JP2004228912A - 高効率電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実装面積を小さくできる集積回路化に適し、特性バラツキが少なく、かつ良好な高周波特性を有する高効率電力増幅装置を提供する。
【解決手段】電圧コンパレータ部（１）と、供給電圧をスイッチングして矩形波信号を生成するスイッチング電力増幅部（８，９）と、矩形波信号をローパスフィルタすることによりオーディオ出力電力信号を発生されるローパスフィルタ部（１５）と、一端がローパスフィルタ部出力と、他端がコンパレータ入力に接続された帰還回路網部（１８）で高効率電力増幅装置を構成し、電圧コンパレータ部（１）を集積回路で構成した高効率電力増幅装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率電力増幅装置の高密度化と高性能化と低価格化を同時に実現できる高効率電力増幅装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高効率電力増幅装置は、パルス幅変調を利用して、入力信号の電力を効率よく増幅する（例えば、特許文献１参照）。この特許文献にはＤ級のパルス幅変調の電力増幅器が開示されている。この増幅器は、入力信号を受ける入力部、変調部、スイッチイング部、フィルタ部がある。スイッチング部は、高周波の矩形波信号を生成し、その周波数は、入力信号の最高周波数よりも非常に高い。矩形波のパルス幅比（デューティー比）が変調され、矩形波の平均値は入力信号に比例する。フィルタ部は矩形はをフィルタして、電力増幅された信号を出力する。変調周波数は、発振器により決まる。
この特許文献には、複数の帰還回路を必要とし、カスケード制御回路が設けられている。複数の帰還回路を調整することは、非常に困難である。また、回路部品数も多くなる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第６，２９７，６９２Ｂ１号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような高効率電力増幅装置においては、実装面積を小さくできる集積回路化と、特性バラツキが少なく、かつ良好な高周波特性と、ローコストで実現できる回路構成が要求されている。
本発明は、混成集積回路実装方法を用いて、全体が１個のモノリシックＩＣで構成するのではなく、限定された一部を集積回路で構成することにより、小型化と特性バラツキが少なく、良好な高周波特性と、ローコストを実現できる高効率電力増幅装置を提供することを目的としてなされたものである。
本発明は、更に、複数の集積回路を組み合せて用いることにより、より高性能な高効率電力増幅装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の高効率電力増幅装置は、信号入力端の一端が非反転入力端、他端が反転入力端で構成され、出力端の一端が非反転出力端、他端が反転出力端で構成された電圧コンパレータ部と、上記反転出力端に接続され、第１の供給電圧をスイッチングする第１のスイッチング部と、上記非反転出力端に接続され、第２の供給電圧をスイッチングする第２のスイッチング部が交互に切り換えて矩形波信号を生成するスイッチング電力増幅部と、上記スイッチング電力増幅部出力端が、矩形波信号をローパスフィルタすることによりオーディオ出力電力信号を発生されるローパスフィルタ部と、一端が上記ローパスフィルタ部出力と、他端が上記反転入力端に接続された帰還回路網部で構成され、上記電圧コンパレータ部を高耐圧半導体プロセスを用いて集積回路化したしたものである。
