JP2004312594A - Ｄ級増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｄ級音声増幅回路において、電源電圧が変動したときに、出力音声信号が変化しないようにする。
【解決手段】スイッチング増幅器６に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤの変動に比例してＰＷＭ用キャリア信号の三角波Ｓ２の振幅が変化するように三角波発生回路３０の電源電圧を電源電圧Ｖ_ＤＤの分圧電圧とする。たとえば、スイッチング増幅器６の電源電圧Ｖ_ＤＤが増加してＰＷＭ増幅信号Ｓ４の振幅が増加してもＰＷＭ増幅信号Ｓ４のパルス幅が狭くなることで相殺され、出力音声信号Ｓ５のレベル（振幅）が変化しない。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トランジスタをスイッチとして使用し大振幅信号を出力するスイッチング増幅器を利用したＤ級増幅回路に関し、たとえば音声信号の増幅に適用して好適なＤ級増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、音声信号を電力増幅する増幅回路としてスイッチング増幅器を利用したＤ級増幅回路が利用されている（特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、そのＤ級音声増幅回路２の構成例を示している。このＤ級音声増幅回路２は、入力音声信号Ｓ１をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号Ｓ３に変換するＰＷＭ回路４と、大信号出力用の電源電圧Ｖ_ＤＤ（たとえば１２［Ｖ］−４８［Ｖ］）が供給されＰＷＭ信号Ｓ３をスイッチング増幅してＰＷＭ増幅信号Ｓ４を出力するスイッチング増幅器６と、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４を平滑化して出力音声信号Ｓ５とするローパスフィルタ８とから構成されている。
【０００４】
ＰＷＭ回路４には、安定化された電源電圧Ｖ_ＣＣが供給される。このＰＷＭ回路４は、ＰＷＭ用キャリア信号である基準三角波Ｓ２を発生する基準三角波発生回路１０と、基準三角波Ｓ２と入力音声信号Ｓ１を比較してＰＷＭ信号Ｓ３を発生する比較回路１２とから構成されている。
【０００５】
このようなＤ級音声増幅回路２において、小信号用の電源電圧Ｖ_ＣＣ（たとえば５［Ｖ］−１２［Ｖ］）による消費電力は、Ｄ級音声増幅回路２全体の消費電力に対してきわめて小さい電力であり電力効率を考慮する必要がほとんどないことから、入力音声信号Ｓ１の振幅に対応した正確なＰＷＭ信号Ｓ３を発生させるため、電源電圧Ｖ_ＣＣは、定電圧レギュレータにより安定化が図られている。
【０００６】
その一方、大信号出力用の電源電圧Ｖ_ＤＤは、大電力供給可能な大型電源が必要であり、さらにＤ級音声増幅回路２全体の消費電力のほとんどを占有するため効率面を十分に考慮する必要がある。
【０００７】
これらの観点からＤＣ電源が供給されるＤ級音声増幅回路２において、電源電圧Ｖ_ＤＤは、高効率化、低コスト化および装置の小型化を考慮し、定電圧レギュレータ等の電圧安定化回路を介さずに、たとえば電源トランスの２次側電圧を整流しただけの電源や電池等の非安定化電源に直接接続される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１５８５４４号公報（図２、段落［０００２］−［０００４］）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に係るＤ級音声増幅回路２においては、図７中、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４の波形に示すように、電源電圧Ｖ_ＤＤが矢印で示すように変動すると、スイッチング増幅器６のオン時の電圧がその分点線で示すように変動し、結果として出力音声信号Ｓ５のレベル（振幅）が点線で示す波形のように変化する、すなわち出力音声信号Ｓ５の品質が低下するという問題がある。
