JP2005072766A - 信号増幅出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波ノイズが少ない低周波成分のみの信号を負荷に供給することが可能である良好なＬＰＦ特性を有するＬＰＦを備えたスイッチングアンプを提供する。
【解決手段】 ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０と、ＰＷＭ信号の同相信号ａと逆相信号ｂを発生する第１の変換器２０と、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０と、ＰＷＭ信号の同相信号ａ１と逆相信号ｂ１を発生する第１の変換器４０と、ＬＰＦ６０と、を備える。ＬＰＦ６０の電磁結合トランス６１のコイルＬ１とコンデンサＣ１とからなる第１のＬＰＦと、コイルＬ２とコンデンサＣ２とからなる第２のＬＰＦとで、ＬＰＦを構成し、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０，３０の出力信号から高域成分を除去し、低周波成分のみを負荷Ｒｌに供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチングによるドライブ信号から高域成分の信号を除去するローパスフィルタを備える信号増幅出力装置に関する。

図２は、従来のスイッチングアンプとローパスフィルタの回路図を示す。

入力端子ＩＮ１からのＰＷＭ信号やＰＤＭ信号等の入力信号を変換し、第１のハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の第１のスイッチング素子Ｍ２１のゲートと第２のスイッチング素子Ｍ２３のゲートに供給する第１の二値制御信号ａ及び第１の二値制御信号と逆相の第２の二値制御信号ｂを発生する第１の変換器２０と、入力端子ＩＮ２からのＰＷＭ信号を変換し、第２のハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の第１のスイッチング素子Ｍ２２のゲートと第２のスイッチング素子Ｍ２４のゲートに供給する第１の二値制御信号ａ１及び第１の二値制御信号と逆相の第２の二値制御信号ｂ１を発生する第２の変換器４０と、第１のスイッチング素子Ｍ２１及び第２のスイッチング素子Ｍ２３からなる第１のハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０と、第１のスイッチング素子Ｍ２２及び第２のスイッチング素子Ｍ２４からなる第２のハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０と、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという）５０とを備えている。また、ＬＰＦ５０は、コイルＬ２１とコンデンサＣ２１とからなる第１のＬＰＦと、コイルＬ２２とコンデンサＣ２２とでなる第２のＬＰＦとで構成される。さらに、第１のＬＰＦと第２のＬＰＦの中間に負荷抵抗ＲＬが存在する。

コイルＬ２１は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の第１及び第２のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第１のＬＰＦ用のコイルである。

コイルＬ２２は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の第１及び第２のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第２のＬＰＦ用のコイルである。

コンデンサＣ２１は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の第１及び第２のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第１のＬＰＦ用のコンデンサである。

コンデンサＣ２２は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の第１及び第２のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第２のＬＰＦ用のコンデンサである。

次に、従来のスイッチングアンプ１及びローパスフィルタ５０の各要素の接続関係を以下に示す。

ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の第１のスイッチング素子のソースと第２のスイッチング素子のドレインとの出力接続点Ｓ１とコイルＬ２１の一方の端子と接続され、コイルＬ２１の他方の端子は、コンデンサ２１の一方の端子と接続されている。この接続によって、第１のローパスフィルタを形成する。この第１のＬＰＦの出力は、負荷ＲＬと接続されている。また、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の第１のスイッチング素子のソースと第２のスイッチング素子のドレインとの出力接続点Ｓ２とコイルＬ２２の一方の端子と接続され、コイルＬ２２の他方の端子は、コンデンサＣ２２の一方の端子と接続されている。この接続によって、第２のローパスフィルタを形成する。この第２のＬＰＦの出力は、負荷ＲＬと接続されている。

