JP2005123759A - デジタル／アナログ変換器用出力可変回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 回路全体で発生する熱雑音の出力レベルを相対的に小さくし、ノイズ性能の改善と共に、コストの低減化に寄与することができる「Ｄ／Ａ変換器用出力可変回路」を提供すること。
【解決手段】 電子ボリュームシステム１において、Ｄ／Ａ変換器用出力可変回路１３は演算増幅器１４を含み、この演算増幅器１４の反転入力端と出力端の間に、電流出力型Ｄ／Ａ変換器１２から出力された電流Ｉo を通過させる可変抵抗器１５が接続されている。さらに演算増幅器１４の出力端にミュート回路１６が接続され、可変抵抗器１５の抵抗値が切り換えられている期間中、その出力信号のレベルを所定レベル以下に低減している。制御部としてのマイクロコンピュータ１０は、可変抵抗器１５の抵抗値の切り換え処理を制御すると共に、ミュート回路１６によるミューティング処理を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器の出力レベルを調整する機能を備えた回路に関し、より詳細には、電流出力型のＤ／Ａ変換器を含む電子ボリュームシステムにおいて当該Ｄ／Ａ変換器の出力電流を電圧に変換すると共にその電圧レベルを可変する機能を備えたＤ／Ａ変換器用出力可変回路に関する。

図４は従来技術の一例に係る電流出力型Ｄ／Ａ変換器を含む電子ボリュームシステムの構成を概略的に示したものである。図示の電子ボリュームシステム１ａは、オーディオシステムに適用した場合の構成例を示している。

この電子ボリュームシステム１ａにおいて、２１はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を示し、システム全体を制御するマイクロコンピュータ（図示せず）からの制御により、ＣＤやＤＶＤ等のオーディオソースから出力されたデジタルのオーディオ信号に対し、音響効果を付加するための各種のデジタル調整を行うものである。典型的には、オーディオ信号の周波数帯毎のレベルをそれぞれ固有のフィルタ係数に応じて調整したり、各レベル毎にそれぞれ信号を遅延させるなどの処理を行う。また、２２はＤＳＰ１１から出力されたデジタル信号を当該デジタル値に応じた電流量のアナログ信号に変換して出力する電流出力型Ｄ／Ａ変換器、２３はＤ／Ａ変換器２２から出力された電流をその電流量に応じた電圧に変換する電流／電圧（Ｉ／Ｖ）変換回路を示す。このＩ／Ｖ変換回路２３は、Ｄ／Ａ変換器２２の出力電流を反転入力端（−）に入力し、かつ非反転入力端（＋）が接地された演算増幅器（オペアンプ）２３ａと、このオペアンプ２３ａの反転入力端（−）と出力端の間に接続された抵抗器（フィードバック抵抗）２３ｂとを備えている。このフィードバック抵抗２３ｂは、所望の最大出力レベルに応じて固定の抵抗値Ｒf に設定されている。また、２４はポテンショメータや可変抵抗器等により構成されたボリューム回路を示し、Ｉ／Ｖ変換回路２３から出力されたアナログ信号電圧を、その全抵抗値Ｒvol に対する抵抗設定値の比率で分圧し、出力レベルを調整するものである。このボリューム回路２４における抵抗設定値の切り換え処理は、マイクロコンピュータ（図示せず）によって制御される。ボリューム回路２４でレベル調整されて出力された信号のレベルは、後段のオーディオ出力系の入力インピーダンスの影響により変化することがある。これを防止するため、ボリューム回路２４の次段にバッファ回路２５が接続されている。このバッファ回路２５は、図示のようにボリューム回路２４からの出力電圧を非反転入力端（＋）に入力し、かつ反転入力端（−）にその出力端が接続されたオペアンプ２５ａにより構成されており、入力された電圧信号のインピーダンスを高インピーダンスから低インピーダンスへと変換し、アナログオーディオ信号として後段のオーディオ出力系に出力する。

図４に例示する電流出力型Ｄ／Ａ変換器を含む電子ボリュームシステム１ａでは、デジタル領域（ＤＳＰ２１）において音響効果を付加するためにオーディオ信号の各周波数帯毎のレベル調整（フィルタ係数の掛け算）を行い、一種のボリュームとして動作を行っており、また、アナログ領域では、Ｉ／Ｖ変換後に通常のアナログ信号を扱うのと同様に、アナログ信号電圧を可変抵抗器等によるボリューム回路２４によって適宜出力レベルを調整している（ボリューム動作）。