【００１０】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、スイッチング増幅器に供給される電源電圧が変動しても出力信号のレベル（振幅）が変化しないようにすることを可能とするＤ級増幅回路を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明のＤ級増幅回路は、三角波と入力信号とを比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ回路と、前記ＰＷＭ信号をスイッチング増幅しＰＷＭ増幅信号を出力するスイッチング増幅器と、前記ＰＷＭ増幅信号を平滑化して出力信号とするフィルタ回路と、前記三角波を発生する際に、前記スイッチング増幅器に供給される電源電圧の変動に応じて振幅が変化する三角波を発生する三角波発生回路とを備えることを特徴とする（請求項１記載の発明）。
【００１２】
この発明によれば、スイッチング増幅器に供給される電源電圧の変動に応じて振幅が変化するＰＷＭ増幅信号に対し、その電源電圧の変動に応じて三角波の振幅を変化させる三角波発生回路を備えているので、電源電圧の変動により変化するＰＷＭ増幅信号の変化が三角波の振幅の変化により相殺される。結果として、スイッチング増幅器に供給される電源電圧が変動しても出力信号のレベル（振幅）が変化しない。
【００１３】
たとえば、スイッチング増幅器に供給される電源電圧が、減少する方向に変化するとすると、その電源電圧の減少に比例してＰＷＭ増幅信号の振幅が減少しようとするが、同時に、三角波の振幅が減少する方向に変化するので、ＰＷＭ信号のオンデューティが大きくなり（パルス幅が広くなり）、ＰＷＭ増幅信号のパルス幅が広くなるので、フィルタ回路で平滑化される出力信号のレベル（振幅）が一定となるように作用する。
【００１４】
すなわち、スイッチング増幅器の電源電圧の変動を原因とするＰＷＭ増幅信号の振幅の変化を、電源電圧の変動に応じて振幅が変化するようにした三角波を用いて入力信号と比較するＰＷＭ回路によるディーティ比の変化により相殺するようにしているので、スイッチング増幅器に供給される電源電圧が変動しても、フィルタ回路から出力される出力信号のレベル（振幅）が変化しない。
【００１５】
たとえば、三角波発生回路の電源電圧を、スイッチング増幅器に供給される電源電圧を分圧した電圧とすることで、電源電圧の変動に応じて三角波の振幅を変化させることができる（請求項２記載の発明）。
【００１６】
また、三角波発生回路を、振幅の一定な基準三角波を発生する基準三角波発生器と、一方の入力端子に前記基準三角波が供給され、他方の入力端子に前記スイッチング増幅器に供給される電源電圧を分圧した電圧が供給されて、前記基準三角波を前記分圧電圧に応じて増幅し前記三角波を出力する電圧制御増幅器とにより構成することにより、同様に、電源電圧の変動に応じて三角波の振幅を変化させることができる（請求項３記載の発明）。
【００１７】
また、この発明は、入力信号と出力信号がそれぞれ音声信号であるＤ級音声増幅回路に適用して好適である（請求項４記載の発明）。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
なお、以下に参照する図面において、上記図７に示したものと対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明は省略する。
【００２０】
図１は、この発明の一実施の形態に係るＤ級音声増幅回路２２の構成を示している。
【００２１】
このＤ級音声増幅回路２２は、入力音声信号Ｓ１とＰＷＭ用キャリア信号である三角波Ｓ２とを比較してＰＷＭ信号Ｓ３を出力するＰＷＭ回路２４と、ＰＷＭ信号Ｓ３をスイッチング増幅しＰＷＭ増幅信号Ｓ４を出力するスイッチング増幅器６と、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４を平滑化して出力音声信号Ｓ５とするフィルタ回路であるローパスフィルタ８と、三角波Ｓ２を発生する際にスイッチング増幅器６に供給される非安定の電源電圧Ｖ_ＤＤの変動に比例して振幅が変化する三角波Ｓ２を発生する三角波発生回路３０とを備える。非安定の電源電圧Ｖ_ＤＤは、たとえば電源トランス（不図示）の２次側電圧をダイオード（不図示）とコンデンサ（不図示）で整流した整流電圧や電池の両極間電圧がそのまま使用される。
【００２２】
この実施の形態において、三角波発生回路３０の電源電圧は、スイッチング増幅器６に供給される非安定の電源電圧Ｖ_ＤＤを抵抗器２６と抵抗器２８とからなる抵抗分圧回路２９で分割した分圧電圧ＶＲ１とされている。この三角波発生回路３０は、分圧電圧ＶＲ１を積分電圧とする積分器を含んで構成され、分圧電圧ＶＲ１のレベル（電圧値）に比例した振幅の三角波Ｓ２を発生する。
