JP2000224040A - Δς変調回路およびそれを用いるスイッチング増幅器 - Google Patents
Δς変調回路およびそれを用いるスイッチング増幅器Info
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Abstract
7を備える高次のΔΣ変調回路1において、その変調出
力を利用するスイッチング増幅器などに適応して、発振
限界値を高くする。 【解決手段】 まず各乗算器A1〜A6の乗算係数を1
/2以下として、入力端子Xからの入力およびフィード
バックループR0を介するその出力加算値が1を超えな
いようにするとともに、相互に連続する乗算器のうち、
2m(mは正の整数)次の乗算器の乗算係数が、2m−
1の乗算器の乗算係数以下で、かつ少なくとも1箇所で
小さくなるようにする。
Description
て好適に実施され、伝送帯域やダイナミックレンジを任
意に設定することができる高次のΔΣ変調回路、および
その量子化結果に応答してスイッチングを制御し、高効
率で電力増幅を行うスイッチング増幅器に関する。
信号は、後述する積分器や加算器の係数を適宜選択する
ことによって、有効周波数帯域を広くしたり、またはダ
イナミックレンジを広くしたりするなどの、音源等に合
わせた周波数特性を設定できるという優れた特徴を有し
ている。このため、SACD(スーパー・オーディオ・
コンパクト・ディスク)の新しい規格では、この1ビッ
ト信号が採用され、本年から製品化が始まろうとしてい
る。
ット信号は、上述のような音響信号の記録や、機器間の
伝送にあたって使用されるだけでなく、前記1ビット信
号をそのまま半導体電力増幅素子に入力し、得られた大
電圧のスイッチングパルスにローパスフィルタを通過さ
せるだけで、電力増幅された復調アナログ音響信号を得
ることもできる。しかも、前記半導体電力増幅素子は、
従来の増幅器のように、その線形域(不飽和域)が使用
されるのではなく、非線形域(飽和域)で使用されるの
で、このようなΔΣ変調を用いるスイッチング増幅器
は、極めて高効率に電力増幅を行うことができるという
利点を有しており、製品化が目前に迫っている。
構成を示すブロック図である。このΔΣ変調回路1は、
入力された前記音響信号を順次積分してゆく相互に縦続
接続された7次の積分器M1〜M7と、各積分器M1〜
M7からの出力を相互に加算する加算器K0と、積分器
M2〜M7の入力側にそれぞれ介在される乗算器A1〜
A6と、フィードバックループR1,R2,R3を形成
する遅延器D1,D2,D3、乗算器B1,B2,B3
および加算器K1,K2,K3とを有する積分器・加算
器群と、量子化器Qと、フィードバックループR0を形
成する遅延器D0および加算器K4とを備えて構成され
る。
号は、各積分器M1〜M7で順次積分されるとともに、
各積分器M1〜M7の出力が加算器K0で相互に加算さ
れる。この加算された信号は、量子化器Qによって、
「−1」または「+1」の1ビット信号に量子化され、
出力端子Yからデジタル信号として出力される。量子化
器Qから出力される1ビット信号は、遅延器D0で1サ
ンプリング周期だけ遅延された後、加算器K4において
前記入力アナログ音響信号から減算されて、積分器M1
に負帰還される。また、各積分器M2〜M7の入力側に
は乗算器A1〜A6が介在されており、前段側の各積分
器M1〜M6からの出力が、この乗算器A1〜A6を介
して、後段側の各積分器M2〜M7にそれぞれ入力され
る。
御のために、前述のフィードバックループR1が設けら
れており、積分器M3からの出力は遅延器D1で遅延さ
れ、さらに乗算器B1で所定の係数が乗算された後、加
算器K1によって積分器M2への入力から減算される。
同様に、積分器M4,M5および積分器M6,M7にお
いても、それぞれフィードバックループR2,R3によ
って、上記と同様の制御が行われる。
Σ変調回路1は、入力信号の大きさによっては、出力信
号が発振してしまう恐れがある。発振は不安定な回路で
