いた状態(クリップ状態)の信号となる。
The
このような自励発振ループ11は、可聴周波数帯では負帰還となっているが、可聴周波数帯よりも十分に高い周波数(例えば数100kHz)では入力信号に対する帰還信号の位相回転が生じ、位相回転が180°となる周波数で正帰還となって自励発振する。この自励発振ループ11中に介挿されたディレイ回路13は自励発振信号のディレイ量を変化させることにより、帰還信号の位相回転が180°となる周波数が変化し、自励発振信号の自励発振周波数が変化する。したがって、ディレイ回路13におけるディレイ量を調整することにより、自励発振信号の自励発振周波数を制御することが可能である。
Such a self-
また自励発振型D級アンプ1は、ディレイ回路13から出力される自励発振信号と、基本発振器30から出力される基本周波数(数100kHz程度)の基本信号(クロック信号)とを入力してそれらを比較し、自励発振信号の自励発振周波数を基本周波数に同期させるための制御信号Vcntを発生させてその制御信号Vcntをディレイ回路13に出力する制御信号発生回路31を備えている。この制御信号発生回路31は、上述した自励発振型D級増幅回路10をVCO(Voltage Controlled Oscillator)とするPLL(Phase Locked Loop)を構成するものであり、位相比較器32と、チャージポンプ33と、ループフィルタ34とを備える。
The self-excited oscillation type
位相比較器32は、ディレイ回路13から出力される自励発振信号と基本信号の位相比較を行い、その位相差に応じたパルス幅(デューティ比)のパルス信号を出力する。チャージポンプ33は、位相比較器32から出力されるパルス信号に基づきループフィルタ34をチャージするためのパルス状の電圧を発生する。ループフィルタ34は、チャージポンプ33から出力されるパルス状の電圧を平均化し、自励発振信号と基本信号との位相差に応じた電圧を制御信号Vcntとして出力する。この制御信号Vcntは自励発振信号のディレイ量を調整するための信号としてディレイ回路13へ出力される。つまり、ディレイ回路13におけるディレイ量を制御信号Vcntによって制御することにより、ディレイ回路13から出力される自励発振信号の自励発振周波数を基本信号の基本周波数に追随させる構成である。
The
さらに自励発振型D級アンプ1は、ディレイ回路13から出力される自励発振信号を監視し、自励発振信号(PWM信号)のデューティ比が100%又は0%となって自励発振が停止した状態を、クリップとして検知する自励発振周波数監視部35を備えている。この自励発振周波数監視部35は、自励発振信号と基本信号とを入力して比較し、基本信号の基本周波数に追随することなく、自励発振周波数が基本周波数よりも急激に低下した状態になると、それを自励発振が停止した状態として検出する。そして自励発振周波数監視部35は、自励発振が停止した状態のままで自励発振信号のクリップを検知している期間中、制御信号発生回路31のループフィルタ34から出力される制御信号Vcntを一定の状態に保持するように制御する。
Furthermore, the self-excited oscillation type
自励発振型D級アンプ1の各部について更に詳しく説明する。まず図2はディレイ回路13の詳細な一構成例を示す図である。図2に示すディレイ回路13は、P型MOSトランジスタ41とN型MOSトランジスタ42をゲートどうし及びドレインどうしを互いに接続したCMOSインバータ43を、複数段に縦列接続してなる2値信号の可変遅延回路として構成される。ループフィルタ34から出力される制御信号Vcntは、ディレイ回路13においてオペアンプ44の非反転入力端子に入力する。この非反転入力端子は入力ハイインピーダンスであるため、ループフィルタ34からの電流は流れない。オペアンプ44は、出力端子に接続されたP型MOSトランジスタ46をオンさせて、反転入力端子の電位が非反転入力端子に入力する制御信号Vcntと等しくなうように動作する。そのため、抵抗45の両端の電位差が制御信号Vcntに応じて変化し、抵抗45及びP型MOSトランジスタ46を流れる電流Iが制御信号Vcntに応じて変化する。この電流Iは、複数のN型MOSトランジスタ47で構成されるカレントミラー48及び複数のP型MOSトランジスタ49で構成されるカレントミラー50により、複数のCMOSインバータ43のそれぞれに対して等しく供給される。そしてディレイ回路13は、制御信号Vcntに応じて各CMOSインバータ43の電流を変化させることにより、各CMOSインバータ43における遅延時間を可変させ、ディレイ回路13全体としてのディレイ量を制御する。
Each part of the self-excited oscillation type