さらに、コンデンサＣ２１及びＣ２２の他方の端子は、それぞれグランドに接続されている。

従来のスイッチングアンプ及びＬＰＦの動作を入力信号がＰＷＭ信号であるときを例にとって図２を参照して説明する。

入力端子ＩＮ１からのＰＷＭ信号は、第１の変換器２０により第１のスイッチング素子Ｍ２１及び第２のスイッチング素子Ｍ２３を駆動するための２種の極性とレベルが異なるＰＷＭ信号ａ，ｂに変換される。この変換されたＰＷＭ信号ａ，ｂによって、第１のスイッチング素子Ｍ２１と第２のスイッチング素子Ｍ２３は、交互に「ＯＮ／ＯＦＦ」される。第１のスイッチング素子Ｍ２１が「ＯＮ」となったとき、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の出力接続点Ｓ１からの出力電流Ｉ１がコイルＬ２１とコンデンサＣ２１で形成される第１のＬＰＦへ入力され、高域成分が除去されて、低域成分のみ負荷ＲＬへ供給される。なお、入力端子ＩＮ１とＩＮ２に入力するＰＷＭ信号の位相は、互いに逆相の関係にある。

一方、入力端子ＩＮ２からのＰＷＭ信号は、第１の変換器３０により第１のスイッチング素子Ｍ２２と第２のスイッチング素子Ｍ２４を駆動するための２種の極性とレベルが異なるＰＷＭ信号ａ１，ｂ１に変換される。ＰＷＭ信号に変換される。この変換されたＰＷＭ信号ａ１，ｂ１によって、第１のスイッチング素子Ｍ２２と第２のスイッチング素子Ｍ２４は、交互に「ＯＮ／ＯＦＦ」される。第１のスイッチング素子Ｍ２１が「ＯＮ」となったとき、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の出力接続点Ｓ２からその出力電流Ｉ２が第２のＬＰＦへ入力され、高域成分が除去されて、低域成分のみ負荷５１（ＲＬ）へ供給される。

上述のような、二値信号をスイッチングした後ＬＰＦへ入力し、高域成分を除去して出力する構成は例えば特許文献１に記されている。

しかるに、入力端子ＩＮ１、ＩＮ２に入力するＰＷＭ信号は、逆相の関係にあるため、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の第１のスイッチング素子Ｍ２１と第２のスイッチング素子Ｍ２３による出力電流Ｉ１と、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の第１のスイッチング素子Ｍ２２と第２のスイッチング素子Ｍ２４による出力電流Ｉ２は、互いに逆相出力電流となり、負荷５１（ＲＬ）に対して平衡出力電流となる。即ち、出力電流Ｉ１がアクティブの時、Ｉ２＝−Ｉ１となり、出力電流Ｉ２がアクティブの時、Ｉ１＝−Ｉ２となる。

以上のように、スイッチングアンプによって増幅しＬＰＦ５０により、高域成分を除去した信号を発生し、高周波ノイズが少ない低周波成分のみの信号を負荷５１（ＲＬ）に供給することが可能な構成となっている。

上記のような構成において、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０，３０に対応してＬＰＦ５０は、第１のＬＰＦと第２のＬＰＦの２系統があり、この２系統のＬＰＦ特性は、同一であることが平衡出力電流上に含まれている高周波ノイズを軽減する上で望ましい。
特開２００２−２４６８５２号公報

しかしながら、従来の技術のように、ＬＰＦ５０では、各要素であるコイルＬ２１，２２、コンデンサＣ２１，２２は、各ディスクリートのパッシブ素子で構成されているため、ＬＰＦ５０のＬＰＦの周波数特性等の偏差は、コイルＬ２１，Ｌ２２のインダクタンス値の差及びコンデンサＣ２１，Ｃ２２の容量の差に依存することになる。２系統のコイルの差及びコンデンサの差の両方がＬＰＦの特性に影響を及ぼすので偏差が良好なＬＰＦ特性を有するＬＰＦを構成することが困難であり、結果として、高周波ノイズの少ない信号を負荷５１に供給することが困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みて提案されたもので、良好なＬＰＦ特性を有するＬＰＦを備えたスイッチングアンプを提供することを目的とするものである。