起こる現象で、安定性は回路の伝達関数の極の位置によ
って決定されることが知られている。尚、伝達関数とは
回路の出力と入力との関係を表した関数であり、極とは
伝達関数の分母を0にする値のことである。伝達関数の
分母の多項式を0とおいて、(特性)方程式の根がz平
面上の単位円の内側にあれば回路は常に安定するが、根
が1つでもz平面上の単位円の外側にあれば、不安定な
回路となる。ΔΣ変調回路においては、次数が2次まで
は安定動作するが、3次以上になると不安定な回路とな
る。したがって、上述のような高次のΔΣ変調回路1
は、入力信号の大きさによっては、発振を起こすことに
なる。
り、入力信号レベルがその発振限界値を超えてしまうと
発振を生じる。この発振限界値は、フィードバックルー
プR0によって負帰還される信号の最大振幅によって決
定される。従来からのΔΣ変調回路では、前記乗算器A
1〜A6の係数に1/2の累乗値以上の係数が使用され
て、量子化ノイズを高周波側にシフトさせてノイズシェ
ーピングを行い、高いS/Nが得られているけれども、
前記発振限界値は低い。
られた1ビット信号を半導体電力増幅素子のスイッチン
グ制御信号として利用し、高効率に電力増幅を行うスイ
ッチング増幅器が近年注目されている。ここで、そのス
イッチング増幅器の出力をWとし、出力インピーダンス
をRとし、電源電圧をVとし、前記ΔΣ変調回路の発振
限界値をkとすると、 W=(k・V)2 /R …(1) の関係で表される。
電圧Vを小さくすることができる。たとえば、出力Wが
100(W)のスイッチング増幅器を設計する場合、k
=1であるときには、V=28.3(V)となるのに対
して、k=0.7では、V=40.4(V)となってし
まう。すなわち、V=28.3(V)では、k=1であ
ると、100(W)の出力を得ることができるけれど
も、k=0.7では49(W)の出力しか得ることがで
きず、効率がほぼ1/2となってしまう。したがって、
ΔΣ変調回路には、発振限界値kの高いものが要求され
るようになってきている。
果を維持しつつ、発振限界値を高くすることができるΔ
Σ変調回路およびそれを用いるスイッチング増幅器を提
供することである。
Σ変調回路は、入力信号を相互に縦続接続された複数段
の積分器群に入力し、各積分器の加算出力を量子化する
ようにしたΔΣ変調回路において、前記積分器の入力側
に介在される乗算器の係数を1/2以下とすることを特
徴とする。
考えると、如何なる条件においても、その積分器の出力
の量子化結果のフィードバック値と入力信号との加算値
は1以下となり、ΔΣ変調ループに殆ど発振が生じるこ
とはない。
維持しつつ、発振限界値を高くすることができる。
では、2m(mは正の整数)次の積分器の乗算係数は、
2m−1次の積分器の乗算係数以下であり、かつ少なく
とも1箇所で、前記2m次の積分器の乗算係数が2m−
1次の積分器の乗算係数未満であることを特徴とする。
る2つの積分器において、後段側の積分器の乗算係数
は、前段側の積分器の乗算係数以下となり、さらに少な
くとも1箇所で、前段側の積分器の乗算係数未満とな
る。
ことができる。
チング増幅器は、前記請求項1または2記載のΔΣ変調
回路の量子化結果に応答して、電源からの予め定める定
電圧をスイッチングし、そのスイッチング出力をローパ
スフィルタによってアナログ変換して出力することを特
徴とする。
号となる1ビット信号を作成するΔΣ変調回路の発振限
界値が高いので、該ΔΣ変調回路への入力信号レベルを
大きくし、高い効率で電力増幅を行うことができる。
図1〜図18に基づいて説明すれば以下のとおりであ
る。
調回路1を例にして説明するけれども、本発明は図1で
示す構成に限らず、7次以外の高次のΔΣ変調回路や、
量子化結果の出力が「+1」と「0」および「−1」と
「0」の2つの1ビット信号となる3値ΔΣ変調回路な
どの多値量子化ΔΣ変調回路の構成にも適用可能であ
る。
た乗算器A1〜A6の一構成例は、たとえば図2で示す