【００２３】
比較回路１２には、たとえば上記の電源トランス（不図示）の２次側電圧や電池の両極間電圧を安定化電源回路（不図示）で安定化した安定な電源電圧Ｖ_ＣＣが供給されている。
【００２４】
比較回路１２に供給される電源電圧Ｖ_ＣＣの具体的な電圧値は、たとえば５−１２［Ｖ］中の所望の低電圧値に設定され、スイッチング増幅器６に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤの具体的な電圧値は、たとえば１２−４８［Ｖ］中の所望の高電圧値に設定される。
【００２５】
スイッチング増幅器６は、たとえば電源電圧Ｖ_ＤＤとグランド間に２個のトランジスタ（不図示）を直列に接続した構成とされ、ＰＷＭ信号Ｓ３により２個のトランジスタが交互にオンオフされて矩形波であるＰＷＭ増幅信号Ｓ４を発生する。
【００２６】
ローパスフィルタ８は、たとえば受動素子であるＬＣフィルタにより構成されている。このローパスフィルタ８は、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４のレベル（振幅）とデューティ比に応じたレベル（振幅）の出力音声信号Ｓ５を出力する。すなわち、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４のデューティ比５０％を０レベルの基準とし、５０％を超えると正側にレベル（振幅）が増加し、５０％未満になると負側にレベル（振幅）が増加する出力音声信号Ｓ５を出力する。なお、０レベルの基準電圧は、図１の出力音声信号Ｓ５の波形に示すように、電源電圧Ｖ_ＤＤの半分の電圧（Ｖ_ＤＤ／２）になる。
【００２７】
次に、上述の実施の形態の動作について詳しく説明する。
【００２８】
まず、動作の理解を容易にするために、スイッチング増幅器６に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤが変動しない場合の動作について説明する。
【００２９】
図２は、スイッチング増幅器６に供給されている電源電圧Ｖ_ＤＤが変動していない場合の動作説明に供される波形図である。
【００３０】
入力音声信号Ｓ１の帯域がたとえばＤＣ−１０［ｋＨｚ］程度であるとするとき、ＰＷＭ用キャリア信号である三角波Ｓ２の周波数は、この周波数の１０倍程度以上の値、たとえば１００−２００［ｋＨｚ］値に設定される。このように設定すると、入力音声信号Ｓ１は、三角波Ｓ２に対して略直流信号とみなせる。
【００３１】
図２の（ａ）に示すように、比較回路１２の負入力端子に供給される上下の波形が対称な三角波Ｓ２の中心電圧Ｖ_０を中心に入力音声信号Ｓ１が、比較回路１２の正入力端子に供給される。
【００３２】
入力音声信号Ｓ１のレベル（電圧）がＶ０（０レベルと考える。）で一定である場合、比較回路１２から、図２の（ｃ）に示すデューティ比５０％のＰＷＭ信号Ｓ３が繰り返し出力され、スイッチング増幅器６およびローパスフィルタ８通過後の出力音声信号Ｓ５は、音声出力レベル（振幅）がゼロ値の出力基準電圧（Ｖ_ＤＤ／２）である一定電圧となる。
【００３３】
入力音声信号Ｓ１のレベルがＶ０より正側あるいは負側に振られると、図２の（ｂ）あるいは図２の（ｄ）に示すように、ＰＷＭ信号Ｓ３のデューティ比が５０％から増減し、スイッチング増幅器６でのＰＷＭ増幅信号Ｓ４の電圧が出力基準電圧（Ｖ_ＤＤ／２）を中心に増減する。ローパスフィルタ８の出力音声信号Ｓ５は、デューティ比５０％からの増減に応じて出力基準電圧（Ｖ_ＤＤ／２）を０レベルと考えたときの正または負レベルの出力として得られる。
【００３４】
次に、スイッチング増幅器６に供給されている電源電圧Ｖ_ＤＤが変動し、この電源電圧Ｖ_ＤＤの変動に比例して抵抗分圧回路２９から三角波発生回路３０に供給されている分圧電圧ＶＲ１が変化し、三角波発生回路３０から発生される三角波Ｓ２のレベルが、図３の（ａ）と（ｂ）に示すように、レベルＶ_ＣＡＲ１からより高いレベルのＶ_ＣＡＲ２に変化した場合について説明する。
【００３５】
図３の（ａ）と（ｂ）より、三角波Ｓ２のレベルＶ_ＣＡＲの変化とＰＷＭ信号Ｓ３のデューティ比５０％を超える区間Ｔ（デューティ比５０％を基準としたＰＷＭ信号Ｓ３のパルス変化幅Ｔ１、Ｔ２）が反比例の関係にあることが明らかである。
【００３６】