これにより、小型化と特性バラツキが少なくなおかつ良好な高周波特性とローコスト化を同時に得られる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は高効率電力増幅装置の回路構成を示すものである。図１において、２は反転入力端、３は非反転入力端、１７は高効率電力増幅装置出力端、１８は帰還回路網部、２１は非反転入力トランジスタ、２２は反転入力トランジスタ、２３は定電流源、２４、２５はクランプ用のダイオード、２６は非反転出力アクティブ負荷、２７は反転出力アクティブ負荷、２８は非反転出力ドライバートランジスタ、２９は反転出力ドライバートランジスタ、３０はデッドタイムコントロール用の抵抗、３１は反転出力レベルシフトトランジスタ、３２は非反転出力レベルシフトトランジスタ、３８はハイサイド（正側）のパワーＭＯＳＦＥＴ、３９はゲートバイアス用の電源、４０はローサイド（負側）のパワーＭＯＳＦＥＴ、４１はローパスフィルタ用のコイル、４２はローパスフィルタ用のコンデンサである。コイル４１とコンデンサ４２でローパスフィルタを構成する。
【０００７】
４４ａ、４４ｂは、それぞれパワーＭＯＳＦＥＴ３８，４０のゲートターンオン用のトランジスタ、４５ａ、４５ｂは、それぞれゲートターンオン用のトランジスタ４４ａ、４４ｂのベースバイアス抵抗、４６ａ、４６ｂは、それぞれゲートターンオン用のトランジスタ４４ａ、４４ｂのコレクタ飽和防止のためのショットキークランプダイオード、４７ａ、４７ｂはゲート抵抗、４８ａ、４８ｂはゲートチャージ用のダイオード、４９ａ、４９ｂはゲートターンオフ用のトランジスタ、５０ａ、５０ｂはゲートターンオフ用のバイアス抵抗である。回路素子４４ａ、４５ａ、４６ａ、４７ａ、４８ａ、４９ａ、５０ａは、第１のゲートドライブ回路３５ａを構成する。回路素子４４ｂ、４５ｂ、４６ｂ、４７ｂ、４８ｂ、４９ｂ、５０ｂは、第２のゲートドライブ回路３５ｂを構成する。
【０００８】
５１はハイサイドゲートバイアススイッチングダイオード、５２はローサイドゲートバイアスダイオード、５３は反転出力レベルシフトトランジスタ３１および非反転出力レベルシフトトランジスタ３２のベースバイアスツェナーダイオード、５４はハイサイドゲートバイアスクランプダイオード、５５はブートストラップ用のコンデンサ、５６はローサイドゲートバイアス電源用のコンデンサ、５７はハイサイドゲートバイアス抵抗、５８、５９は、電源バイアス抵抗、６０は正のバイアス抵抗、６１はデカップリングコンデンサ、６２は負のバイアス抵抗、６３はデカップリングコンデンサ、６４は反転信号入力端、６５は非反転信号入力端で構成されている。点線で囲まれた回路素子２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３９，５３は、圧電コンパレータ部１を構成する。
【０００９】
次に、図２に示すＳ１からＳ１０の信号波形図を用いて、図１の高効率電力増幅装置の動作について説明する。なお、波形図Ｓ２からＳ８までは、パルス幅変調の矩形波を示し、点線で示された正弦波は、パルス幅が変化している様子を示す。この正弦波により、信号Ｓ２からＳ８の位相が、入力されたオーディオ信号の位相と比べどのように変わっているかを知ることができる。
【００１０】
まず、非反転信号入力端６５に入力されたオーディオ信号Ｓ１は、電源バイアス抵抗５８，５９で決定する基準電圧（約０Ｖ）と比較され、初段の電圧コンパレータ用のトランジスタ２１、２２がスイッチされ、トランジスタ２１のコレクタ電流Ｓ２と、トランジスタ２２のコレクタ電流Ｓ３が交互に流れる。さらに２段目の非反転出力ドライバートランジスタ２８、反転出力ドライバートランジスタ２９とで増幅されたコレクタ電流が流れる。この回路素子２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０で構成された回路は、対称回路であるから、それぞれ逆相に交互に電流増幅されスイッチ動作する。反転出力レベルシフトトランジスタ３１のコレクタ電流Ｓ４と、非反転出力レベルシフトトランジスタ３２のコレクタ電流Ｓ５は、全く対称な信号となる。信号Ｓ４は、ハイサイドパワーＭＯＳＦＥＴ３８のゲートドライブ回路３５ａに入力され、信号Ｓ５は、ローサイドパワーＭＯＳＦＥＴ４０のゲートドライブ回路３５ｂに入力される。ゲートドライブ回路３５ａの出力信号Ｓ６は、ＭＯＳＦＥＴ３８のゲートに入力され、ゲートドライブ回路３５ｂの出力信号Ｓ７は、ＭＯＳＦＥＴ４０のゲートに入力される。ＭＯＳＦＥＴ３８は、正の供給電圧１３からの電圧信号を高周波でスイッチングし、ＭＯＳＦＥＴ４０は、負の供給電圧１４からの電圧信号を高周波でスイッチングする。スイッチングされた正側の信号と負側の信号は、加算されて、加算信号Ｓ８となる。この加算信号Ｓ８はフィルタ１５で高周波が除かれるが、リップルが含まれる電圧出力信号Ｓ９となる。この電圧出力信号Ｓ９が帰還回路網部１８を介してフィードバックされる。帰還回路網部１８内の反転入力部における信号Ｓ１０は、出力波形と相似となり、リップルを含む電圧信号である。電圧出力信号Ｓ９は、出力端１７からスピーカに送られる。