ようになり、オペアンプAMPと、帰還コンデンサC
と、入力抵抗Rとを備えて構成される。入力抵抗Rの抵
抗値および帰還コンデンサCの静電容量をそれぞれ参照
符と同一値で表し、サンプリング周波数をfsとする
と、この乗算器および積分器における乗算係数aは、 a=1/(fs・C・R) …(2) で表すことができる。
ようなオペアンプAMPを使用したものに限らず、スイ
ッチトキャパシタを用いた積分器や、単にCRのみを使
用する積分器であってもよい。したがって、前記図1で
示すΔΣ変調回路1における乗算器A1〜A6の乗算係
数ai(i=1,2,…,6)は、それぞれこの式2の
ようにして求めることができる。
3のゲイン係数Gpn(n=1,2,3)は、一般に、 Gpn=an*bn …(3) で表すことができる。ここで、bnは各乗算器Bnにお
ける乗算係数であり、anは、フィードバックループR
1ではa1*a2であり、フィードバックループR2で
はa3*a4であり、フィードバックループR3ではa
5*a6である。また、各フィードバックループR1〜
R3で作成される零点周波数fnは、一般に、 fn=fs*√Gpn/2π …(4) で表すことができる。したがって、各乗算器Bnの乗算
係数bnは、 bn=(4π2 /An)*(fn/fs)2 …(5) から求めることができる。
て、本発明では、まず各乗算器A1〜A6での乗算係数
が1/2以下に設定される。
お、零点周波数f1=25(kHz)、f2=25/√
2(kHz)、f3=25/2√2(kHz)としてい
る。また、サンプリング周波数fsは、コンパクトディ
スクなどで広く用いられている44.1(kHz)の4
倍のオーバーサンプリングに相当する2.8224(M
Hz)としている。さらにまた、入力信号を1(kH
z)の正弦波としている。
2)i-1 とした場合の量子化ノイズ分布を表し、図3は
前記入力信号レベルを−60(dB)とした場合のデー
タであり、図4は発振限界値の入力信号を与えた場合の
データであり、図5は前記発振限界値を超える入力信号
を与えた場合のデータである。
記式5に乗算係数an、零点周波数fn、サンプリング
周波数fsを代入して求められ、b1=0.0186で
あり、b2=b3=0.0372である。また、フィー
ドバックループR0を介して帰還されるフィードバック
信号の最大振幅を1とするとき、発振限界値は0.88
であった。
信号レベルが充分低い状態から発振限界値までは、DC
〜20(kHz)の周波数帯域でのS/Nは、100
(dB)で変化していないのに対して、さらに図5を参
照して明らかになるように、前記発振限界値を超える入
力を加えると、発振状態となり、量子化ノイズレベルが
上昇するだけでなく、原信号も損なわれている。
i とした場合の量子化ノイズ分布を示すグラフである。
入力信号レベルを、図6では−60(dB)としてお
り、図7では発振限界値としており、図8では発振限界
値を超えるレベルとしている。この場合の乗算係数b1
〜b3は、b1=0.0124、b2=b3=0.02
48であり、DC〜20(kHz)でのS/Nは110
(dB)であり、発振限界値は0.58であった。
(3/5)*(1/2)i-1 とした場合の量子化ノイズ
分布を示すグラフである。入力信号レベルは、図9が−
60(dB)であり、図10が発振限界値であり、図1
1は発振限界値を超えるレベルである。このときの乗算
係数b1〜b3は、b1=0.0103、b2=b3=
0.0207であり、DC〜20(kHz)でのS/N
は107(dB)であり、発振限界値は0.17であっ
た。
る程、発振限界値が大きくなることが理解される。
信号レベルを−60(db)とし、a2=0.354
6、a3=0.1773、a4=0.0887、a5=
0.0591、a6=0.0443とした場合の量子化
ノイズ分布を示すグラフである。図12では、a1=
0.5000であり、図13では、a1=0.5100
である。なお、b1=b3=0.0056、b2=0.