図3は、制御信号Vcntとディレイ回路13におけるディレイ量との関係を示す図である。ディレイ回路13に印加される制御信号Vcntが上昇すると、抵抗45の両端の電位差が小さくなるため、各CMOSインバータ43に流れる電流が減少する。その結果、各CMOSインバータ43での遅延時間が長くなるので、ディレイ回路13全体としてのディレイ量が大きくなる。このとき、自励発振信号の自励発振周波数を低下させる方向に制御が働く。逆に、制御信号Vcntが下降すると、各CMOSインバータ43に流れる電流が増加するため、各CMOSインバータ43での遅延時間が短くなり、ディレイ回路13全体としてのディレイ量が減少する。このとき、自励発振信号の自励発振周波数を上昇させる方向に制御が働く。このようにディレイ回路13は、制御信号Vcntによってディレイ回路13のディレイ量を可変させることにより、基本周波数を目標周波数として自励発振信号の自励発振周波数を基本周波数に追随させていき、最終的に自励発振信号の周波数及び位相が基本信号と同期した状態へと引き込むことができる。制御信号Vcntは、図3に示すように所定の最小電圧Vminと最大電圧Vmaxとの範囲内で調整可能であり、この調整可能範囲を制御範囲としてディレイ量を可変させることができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the control signal Vcnt and the delay amount in the
図4は、制御信号発生回路31及び自励発振周波数監視部35の詳細な回路構成の一例を示す図である。位相比較器32は、基本信号と自励発振信号との位相差に応じたパルス幅のパルス信号S1,S2をチャージポンプ33に出力する。すなわち図5(a)に示すように基本信号に対して自励発振信号の位相が遅れているときには、パルス信号S1は基本信号の立ち上がりから自励発振信号の立ち上がりまでの期間だけ"0"から"1"に遷移し、パルス信号S2は"0"のままとなる。また図5(b)に示すように基本信号に対して自励発振信号の位相が進んでいるときには、パルス信号S1は"0"のままとなり、パルス信号S2は自励発振信号の立ち上がりから基本信号の立ち上がりまでの期間だけ"0"から"1"に遷移し、パルス信号S2は"0"のままとなる。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a detailed circuit configuration of the control
チャージポンプ33は、電源電圧Vdに接続されるスイッチング素子51と、電源電圧Vs(ただし、Vs<Vd)に接続されるスイッチング素子52とを備えており、これらスイッチング素子51,52の共通接点53にループフィルタ34をチャージするためのパルス状の電圧を発生させる。通常、共通接点53の電位は電源電圧Vd,Vsを抵抗54,55で分圧した値となっている。スイッチング素子51は位相比較器32から出力されるパルス信号S2が"1"となる期間中にオンし、その共通接点53の電位を電源電圧Vdとする。またスイッチング素子52は位相比較器32から出力されるパルス信号S1が"1"となる期間中にオンし、共通接点53の電位を電源電圧Vsとする。ここで、電源電圧Vdは制御信号Vcntの最大電圧Vmaxを規定する電圧であり、電源電圧Vsは制御信号Vcntの最小電圧Vminを規定する電圧である。そして共通接点53の電位はスイッチSW1を介してループフィルタ34へ供給される。
The
スイッチSW1は、チャージポンプ33とループフィルタ34との接続を開閉するスイッチである。このスイッチSW1は、自励発振周波数監視部35によって開閉制御される。具体的には、自励発振周波数監視部35において自励発振信号のクリップが検知されていないときには、スイッチSW1はチャージポンプ33とループフィルタ34とを接続する閉状態となり、ループフィルタ34の充放電が行われる。これに対し、自励発振周波数監視部35において自励発振信号のクリップが検知されている期間中、スイッチSW1はチャージポンプ33とループフィルタ34との接続を開放する開状態となるように制御される。
The switch SW1 is a switch that opens and closes the connection between the
ループフィルタ34は、抵抗56,57とコンデンサ58,59とを備えて構成されるローパスフィルタである。このループフィルタ34は、スイッチSW1が閉状態のとき、チャージポンプ33から出力される共通接点53の電位を平均化するように各コンデンサ58,59に電荷を蓄積する。このとき各コンデンサ58,59に蓄積される電荷により、ループフィルタ34は、自励発振信号と基本信号との位相差に応じた電圧を発生する。ループフィルタ34は、その電圧を制御信号Vcntとしてディレイ回路13へ出力する。またスイッチSW1がチャージポンプ33とループフィルタ34との接続を開放しているとき、ループフィルタ34は、スイッチSW1が開状態となる直前の電圧を保持する。すなわち、スイッチSW1が開状態になると、コンデンサ58,59に蓄積された電荷が放電されないため、その直前のループフィルタ電圧がそのまま保持された状態となり、ループフィルタ34からディレイ回路13へ出力される制御信号Vcntが不変状態となる。
The