上記の従来技術に関連する技術としては、例えば、電流出力型Ｄ／Ａ変換器の出力側に接続されるＩ／Ｖ変換器及びローパスフィルタを含む出力回路を、能動素子を用いずに実現するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、デジタル信号を１対の出力信号線に差動アナログ信号として出力するＤ／Ａコンバータと、この差動アナログ信号に対してフィルタリング処理を行うフィルタとの間に、１対の出力信号線に流れる電流を電圧に変換すると共に、その電圧の直流分のレベルを調整する電子ボリュームを介在させるようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−３２７０３６号公報 特開２００２−３３６６５号公報

上述したように従来の電流出力型Ｄ／Ａ変換器を含む電子ボリュームシステムの構成では、デジタル領域におけるボリューム動作の場合、フィルタ係数の掛け算を行うときに有限の桁数による限界（通常のオーディオデータでは最大２４ビット程度、ＤＳＰ２１内部のアキュムレータでは２４＊２４＝４８ビットなど）があり、この桁よりはみ出してしまう小さい信号に対しては最終的に切り捨て（いわゆる「ビット落ち」）となるために、小さいレベルの信号に対する精度は悪化するものであった。また、アナログ領域におけるボリューム動作の場合、ボリューム回路２４の次段に、後段の入力インピーダンスの影響による信号レベルの変化を防ぐためのバッファ回路２５を設ける必要があったため、回路構成が比較的複雑になり、このためにコストがアップするといった不利があった。

また、Ｉ／Ｖ変換回路２３におけるフィードバック抵抗２３ｂは所望の最大出力レベルに応じてその抵抗値Ｒf が固定であるため、フィードバック抵抗２３ｂで発生する熱雑音そのものが出力されると共に、これに加えて更にボリューム回路（可変抵抗器等）２４で発生する熱雑音も出力される。特に、Ｉ／Ｖ変換回路２３では、その後段（ボリューム回路２４）での電圧レベル調整を行い易くするために不必要なレベルまで電圧を上げて出力する場合もあり、この場合、Ｉ／Ｖ変換回路２３の出力電圧はフィードバック抵抗２３ｂの抵抗値Ｒf で決まるため、その抵抗値Ｒf が相対的に大きくなる。その結果、フィードバック抵抗２３ｂで発生する熱雑音がさらに大きくなり、ひいては回路全体で発生する熱雑音の出力レベルが大きくなり、ノイズ性能の低下をきたすといった課題があった。

本発明は、かかる従来技術における課題に鑑み創作されたもので、回路全体で発生する熱雑音の出力レベルを相対的に小さくし、ノイズ性能の改善を図ると共に、コストの低減化に寄与することができるデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器用出力可変回路を提供することを目的とする。

上述した従来技術の課題を解決するため、本発明によれば、演算増幅器を含み、電流出力型のＤ／Ａ変換器から出力された電流を通過させる可変抵抗器を、前記演算増幅器の反転入力端と出力端との間に接続したことを特徴とするＤ／Ａ変換器用出力可変回路が提供される。

本発明に係るＤ／Ａ変換器用出力可変回路の構成によれば、演算増幅器と協働する可変抵抗器に、Ｄ／Ａ変換器からの出力電流をその可変抵抗値に応じた電圧に変換するＩ／Ｖ変換機能と、その可変抵抗値に応じた出力レベルに調整するボリューム調整機能とを兼用させているので、従来形（図４）のように各機能毎にそれぞれ回路を別個に設けた構成のものと比べて、回路構成を簡素化することができる。これによって、回路全体で発生する熱雑音の出力レベルを相対的に小さくすることができ、ノイズ性能の改善と共に、コストの低減化を図ることが可能となる。

図１は本発明の一実施形態に係るＤ／Ａ変換器用出力可変回路を含む電子ボリュームシステムの構成を概略的に示したものである。

本実施形態では、本発明に係るＤ／Ａ変換器用出力可変回路を車載用オーディオシステムに適用した例を示している。図１に示すように、電子ボリュームシステム１は、システム全体の制御を行う制御部としてのマイクロコンピュータ１０と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１１と、電流出力型Ｄ／Ａ変換器１２と、その一部の機能としてマイクロコンピュータ１０を含むＤ／Ａ変換器用出力可変回路１３とを備えている。

ＤＳＰ１１は、マイクロコンピュータ１０との通信に基づき、ＣＤやＤＶＤ等のオーディオソースから出力されたデジタルのオーディオ信号に対し、音響効果を付加するための各種のデジタル調整を行うものである。オーディオソースから出力された信号がアナログ形式の場合には、適当なＡ／Ｄ変換器を通してデジタル化された後、ＤＳＰ１１に入力される。このＤＳＰ１１には、特に図示はしていないが、入力されたオーディオ信号の周波数帯毎のレベル（バンドレベル）を、マイクロコンピュータ１０からの制御により各バンドレベル毎に固有に設定されるフィルタ係数に応じて調整するイコライザや、このイコライザから出力された各バンドレベル毎の信号を所定の時間だけ遅延させる信号遅延部などが内蔵されている。