112であった。
に、入力信号レベルが充分小さくても、乗算係数aiの
いずれかに1/2以上の値があると、発振状態となって
しまうことが理解される。このため本発明では、前述の
ように、乗算係数aiを1/2以下に選ぶ。
効果を損なうことなく、発振限界値を高くすることがで
きる。しかしながら、全ての乗算係数a1〜a6を1/
2以下としても、係数の選び方によっては、稀に発振が
生じる場合がある。このような場合の例を図14を用い
て説明する。図14は、a1=a2=a3=a4=a5
=a6=1/3とした場合の量子化ノイズ分布を示すグ
ラフであり、入力信号レベルを−60(dB)としてい
る。図14から明らかなように、発振状態となってい
る。
/3、a2=a3=1/6、a4=a5=1/12、a
6=1/24とした場合の量子化ノイズ分布を示すグラ
フである。入力信号レベルを、図15では−60(d
B)としており、図16では発振限界値としており、図
17では発振限界値を超えるレベルとしている。なお、
b1=b2=0.0186、b3=0.0093であ
り、DC〜20(kHz)でのS/Nは127(dB)
であり、発振限界値は0.8であった。
することに加え、さらに連続する2つの積分器に関する
乗算器のうち、少なくとも1箇所において、2m(mは
正の整数)次の積分器の乗算係数を2m−1次の積分器
の乗算係数よりも小さくし、かつ残余の乗算係数におい
て、後段側の乗算器の乗算係数を前段側の乗算器の乗算
係数以下とする(図15〜図17の例では、a1>a2
=a3>a4=a5>a6)ことによって、さらに確実
に発振現象を抑え、安定な動作を実現することができ
る。
ために、ΔΣ変調回路では、たとえば各積分器M2〜M
7の入力側に介在される乗算器A1〜A6の係数を最適
化したり、或いは各積分器M1〜M7の電源電圧を制限
する方法や、各積分器M1〜M7を構成するオペアンプ
の負帰還ループにツェナダイオードによるリミッタ回路
を設ける等の手法によって、従来から振幅制限が行われ
ている。
るリミッタ制御は、広く一般的に用いられる手法である
けれども、ツェナ電圧のバラツキ、動作抵抗および逆電
流等の影響によって、リミッタ値に変動を生じやすいと
いう問題がある。この点、上述のような乗算係数を用い
る手法は、該乗算係数が前記オペアンプの入力抵抗、帰
還容量および動作クロック周波数で決定されるので、デ
バイス等のバラツキの影響を受けにくく、任意かつ容易
に行うことができるという利点を有している。
器を構成する場合、オペアンプAMPの駆動能力(GB
積)から取り得るC,Rは、それぞれC<1000p
F,R<1MΩ程度であり、サンプリング周波数fsを
10MHz程度まで想定すると、前記式2から、 a=1/(fs・C・R) =1/{(10×106 )(1000×10-12 )(1×106 )} =10-4 となり、乗算係数aiの下限値は10-4程度であること
が望ましい。これによって、市販されているスイッチン
グ増幅器に適応して、k=0.7以上、S/Nを100
(dB)以上とすることができる。
のように係数設定した回路を用いるスイッチング増幅器
11の一構成例を示すブロック図である。なお、この図
18の構成において、図1の構成に対応する部分には、
同一の参照符号を付してその説明を省略する。アナログ
信号源12からのアナログ音響信号は、ΔΣ変調回路1
の前記加算器K4に入力される。加算器K4において、
遅延器D0からのフィードバック信号と加算された信号
は、前記積分器M1〜M7および乗算器A1〜A6およ
び加算器K0などで構成される積分器・加算器群13に
入力されて、順次積分されるとともに、各積分器の加算
出力が導出される。その加算出力は、量子化器Qで量子
化されて1ビット信号に変換される。こうして得られた
1ビット信号は、前記半導体電力増幅素子から成る定電
圧スイッチ14において電力増幅され、ローパスフィル
タ15を介して、スピーカ16に与えられて音響化され
る。
されるΔΣ変調回路1に、前述のような係数設定を行う
ことによって、アナログ音響信号の入力レベルを高くす
ることができ、定電圧スイッチ14を高効率に作動させ
ることができる。したがって、電源電圧を高くすること
なく出力を増大させることができ、または同じ出力であ
れば電源電圧を低くすることができ、放熱を抑制し、小
型軽量化を図ることができる。
以上のように、高次ΔΣ変調回路において、前記積分器
の入力側に介在される乗算器の係数を1/2以下とす
る。