自励発振周波数監視部35は、例えば4つのDフリップフロップ61,62,63,64と、インバータ65と、NORゲート66とによって構成される論理回路である。この自励発振周波数監視部35は、自励発振信号のデューティ比が100%となるクリップ状態と、デューティ比が0%となるクリップ状態との双方を検出する。NORゲート66は、入力信号S3,S4のうちのいずれか一方若しくは双方が"1"になると、出力信号S5を"0"として出力し、それ以外の場合には出力信号S5を"1"として出力する。NORゲート66は、この出力信号S5でスイッチSW1を開閉制御するものであり、出力信号S5が"1"のときにスイッチSW1を閉状態にし、出力信号S5が"0"のときにスイッチSW1を開状態にする。ディレイ回路13から出力される自励発振信号は、Dフリップフロップ61,62のリセット端子Rに入力する。また自励発振信号はインバータ65によって極性反転し、その反転信号がDフリップフロップ63,64のリセット端子Rに入力する。また基本発振器30から出力される基本信号は、各Dフリップフロップ61,62,63,64のクロック端子CLKに入力する。Dフリップフロップ61,63のデータ入力端子Dは、所定の電源電圧にプルアップ接続され、常時"1"を入力する。またDフリップフロップ61,63の出力端子QはそれぞれDフリップフロップ62,64のデータ入力端子Dに接続される。そしてDフリップフロップ62,64の出力端子QからNORゲート66へ入力する信号S3,S4が出力される。
The self-excited oscillation
上記構成の自励発振周波数監視部35は、基本信号の立ち上がりを少なくとも2回検知するまでの間に自励発振信号の位相反転を検知しないとき、Dフリップフロップ62,64から出力される2つの信号S3,S4のうちのいずれか一方が"0"から"1"に遷移する。例えば、図6(a)に示すように、タイミングT1で自励発振信号のデューティ比が100%となってクリップした後、タイミングT2とT3とで基本信号の立ち上がりが2回検知される間に自励発振信号の位相が反転せず、Dフリップフロップ61,62がリセットされなかった場合、Dフリップフロップ62は出力信号S3を"0"から"1"へ遷移させる。また図6(b)に示すように、タイミングT1で自励発振信号のデューティ比が0%となってクリップした後、タイミングT2とT3とで基本信号の立ち上がりが2回検知される間に自励発振信号の位相が反転せず、Dフリップフロップ63,64がリセットされなかった場合、Dフリップフロップ64は出力信号S4を"0"から"1"へ遷移させる。つまり、自励発振周波数監視部35は、自励発振信号が一定期間の間に位相反転することなく自励発振が停止状態となったことを検出したタイミングで、Dフリップフロップ62,64から出力される2つの信号S3,S4のうちのいずれか一方を"0"から"1"に遷移させる。このときNORゲート66は出力信号S5を"0"にすることにより、スイッチSW1を開状態に切り替え、ループフィルタ34において制御信号Vcntが変化しないように制御する。尚、図6では、基本信号の立ち上がりが2回検知される間に自励発振信号の位相が反転しなければ、自励発振信号がクリップしたと判定する場合を例示しているが、クリップ判定期間は必ずしも基本信号の立ち上がりが2回検知される期間に限られるものではなく、基本信号の3回以上の立ち上がりを検知する期間としても良い。また基本信号の立ち上がりを検知するのではなく、立ち下がりを検知するようにしても良い。
When the self-excited oscillation
自励発振周波数監視部35がクリップを検出してスイッチSW1が開状態になると、その後は、自励発振信号がクリップ状態から復帰して位相反転が生じるまでその状態が維持される。この状態でも、制御信号発生回路31においては、位相比較器32とチャージポンプ33とが通常通り動作しており、ディレイ回路13から出力される自励発振信号に基づいてその自励発振信号を基本信号に同期させるための動作が継続される。そのため、制御信号発生回路31の位相比較器32及びチャージポンプ33は、クリップ状態で周波数が低下してDC信号となっている自励発振信号の周波数を上げるべく、チャージポンプ33の共通接点53の電位を低下させていく。しかし、スイッチSW1が開状態であるため、ループフィルタ34には共通接点53の電位は出力されず、制御信号VcntはスイッチSW1が開放される直前の値を保持し続ける。そのため、ディレイ回路13はクリップが検出される直前のディレイ量を保持する。このときスイッチSW1が開状態でチャージポンプ33のスイッチング素子52がオンすることになるが、抵抗54によってスイッチング素子52に流れる電流を抑制することができるので、チャージポンプ33は破損することなく通常動作を継続する。尚、スイッチSW1が開状態のとき、ディレイ回路13のディレイ量は、制御信号Vcntによって一定の状態に保持される。
When the self-oscillation
その後、自励発振ループ11において自励発振が再開し、自励発振信号がクリップ状態から復帰して位相反転が生じると、Dフリップフロップ61,62,63,64がリセットされるため、NORゲート66の出力信号S5が"1"に戻り、スイッチSW1が閉状態に戻る。したがって、制御信号発生回路31は、自励発振信号がクリップ状態から復帰して通常の自励発振が再開されると、その復帰した自励発振信号と基本信号とを比較し、自励発振信号の自励発振周波数を基本周波数に同期させるべく、ループフィルタ34の制御信号Vcntを可変させる動作を再開する。これに伴い、ループフィルタ34は、クリップが検出される直前の制御信号Vcntの値からディレイ回路13のディレイ量を可変させる制御を再開する。