本発明に係るスイッチングアンプは、上述した目的を達成するために、以下の特徴点を備えている。

本発明に係る信号増幅出力装置は、信号を増幅する第１及び第２のスイッチングアンプと、第１のコイル及び第１のコンデンサからなり前記第１のスイッチングアンプからの信号の低域成分を通過せしめる第１のローパスフィルタと、第２のコイル及び第２のコンデンサからなり前記第２のスイッチングアンプからの信号の低域成分を通過せしめる第２のローパスフィルタを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイルを電磁結合回路として構成することを特徴とする。

また、第１の信号から、第１及び第２の制御信号を生成する第１の変換器と、前記第１信号と逆相の第２の信号から、第１及び第２の制御信号をそれぞれ生成する第２の変換器と、第１のスイッチング素子のソースと第２のスイッチング素子のドレインとを接続点を介して接続し、第１のスイッチング素子のドレインに供給電源電圧を印加し、前記第２のスイッチング素子のソースをグランドに接地して、前記第１及び第２の制御信号を最終的に増幅する第１及び第２のハーフブリッジ型スイッチングアンプと、前記第１のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第１のコイル及び第１のコンデンサからなる第１のローパスフィルタと、前記第２のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第２のコイル及び第２のコンデンサからなる第２のローパスフィルタと、を備え、前記第１のコイルと前記第２のコイルは、結合係数が１である電磁結合回路を構成することを特徴とする。

このような構成からなるスイッチングアンプのローパスフィルタ６０は、コイルＬ１とコンデンサＣ１、コイルＬ２とコンデンサＣ２でＬＰＦを構成しており、コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス値がほぼ同一のインダクタンス値で形成することが出来るため、ＬＰＦ特性の偏差はコンデンサＣ１、Ｃ２の容量値の差のみに依存することとなる。これにより、ＬＰＦの偏差が少ない良好なＬＰＦ特性を得ることでき、負荷に入力された信号から高域成分の除去を効果的に行うことができる。

本発明に係るスイッチングアンプは、上述した構成を備えているため、以下の効果を奏することができる。

結合係数が１の結合トランス６１のコイルＬ１，Ｌ２のインダクタンス値は、ほぼ同一となり、コイルＬ１とコンデンサＣ１及びコイルＬ２とコンデンサＣ２のＬＰＦの特性に影響するのは、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量値の差のみとなりフィルタの特性が改善することができる。

また、ハーフブリッジアンプ１０，３０に対応するＬＰＦに使用するコイルが従来２個からトランス１個となり、部品点数が減少させることができ、コスト低減、小型化が可能となる。

以下、本発明に係るローパスフィルタの一実施形態を添付図面を参照して説明する。

図中、同一の符号を付した部分は同一物を表す。基本的な構成は、図１に示すが、ローパスフィルタ６０の構成以外、従来のものと同様である。

本発明に係るスイッチングアンプとローパスフィルタの回路図を図１に示す。

各ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０及び３０の「ＯＮ／ＯＦＦ」動作タイミングおよびＬＰＦ６０に入力するＬＰＦ電流Ｉ１、Ｉ２の方向、絶対電流値についても従来技術と同様である。ここで、従来技術の構成と異なる構成部分は、図２で示したコイルＬ２１及びＬ２２を用いたＬＰＦ５０の代わりに、結合係数が１である結合トランスを用いたＬＰＦ６０である。

以下に、各ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の出力接続点Ｓ１を電磁結合トランス６１のコイルＬ１の＋端子に接続し、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の出力接続点Ｓ２を電磁結合トランス６１のコイルＬ２の−端子を接続した時の動作を説明する。