すなわち、スイッチング増幅器６の電源電圧Ｖ_ＤＤが、たとえば電圧Ｖ_ＤＤ１からこの電圧Ｖ_ＤＤ１より高電圧の電圧Ｖ_ＤＤ２に変化したとき、三角波発生回路３０は、Ｖ_ＤＤ１：Ｖ_ＤＤ２＝Ｖ_ＣＡＲ１：Ｖ_ＣＡＲ２となる振幅レベルの三角波Ｓ２（電圧Ｖ_ＤＤ１に対応してレベルＶ_ＣＡＲ１、電圧Ｖ_ＤＤ２に対応してレベルＶ_ＣＡＲ２）を発生させるので、区間Ｔ１が区間Ｔ２に減少することになり、ＰＷＭ信号Ｓ３のデューティ比が大から小に変化する。
【００３７】
したがって、スイッチング増幅器６のＰＷＭ増幅信号Ｓ４は、図３の（ｃ）に示すように、電源電圧Ｖ_ＤＤが電圧Ｖ_ＤＤ１から電圧Ｖ_ＤＤ２に増加したとき、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４の振幅が電圧Ｖ_ＤＤ１から電圧Ｖ_ＤＤ２に増加するが、これに反比例してＰＷＭ増幅信号Ｓ４のパルス幅がパルス幅Ｗ２からＷ１に減少する。
【００３８】
ここで、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４を積分して出力するローパスフィルタ８の出力音声信号Ｓ５は、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４のデューティ比５０％を基準としたパルス変化幅Ｔとスイッチング増幅器６の電源電圧Ｖ_ＤＤに比例する。したがって、電源電圧Ｖ_ＤＤがＶ_ＤＤ１からＶ_ＤＤ２に増加してもパルス幅がパルス幅Ｗ２からＷ１に減少するので、出力音声信号Ｓ５のレベルは変化しなくなる。なお、図３の（ｃ）において、面積Ｐ１と面積Ｐ２とは、同面積である。すなわち、出力音声信号Ｓ５のレベルは同じである。
【００３９】
この図３では入力音声信号Ｓ１が正の場合を示したが、図４では入力音声信号Ｓ１が負の場合の動作波形を示している。
【００４０】
図４の（ａ）、（ｃ）に示すように、電源電圧Ｖ_ＤＤの電圧Ｖ_ＤＤ１から電圧Ｖ_ＤＤ２への変化に比例して三角波Ｓ２のレベルが、レベルＶ_ＣＡＲ１からより高いレベルのＶ_ＣＡＲ２に変化した場合について説明する。
【００４１】
三角波Ｓ２のレベルがレベルＶ_ＣＡＲ１からより高いレベルのＶ_ＣＡＲ２に変化した場合には、図４の（ａ）と（ｂ）より、ＰＷＭ信号Ｓ３のデューティ比５０％を基準として５０％未満となる区間Ｔ１が区間Ｔ２に減少することになり、ＰＷＭ信号Ｓ３のデューティ比が小から大に変化する。
【００４２】
この場合、スイッチング増幅器６のＰＷＭ増幅信号Ｓ４は、図３の（ｃ）に示すように、電源電圧Ｖ_ＤＤが電圧Ｖ_ＤＤ１から電圧Ｖ_ＤＤ２に増加したとき、その振幅が電圧Ｖ_ＤＤ１から電圧Ｖ_ＤＤ２に増加し、そのパルス幅がパルス幅Ｗ３からＷ４に増加する。
【００４３】
このとき、ＰＷＭ増幅信号Ｓ４を積分して出力するローパスフィルタ８の出力音声信号Ｓ５は、デューティ比５０％に対応する基準レベル（ゼロレベル）に近づくので、その出力音声信号Ｓ５のレベル（振幅）が減少する。結局、出力音声信号Ｓ５のレベルは変化しなくなる。なお、図４の（ｃ）において、面積Ｐ３と面積Ｐ４とは、同面積である。すなわち、出力音声信号Ｓ５のレベルは同じである。
【００４４】
以上説明した動作を図５に描いた補正動作表にまとめている。この補正動作表では、入力音声信号Ｓ１の正負に対し電源電圧Ｖ_ＤＤの定格値からの増減に対応して、ＰＷＭ信号Ｓ３のデューティ比の変化、およびこの変化に基づく出力音声信号Ｓ５の出力レベルの変化について場合を分けて記載している。
【００４５】
このように上述した実施の形態によれば、スイッチング増幅器６に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤの変動に応じて振幅が変化するＰＷＭ増幅信号Ｓ４に対し、その電源電圧Ｖ_ＤＤの変動に比例して三角波Ｓ２の振幅が変化するように、三角波発生回路３０に供給される電圧ＶＲ１を、電源電圧Ｖ_ＤＤを抵抗分圧回路２９により分圧した電圧としている。このため、電源電圧Ｖ_ＤＤの変動により変化するＰＷＭ増幅信号Ｓ４の変化が三角波Ｓ２の振幅の変化に基づくＰＷＭ信号Ｓ３のデューティ比の変化により相殺される。結果として、スイッチング増幅器６に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤが変動しても出力音声信号Ｓ５のレベル（振幅）が変化しないという効果が達成される。
【００４６】
図６は、この発明の他の実施の形態のＤ級音声増幅回路４２の構成を示している。図６において、図７、図１に示したものと対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明は省略する。