Thereafter, when the self-excited oscillation is resumed in the self-
図7は、自励発振信号のクリップが検出される前後においてループフィルタ34から出力される制御信号Vcntの一例を示す図である。図7では、本実施形態の制御を適用した場合の制御信号Vcntの一例を実線L1で示しており、本実施形態の制御を適用しない場合の比較例を破線L2で示している。タイミングT10より前において自励発振信号がクリップしていない状態のとき、制御信号Vcntはディレイ回路13のディレイ量を可変させて自励発振信号の自励発振周波数を基本周波数に追随させるべく、自励発振信号と基本信号との位相差に応じて最小電圧Vminと最大電圧Vmaxとの範囲内で変動している。そしてタイミングT10で自励発振信号のクリップが検出されると、本実施形態では実線L1で示すように、制御信号Vcntが不変状態となり、タイミングT10における値を保持し続ける。その後タイミングT11で自励発振が再開してクリップから復帰すると、制御信号Vcntはクリップ検出期間中に保持していた値を初期バイアス値として、以後、自励発振信号と基本信号との位相差に応じて再び変動するようになる。そのため、クリップから復帰した直後(タイミングT11の直後)では、クリップ検出前の状態を引き継いでディレイ回路13のディレイ量を可変制御することが可能であり、自励発振周波数が基本周波数よりもかなり高い周波数で自励発振してしまうことを防止できる。これにより、クリップから復帰した直後において、出力回路14に設けられたスイッチング素子16,17が高周波数でスイッチング動作してしまうことを防止できるので、それらスイッチング素子16,17を保護することができる。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the control signal Vcnt output from the
これに対し、本実施形態の制御を適用しない場合は、タイミングT10でクリップが検出されると、破線L2で示すように、自励発振信号の自励発振周波数を上昇させるべく、制御信号Vcntは次第に低下する。そしてタイミングT11で自励発振が再開してクリップから復帰したときには、制御信号Vcntはクリップ直前の値から低下しているので、自励発振周波数が基本周波数よりもかなり高い周波数で自励発振するようになる。この場合、出力回路14に設けられたスイッチング素子16,17が高周波数でスイッチング動作を行うため、スイッチング損失が大きくなり、各スイッチング素子16,17にかかる負荷が増大する。そして最悪のケースではスイッチング素子16,17が破損することもある。
On the other hand, when the control of the present embodiment is not applied, when a clip is detected at timing T10, the control signal Vcnt is set to increase the self-excited oscillation frequency of the self-excited oscillation signal as indicated by a broken line L2. It gradually decreases. When the self-excited oscillation resumes at timing T11 and returns from the clip, the control signal Vcnt has decreased from the value immediately before the clip, so that the self-excited oscillation frequency is considerably higher than the fundamental frequency. become. In this case, since the switching
つまり、本実施形態の自励発振型D級アンプ1は、自励発振周波数監視部35が自励発振ループ11における自励発振周波数を監視し、自励発振が停止した状態を検出したタイミングで制御信号発生回路31において発生する制御信号Vcntを保持し、自励発振が再開した状態を検出したタイミングで制御信号Vcntを保持状態から可変状態に戻してディレイ回路13を動作させることにより、クリップが解消して自励発振信号が復帰した直後におけるスイッチング損失を低減し、出力回路14のスイッチング素子16,17を良好に保護することができる構成である。またクリップから復帰して正常に自励発振するようになると、クリップ直前の制御信号Vcntを可変状態に戻してディレイ量制御を再開することにより、ディレイ量制御の乱失調を最小限に抑えることができるため、自励発振信号の歪み等を低減できると共に、クリップから復帰した後、自励発振周波数を比較的早期に基本周波数に引き込むことができるようになる。
That is, in the self-excited oscillation type