【００１１】
ここで、電圧信号Ｓ８の位相は、入力信号Ｓ１の位相と比較した場合、ＤＣ領域で−１８０°位相推移している。ローパスフィルタ用のコイル４１とローパスフィルタ用のコンデンサ４２で決定されるカットオフ周波数でさらに位相が９０°遅れるので、信号Ｓ８と、信号Ｓ９の位相を比較した場合、信号Ｓ９の方が９０°遅れる。また、カットオフ周波数の１０倍以上の周波数領域では、さらに９０°遅れる。したがって、ローパスフィルタのカットオフ周波数の１０倍以上の周波数領域では、信号Ｓ９は、非反転信号入力の信号Ｓ１０から約３６０°位相が遅れる。したがって、高効率電力増幅装置出力端１７と、反転入力端２との間に挿入された帰還回路網部１８の回路定数を最適な値に設定することにより、安定した自己発振電力増幅装置を構成することができる。出力パワーＭＯＳＦＥＴ３８，４０をそれぞれドライブするドライブ回路３５ａ、３５ｂが、完全に対称になっており、すべてのトランジスタが不飽和動作をすることから、極めて歪みの少ない、かつ、高効率の自己発振型ＰＷＭアンプとして動作する。
【００１２】
図１のすべての部品を個別素子（ディスクリート素子）で構成すれば、高周波特性の良好な回路を比較的容易に得ることができる。しかし、回路基板にかかる部品を実装すれば大きな面積が必要となる。また個別素子をランダムに組み合わせた場合、高効率電力増幅装置の特性のバラツキは大きくなる。たとえば、電圧コンパレータ部１の差動ペアであるトランジスタ２１と２２、２６と２７、２８と２９の間に特性にアンバランスがあれば、高効率電力増幅装置の出力端１７に大きなＤＣオフセットが発生し、ＤＣオフセット調整なしにＤＣゲインを適切な値に保持することが難しい。
そこで本発明では、特性にアンバランスが生じやすい差動ペアであるトランジスタ２１と２２、２６と２７、２８と２９が含まれる電圧コンパレータ部１について集積回路を形成する。
【００１３】
図３は、図１で説明した高効率電力増幅装置の一部を集積回路で構成したブロック図を示す。図３において、１は集積回路で構成される電圧コンパレータ部、２は反転入力端、３は非反転入力端、４は反転出力端、５は非反転出力端、６は電圧コンパレータ部１の正の電源端、７は電圧コンパレータ部１の負の電源端、８は第１のスイッチング部、９は第２のスイッチング部、１０は第１のスイッチング部入力端、１１は第２のスイッチング部入力端、１２はスイッチング電力増幅部出力端、１３は第１の供給電圧、１４は第２の供給電圧、１５はローパスフィルタ部、１６はローパスフィルタ部入力端、１７は高効率電力増幅装置出力端、１８は帰還回路網部、１９は高効率電力増幅部、３５ａはハイサイドのパワーＭＯＳＦＥＴゲートドライブ回路部、３５ｂはローサイドのパワーＭＯＳＦＥＴゲートドライブ回路部、３６はハイサイドパワーＭＯＳＦＥＴのゲートバイアス形成用のスイッチングダイオード、３７はハイサイドパワーＭＯＳＦＥＴのブートストラップコンデンサ、３８はハイサイドパワーＭＯＳＦＥＴ、３９はゲートバイアス用の電源、４０はローサイドパワーＭＯＳＦＥＴ、４１はローパスフィルタ用のコイル、４２はローパスフィルタ用のコンデンサ、４３は負荷であるスピーカである。なお、図３のスイッチングダイオード３６、コンデンサ３７は、それぞれ図１のダイオード５１，５２に対応する。
【００１４】
図３に示すように、電圧コンパレータ部１を集積回路で構成する。電圧コンパレータ部１の集積回路に含まれるべき部分は、図１の点線１で囲まれた部分に含まれる回路素子２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３９、５３である。この電圧コンパレータ部の集積回路に含まれるべき回路素子として、更に、ダイオード５１，５２，５３を含めることもできる。この回路素子の内、トランジスタ２１，２２について、バーチカルＰＮＰトランジスタ、あるいはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成する。かかるバーチカルＰＮＰトランジスタ、あるいはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴは、高耐圧プロセスを使用する。