【００４７】
このＤ級音声増幅回路４２では、三角波Ｓ２の発生回路である三角波発生回路３２を、安定化されて電源電圧Ｖ_ＣＣが供給される振幅の一定な基準三角波を発生する基準三角波発生回路１０と、一方の入力端子に基準三角波が供給され、他方の入力端子にスイッチング増幅器６に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤを抵抗分圧回路２９により分圧した分圧電圧ＶＲ１が供給される電圧制御増幅器回路（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ 回路）３４とにより構成している。
【００４８】
この三角波発生回路３２は、基準三角波を電源電圧Ｖ_ＤＤの変動に比例して変化する分圧電圧ＶＲ１に応じて増幅した三角波Ｓ２を出力し比較回路１２に供給するようにしているので、ＰＷＭ回路４４が図１例のＰＷＭ回路２４と同等となり、図６例のＤ級音声増幅回路４２は、図１例のＤ級音声増幅回路２２と同等の動作を行う。
【００４９】
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、スイッチング増幅器の電源電圧の変動を原因とするＰＷＭ増幅信号の振幅の変化を、ＰＷＭ回路によるディーティ比の変化により相殺するようにしているので、スイッチング増幅器に供給される電源電圧が変動しても、フィルタ回路から出力される出力信号のレベル（振幅）が変化しない。
【００５１】
すなわち、スイッチング増幅器の電源電圧が変化しても安定したレベル（振幅）の出力信号を出力することができる。
【００５２】
また、スイッチング増幅器の電源電圧を安定化させる安定化回路を使用せずに、出力信号のレベル（振幅）を安定化させることができるので、高効率化、低コスト化および装置の小型化が図れるという派生的な効果も達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態が適用されたＤ級音声増幅回路のブロック図である。
【図２】入力音声信号のレベルの違いにより発生されるＰＷＭ信号を説明する波形図である。
【図３】図１例の動作説明（入力音声信号が正の場合）に供される波形図である。
【図４】図１例の動作説明（入力音声信号が負の場合）に供される波形図である。
【図５】図１例の動作説明をまとめた表を示す線図である。
【図６】この発明の他の実施の形態が適用されたＤ級音声増幅回路のブロック図である。
【図７】従来技術のＤ級音声増幅回路のブロック図である。
【符号の説明】
２、２２、４２…Ｄ級音声増幅回路 ４、２４、４４…ＰＷＭ回路
６…スイッチング増幅器 ８…ローパスフィルタ
１０、３０、３２…三角波発生回路 １２…比較回路
２６、２８…抵抗器 ２９…抵抗分圧回路
３４…電圧制御増幅器回路

Claims (4)

1. 三角波と入力信号とを比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ回路と、
   前記ＰＷＭ信号をスイッチング増幅しＰＷＭ増幅信号を出力するスイッチング増幅器と、
   前記ＰＷＭ増幅信号を平滑化して出力信号とするフィルタ回路と、
   前記三角波を発生する際に、前記スイッチング増幅器に供給される電源電圧の変動に応じて振幅が変化する三角波を発生する三角波発生回路と
   を備えることを特徴とするＤ級増幅回路。
2. 請求項１記載のＤ級増幅回路において、
   前記三角波発生回路の電源電圧が、前記スイッチング増幅器に供給される電源電圧を分圧した電圧とされている
   ことを特徴とするＤ級増幅回路。
3. 請求項１記載のＤ級増幅回路において、
   前記三角波発生回路は、
   振幅の一定な基準三角波を発生する基準三角波発生器と、
   一方の入力端子に前記基準三角波が供給され、他方の入力端子に前記スイッチング増幅器に供給される電源電圧を分圧した電圧が供給されて、前記基準三角波を前記分圧電圧に応じて増幅し前記三角波を出力する電圧制御増幅器と
   を有することを特徴とするＤ級増幅回路。
4. 請求項１−３のいずれか１項に記載のＤ級増幅回路において、
   前記入力信号と前記出力信号がそれぞれ音声信号である
   ことを特徴とするＤ級増幅回路。

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