また自励発振信号がデューティ比100%又は0%でクリップしているときには、ビート音の原因となる周波数成分が存在しないため、制御信号発生回路31によるPLL制御を一時的に停止させたとしてもビート音は発生しない。そしてクリップを検出している期間中は制御信号Vcntを保持した状態で制御信号発生回路31によるPLL制御を一時的に停止させることにより、クリップから復帰すれば上述のように自励発振周波数を比較的早期に基本周波数に引き込むことができるので、クリップからの復帰直後においてもビート音を抑制することが可能である。
Further, when the self-excited oscillation signal is clipped at a duty ratio of 100% or 0%, there is no frequency component that causes a beat sound. Therefore, even if the PLL control by the control
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。例えば、上記実施形態では、自励発振周波数監視部35が自励発振信号のクリップを検出するためにフリップフロップ61,62,63,64を用いた回路例を説明したが、他の回路構成を採用してクリップを検出するものであっても構わない。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to what was mentioned above, A various modification is applicable. For example, in the above-described embodiment, the self-excited oscillation
また上記実施形態では、自励発振周波数監視部35がクリップを検出すると、チャージポンプ33とループフィルタ34との間に介挿されたスイッチSW1を開状態に制御することにより、ループフィルタ34から出力される制御信号Vcntを不変状態に保持する構成例を説明した。しかし、制御信号Vcntを保持する構成は、これに限られるものではない。例えば自励発振周波数監視部35がクリップを検出したタイミングで制御信号Vcntの値をメモリなどに一時的に記憶しておき、クリップから復帰したときにはその記憶された値を制御信号Vcntに再設定してPLL制御を再開させるものであっても構わない。
In the above-described embodiment, when the self-excited oscillation
また上記実施形態では、ディレイ回路13の一例として複数のCMOSインバータ43を縦列接続した回路例を説明した。しかし、ディレイ回路13は制御信号Vcntに応じて遅延時間を可変制御可能なものであれば良く、必ずしも上述した回路例に限られるものではない。また上記実施形態では、制御信号発生回路31において自励発振信号と基本信号とを比較し、それらの位相差を検出する場合を例示したが、位相差以外に、例えば自励発振信号と基本信号との周波数又は周期のずれを検出し、そのずれに応じて制御信号Vcntを発生させるものであっても構わない。さらに上記実施形態では、ローパスフィルタ18の出力端子21からスピーカー22へ出力される信号をコンパレータ12に帰還させて自励発振ループ11を形成する回路構成を示したが、これに限られるものでもなく、例えば出力回路14から出力される信号を帰還路に導いて自励発振ループ11を構成したものであっても良い。
In the above-described embodiment, a circuit example in which a plurality of
1…自励発振型D級アンプ、10…自励発振型D級増幅回路、11…自励発振ループ、13…ディレイ回路(自励発振信号遅延手段)、30…基本発振器、31…制御信号発生回路、34…ループフィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
自励発振ループを有し、該自励発振ループにおける自励発振信号によって負荷を駆動する自励発振型D級増幅回路と、
前記自励発振信号と前記基本信号とを比較し、前記自励発振信号の自励発振周波数を前記基本周波数に同期させる制御信号を発生する制御信号発生手段と、
前記自励発振ループ中に介挿され、前記自励発振信号の遅延時間を前記制御信号に応じて変化させることにより、前記自励発振周波数を前記基本周波数に追随させて前記基本周波数と同期させる自励発振信号遅延手段と、
前記自励発振周波数を監視し、前記自励発振が停止した状態を検出したタイミングで、前記制御信号発生手段において発生する前記制御信号を保持し、前記自励発振が再開した状態を検出したタイミングで、前記制御信号を保持状態から可変状態に戻して前記自励発振信号遅延手段を動作させる自励発振周波数監視手段と、
を備えることを特徴とする自励発振型D級アンプ。 A basic oscillator that outputs a fundamental signal at a fundamental frequency;
A self-excited oscillation type class D amplifier circuit having a self-excited oscillation loop and driving a load by a self-excited oscillation signal in the self-excited oscillation loop;