ハーフブリッジ型スイッチングアンプ１０の出力接続点Ｓ１を電磁結合トランス６１のコイルＬ１の＋端子に接続し、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ３０の出力接続点Ｓ２と電磁結合トランス６１のコイルＬ２の＋端子に同相接続すると、コイルＬ１，Ｌ２で発生する磁束は逆方向となるため、磁束を打ち消し合い、コイルＬ１，Ｌ２はコイルの機能を失ってしまうことになる。そこで、ＬＰＦ電流Ｉ１，Ｉ２によりコイルＬ１，Ｌ２で発生する磁束は、同一方向となるように接続する。磁束が同一方向となる接続を行うことで、コイルＬ１，Ｌ２は、通常のインダクタンス有するコイルとして作用することになる。

以上の説明により、ハーフブリッジ型アンプ１０の出力接続点Ｓ１を電磁結合トランス６１のコイルＬ１の＋端子に接続し、ハーフブリッジ型アンプ３０の出力接続点Ｓ２を電磁結合トランス６１のコイルＬ２の−端子に接続することによって、ハーフブリッジ型アンプ１０，３０の出力をフィルタリングするＬＰＦを構成することが可能となる。

さらに、コイルＬ１，Ｌ２を２並行線で構成した場合、結合係数はほぼ１とすることができる。即ち、相互インダクタンスＭは、Ｍ²＝Ｌ１＊Ｌ２となる。尚且つ、コイルＬ１，Ｌ２のインダクタンス値は、ほぼ同一値とすることができる（Ｍ＝Ｌ１又はＬ２）。従って、コイルＬ１とコンデンサＣ１、コイルＬ２とコンデンサＣ２でＬＰＦを構成しており、コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス値がほぼ同一値で形成することができるため、ＬＰＦ特性の偏差はコンデンサＣ１、Ｃ２の容量値の差のみに依存することとなる。これにより、従来のＬＰＦの偏差より、さらに偏差が少なくなり、ＬＰＦの特性を改善することができる。

スイッチングアンプを使用してオーディオ信号増幅を行う際に、高周波信号を含むスイッチング信号から低周波信号のみを効率的に通過させるローパスフィルタの用途にも使用できる。

本発明に係るスイッチングアンプとローパスフィルタの回路図である。 従来のスイッチングアンプとローパスフィルタの回路図である。

符号の説明

１ 従来のスイッチングアンプ及びローパスフィルタ
３ 本発明に係るスイッチングアンプ及びローパスフィルタ
１０ ハーフブリッジ型スイッチングアンプ
２０ 第１の変換器
３０ ハーフブリッジ型スイッチングアンプ
４０ 第２の変換器
５０ ローパスフィルタ
５１ 負荷抵抗
６０ ローパスフィルタ
６１ 電磁結合トランス

Claims (2)

1. 信号を増幅する第１及び第２のスイッチングアンプと、第１のコイル及び第１のコンデンサからなり前記第１のスイッチングアンプからの信号の低域成分を通過せしめる第１のローパスフィルタと、第２のコイル及び第２のコンデンサからなり前記第２のスイッチングアンプからの信号の低域成分を通過せしめる第２のローパスフィルタを備え、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルを電磁結合回路として構成することを特徴とした信号増幅出力装置。
2. 第１の信号から、第１及び第２の制御信号を生成する第１の変換器と、
   前記第１の信号と逆相の第２の信号から、第１及び第２の制御信号をそれぞれ生成する第２の変換器と、
   第１のスイッチング素子のソースと第２のスイッチング素子のドレインとを接続点を介して接続し、第１のスイッチング素子のドレインに供給電源電圧を印加し、前記第２のスイッチング素子のソースをグランドに接地して、前記第１及び第２の制御信号を最終的に増幅する第１及び第２のハーフブリッジ型スイッチングアンプと、
   前記第１のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第１のコイル及び第１のコンデンサからなる第１のローパスフィルタと、前記第２のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第２のコイル及び第２のコンデンサからなる第２のローパスフィルタと、
   を備え、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルは、結合係数が１である電磁結合回路を構成することを特徴とする信号増幅出力装置。

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