【００１５】
また、ゲートドライブ回路部３５ａ、３５ｂをそれぞれを独立した、又は両者一体の集積回路で構成しても良い。図４はパワーＭＯＳＦＥＴゲートドライブ回路部３５ｂで、集積回路に含まれる部分を示す。図４において、１１は第２のスイッチング部入力端、１２はスイッチング電力増幅部出力端、３９はゲートバイアス用の電源、４０はローサイドパワーＭＯＳＦＥＴ、４４はパワーＭＯＳＦＥＴのゲートターンオン用のトランジスタ、４５はゲートターンオン用のトランジスタ４４のベースバイアス抵抗、４６はゲートターンオン用のトランジスタ４４のコレクタ飽和防止のためのショットキークランプダイオード、４７はゲート抵抗、４８はゲートチャージ用のダイオード、４９はゲートターンオフ用のトランジスタ、５０はゲートターンオフ用のバイアス抵抗で構成している。
以上のように構成された高効率電力増幅装置についての動作は、図１について説明した動作と同じである。
【００１６】
ＤＣ特性を左右する電圧コンパレータ部は集積化された電圧コンパレータ部で構成されているため、温度的に安定した良好なＤＣオフセット温度特性が得られ、しかも初段にバーチカルＰＮＰトランジスタ、あるいはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを利用できる高耐圧プロセスを使用すれば、良好な高周波特性がもたらす高効率なＰＷＭ変調特性が比較的容易に獲得でき、その結果、大出力で低歪のオーディオ高効率電力増幅装置が実現できる。
以上のように本実施形態によれば、電圧コンパレータ特性に必要な良好なＤＣ特性と良好な高周波特性を容易に獲得でき、歪率が低い高効率電力増幅装置が実現できることとなる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、温度変化に対し安定した良好なＤＣオフセット特性が得られる。初段のトランジスタ２１，２２にバーチカルＰＮＰトランジスタ、あるいはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを使用すれば、良好な高周波特性を有するＰＷＭ変調が容易に得ることができる。その結果、大出力で低歪のオーディオ高効率電力増幅装置が実現できる。しかも、電圧コンパレータ部を集積回路で構成すれば、部品点数の少ない極めて簡単、非常に小さなチップサイズを実現でき、その結果、非常に安価な高効率電力増幅装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高効率電力増幅装置のブロック図
【図２】高効率電力増幅装置の主要店における信号波形図
【図３】高効率電力増幅装置の一部を集積回路で構成した状態を示すブロック図
【図４】パワーＭＯＳＦＥＴゲートドライブ回路のブロック図
【符号の説明】
１・・・集積回路化された電圧コンパレータ部
２・・・反転入力端
３・・・非反転入力端
４・・・反転出力端
５・・・非反転出力端
６・・・電圧コンパレータ部の正の電源端
７・・・電圧コンパレータ部の負の電源端
８・・・第１のスイッチング部
９・・・第２のスイッチング部
１０・・・第１のスイッチング部入力端
１１・・・第２のスイッチング部入力端
１２・・・スイッチング電力増幅部出力端
１３・・・第１の供給電圧
１４・・・第２の供給電圧
１５・・・ローパスフィルタ部
１６・・・ローパスフィルタ部入力端
１７・・・高効率電力増幅装置出力端
１８・・・帰還回路網部
１９・・・高効率電力増幅部
２１・・・非反転入力トランジスタ
２２・・・反転入力トランジスタ
２３・・・定電流源
２４・・・クランプ用のダイオード
２５・・・クランプ用のダイオード
２６・・・非反転出力アクティブ負荷
２７・・・反転出力アクティブ負荷
２８・・・非反転出力ドライバートランジスタ
２９・・・反転出力ドライバートランジスタ
３０・・・デッドタイムコントロール用の抵抗
３１・・・反転出力レベルシフトトランジスタ