Control signal generating means for comparing the self-excited oscillation signal with the basic signal and generating a control signal for synchronizing the self-excited oscillation frequency of the self-excited oscillation signal with the basic frequency;
By interpolating in the self-excited oscillation loop and changing the delay time of the self-excited oscillation signal in accordance with the control signal, the self-excited oscillation frequency is made to follow the fundamental frequency and synchronized with the fundamental frequency. Self-oscillation signal delay means;
The timing at which the self-excited oscillation frequency is monitored, the control signal generated by the control signal generating means is held at the timing at which the self-excited oscillation is stopped, and the state at which the self-excited oscillation is resumed is detected. Then, the self-excited oscillation frequency monitoring means for returning the control signal from the holding state to the variable state and operating the self-excited oscillation signal delay means,
A self-excited oscillation type class D amplifier.
前記自励発振周波数監視手段は、前記自励発振が停止した状態を検出したタイミングで、前記ループフィルタにおける前記電圧を不変状態に保持し、前記自励発振が再開した状態を検出したタイミングで、前記ループフィルタにおける前記電圧を前記自励発振信号及び前記基本信号の周波数、周期又は位相のずれに応じて変化することを許容することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の自励発振型D級アンプ。 The control signal generating means generates a voltage corresponding to a frequency, period, or phase shift between the self-excited oscillation signal and the basic signal based on a comparison result between the self-excited oscillation signal and the basic signal. A loop filter that outputs to the self-oscillation signal delay means as the control signal,
The self-excited oscillation frequency monitoring means holds the voltage in the loop filter in an invariable state at a timing when the self-excited oscillation is stopped, and detects a state in which the self-excited oscillation is restarted. 4. The self-oscillation signal according to claim 1, wherein the voltage in the loop filter is allowed to change according to a frequency, period, or phase shift of the self-excited oscillation signal and the basic signal. Excited oscillation type class D amplifier.
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