如何なる条件においても、その積分器の出力の量子化結
果のフィードバック値と入力信号との加算値は1以下と
なり、ΔΣ変調ループに殆ど発振が生じることはなく、
ノイズシェーピングの効果を維持しつつ、発振限界値を
高くすることができる。
は、以上のように、相互に順位の連続する2つの積分器
において、後段側の積分器の乗算係数を前段側の積分器
の乗算係数以下とし、さらに少なくとも1箇所で、前段
側の積分器の乗算係数未満とする。
とができる。
チング増幅器は、以上のように、前記請求項1または2
記載のΔΣ変調回路の量子化結果をスイッチング制御信
号とする。
いので、該ΔΣ変調回路への入力信号レベルを大きく
し、高い効率で電力増幅を行うことができる。
ック図である。
よび乗算器の一構成例を示すブロック図である。
の乗算係数の設定例において、入力信号レベルが充分小
さい状態での量子化ノイズ分布を示すグラフである。
いて、入力信号レベルが発振限界値での量子化ノイズ分
布を示すグラフである。
設定例において、入力信号レベルが発振限界値を超える
レベルでの量子化ノイズ分布を示すグラフである。
の乗算係数の設定例において、入力信号レベルが充分小
さい状態での量子化ノイズ分布を示すグラフである。
いて、入力信号レベルが発振限界値での量子化ノイズ分
布を示すグラフである。
設定例において、入力信号レベルが発振限界値を超える
レベルでの量子化ノイズ分布を示すグラフである。
の乗算係数の設定例において、入力信号レベルが充分小
さい状態での量子化ノイズ分布を示すグラフである。
おいて、入力信号レベルが発振限界値での量子化ノイズ
分布を示すグラフである。
数の設定例において、入力信号レベルが発振限界値を超
えるレベルでの量子化ノイズ分布を示すグラフである。
ベルが充分小さい状態で、乗算器の第4の乗算係数の設
定例における量子化ノイズ分布を示すグラフである。
状態で、乗算器の第5の乗算係数の設定例における量子
化ノイズ分布を示すグラフである。
ベルが充分小さい状態で、乗算器の第6の乗算係数の設
定例における量子化ノイズ分布を示すグラフである。
7の乗算係数の設定例において、入力信号レベルが充分
小さい状態での量子化ノイズ分布を示すグラフである。
において、入力信号レベルが発振限界値での量子化ノイ
ズ分布を示すグラフである。
係数の設定例において、入力信号レベルが発振限界値を
超えるレベルでの量子化ノイズ分布を示すグラフであ
る。
幅器の一構成例を示すブロック図である。
Claims (3)
- 【請求項1】入力信号を相互に縦続接続された複数段の
積分器群に入力し、各積分器の加算出力を量子化するよ
うにしたΔΣ変調回路において、 前記積分器の入力側に介在される乗算器の係数を1/2
以下とすることを特徴とするΔΣ変調回路。 - 【請求項2】2m(mは正の整数)次の積分器の乗算係
数は、2m−1次の積分器の乗算係数以下であり、かつ
少なくとも1箇所で、前記2m次の積分器の乗算係数が
2m−1次の積分器の乗算係数未満であることを特徴と
する請求項1記載のΔΣ変調回路。 - 【請求項3】前記請求項1または2記載のΔΣ変調回路
の量子化結果に応答して、電源からの予め定める定電圧
をスイッチングし、そのスイッチング出力をローパスフ
ィルタによってアナログ変換して出力することを特徴と
するスイッチング増幅器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11020728A JP2000224040A (ja) | 1999-01-28 | 1999-01-28 | Δς変調回路およびそれを用いるスイッチング増幅器 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111901728A (zh) * | 2020-08-05 | 2020-11-06 | 广州市迪士普音响科技有限公司 | 一种选频电路及功放切换系统 |
-
1999
- 1999-01-28 JP JP11020728A patent/JP2000224040A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN111901728A (zh) * | 2020-08-05 | 2020-11-06 | 广州市迪士普音响科技有限公司 | 一种选频电路及功放切换系统 |
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