３２・・・非反転出力レベルシフトトランジスタ
３８・・・ハイサイドパワーＭＯＳＦＥＴ
３９・・・ゲートバイアス用の電源
４０・・・ローサイドパワーＭＯＳＦＥＴ
４１・・・ローパスフィルタ用のコイル
４２・・・ローパスフィルタ用のコンデンサ
４４・・・パワーＭＯＳＦＥＴのゲートターンオン用のトランジスタ
４５・・・ベースバイアス抵抗
４６・・・コレクタ飽和防止ショットキークランプダイオード
４７・・・ゲート抵抗
４８・・・ゲートチャージ用のダイオード
４９・・・ゲートターンオフ用のトランジスタ
５０・・・ゲートターンオフ用のバイアス抵抗
５１・・・ハイサイドゲートバイアススイッチングダイオード
５２・・・ローサイドゲートバイアスダイオード
５３・・・ベースバイアスツェナーダイオード
５４・・・ハイサイドゲートバイアスクランプダイオード
５５・・・ブートストラップ用のコンデンサ
５６・・・ローサイドゲートバイアス電源用のコンデンサ
５７・・・ハイサイドゲートバイアス抵抗
５８・・・電源バイアス抵抗
５９・・・電源バイアス抵抗
６０・・・正のバイアス抵抗
６１・・・デカップリングコンデンサ
６２・・・負のバイアス抵抗
６３・・・デカップリングコンデンサ
６４・・・反転信号入力端
６５・・・非反転信号入力端

Claims (5)

1. 信号入力端に加えられる入力信号の電力を増幅する高効率電力増幅装置であって、
   信号入力端の一端が非反転入力端、他端が反転入力端で構成され、出力端の一端が非反転出力端、他端が反転出力端で構成された電圧コンパレータ部（１）と、
   上記反転出力端に接続され、第１の供給電圧をスイッチングする第１のスイッチング部と、上記非反転出力端に接続され、第２の供給電圧をスイッチングする第２のスイッチング部が交互に切り換えて矩形波信号を生成するスイッチング電力増幅部（８，９）と、
   上記スイッチング電力増幅部出力端が、矩形波信号をローパスフィルタすることによりオーディオ出力電力信号を発生されるローパスフィルタ部（１５）と、一端が上記ローパスフィルタ部出力と、他端が上記反転入力端に接続された帰還回路網部（１８）で構成され、
   上記電圧コンパレータ部（１）を集積回路で構成したことを特徴とする高効率電力増幅装置。
2. 上記電圧コンパレータ部の初段が、バーチカルＰＮＰトランジスタで構成されたことを特徴とする請求項１記載の高効率電力増幅装置。
3. 上記電圧コンパレータ部の初段が、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタで構成されたことを特徴とする請求項１記載の高効率電力増幅装置。
4. 上記第１の供給電圧をスイッチングする第１のスイッチング部と、上記第２の供給電圧をスイッチングする第２のスイッチング部が、それぞれ独立した集積回路で構成したことを特徴とする請求項１記載の高効率電力増幅装置。
5. 信号入力端に加えられる入力信号の電力を増幅する高効率電力増幅装置であって、
   信号入力端の一端が非反転入力端、他端が反転入力端で構成され、出力端の一端が非反転出力端、他端が反転出力端で構成された電圧コンパレータ部（１）と、
   上記非反転出力端に接続され、正の供給電圧をスイッチングして第１矩形波信号を生成する第１のドライブ回路部（３５ａ）と、
   上記反転出力端に接続され、第２の供給電圧をスイッチングして、第１矩形波信号とは逆相の第２矩形波信号を生成する第２のドライブ回路部（３５ｂ）と、第１のドライブ回路部で電力増幅されるハイサイドパワー増幅素子（３８）と、
   第２のドライブ回路部で電力増幅されるローサイドパワー増幅素子（４０）と、
   ハイサイドパワー増幅素子（３８）と、ローサイドパワー増幅素子（４０）の出力をローパスフィルタし、電力増幅されたオーディオ信号を生成するローパスフィルタ部（１５）と、
   一端が上記ローパスフィルタ部の出力と、他端が上記反転入力端に接続された帰還回路網部（１８）で構成され、
   上記電圧コンパレータ部（１）を高耐圧半導体プロセスを用いて集積回路化したことを特徴とする高効率電力増幅装置。

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