また、電流出力型Ｄ／Ａ変換器１２は、マイクロコンピュータ１０からの制御により、ＤＳＰ１１から出力された複数ビットのデジタル信号（デジタル調整されたオーディオ信号）を当該デジタル値に応じたアナログ信号（電流量）に変換して出力するものである。この電流出力型Ｄ／Ａ変換器１２は、その一構成例として図２に示すように、ｎビットのデジタル入力（図示の例では、最上位ビットから最下位ビットの順に、「１」、「０」、「０」、……、「１」）に対し、各ビット毎に対応して設けられたｎ個のスイッチング素子ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n と、最上位ビットから最下位ビットの順に重み付けされたｎ個の抵抗器２⁰ ×Ｒ〜２^n-1 ×Ｒと、演算増幅器（オペアンプ）１２ａと、出力用抵抗器Ｒo とを備えて構成されている。重み付けされた各抵抗器２⁰ ×Ｒ〜２^n-1 ×Ｒの一端側は、それぞれ対応するスイッチング素子ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n を介して所定電位の電源ラインＶｃに接続され、他端側は、共通にオペアンプ１２ａの反転入力端（−）に接続されている。このオペアンプ１２ａの非反転入力端（＋）は接地され、その反転入力端と出力端との間に出力用の抵抗器Ｒo が接続されている。各スイッチング素子ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n は、マイクロコンピュータ１０からの制御により、入力ビットデータが「１」のときに「オン」となり、電源ラインＶｃに接続され、入力ビットデータが「０」のときに「オフ」となり、電源ラインＶｃから切り離される。この構成により、ｎビットのデジタル入力は、各抵抗器２⁰ ×Ｒ〜２^n-1 ×Ｒ、オペアンプ１２ａ及び抵抗器Ｒo を介して、そのデジタル値に応じた電流量のアナログ出力（電流Ｉo ）に変換される。

また、本発明の特徴をなすＤ／Ａ変換器用出力可変回路１３は、Ｄ／Ａ変換器１２から出力されたアナログの電流Ｉo を反転入力端（−）に入力し、かつ非反転入力端（＋）が接地されたオペアンプ１４と、このオペアンプ１４の反転入力端（−）と出力端の間に接続された可変抵抗器（フィードバック抵抗）１５と、オペアンプ１４の出力に応答するミュート回路１６と、その一部の制御機能としてマイクロコンピュータ１０を備えている。オペアンプ１４には、例えば、米国のBurr-Brown社製のデュアルＦＥＴ入力構成のオペアンプ（ＯＰＡ２６０４）が好適に用いられる。オペアンプ１４と協働する可変抵抗器１５により、Ｄ／Ａ変換器１２から出力された電流Ｉo はその可変抵抗値Ｒf に応じた電圧に変換されると共に（Ｉ／Ｖ変換）、その可変抵抗値Ｒf に応じた出力レベルに調整される（ボリューム調整）。また、ミュート回路１６は、ボリューム（可変抵抗器１５の抵抗値Ｒf ）の切り換え時に発生する、いわゆるステップノイズが後段のオーディオ出力系に影響しないようにするためのもので、ボリュームの切り換え処理を行っている期間中、オペアンプ１４から出力された信号のレベルを所定レベル以下（本実施形態では、実質的に零レベル）に低減する。

ボリューム（可変抵抗器１５の抵抗値Ｒf ）の切り換え処理とミュート回路１６によるミューティング処理は、マイクロコンピュータ１０によって制御される。すなわち、その動作信号波形の一例として図３に示すように、マイクロコンピュータ１０からの制御により、ボリューム切り換え処理に先立ち、ｔ１の時点でミューティング処理をＯＮ状態（つまり、信号レベルを所定レベル以下に低減した状態）とし、以降ｔ２までの期間中、このＯＮ状態を保持し、この期間中にボリューム切り換え処理（ＯＦＦからＯＮ）を行うことで、その際に発生するステップノイズが後段側に波及するのを防止している。ボリューム切り換え処理が終了すると、ｔ２の時点でミューティング処理をＯＦＦ状態とする。このミューティング処理がＯＦＦ状態の時、オペアンプ１４から出力された信号はそのままアナログオーディオ信号Ｖo として、後段のオーディオ出力系に出力される。

上記の構成において、Ｄ／Ａ変換器１２から出力された電流Ｉo （出力可変回路１３のオペアンプ１４に入力された電流）と、出力可変回路１３の可変抵抗器１５（Ｒf ）によりＩ／Ｖ変換され、かつボリューム調整されて出力された電圧Ｖo は、以下の関係式によって表される。

Ｖo ＝Ｒf ×Ｉo
この関係式に表されるように、Ｄ／Ａ変換器１２からの出力電流Ｉo が一定であれば、可変抵抗器１５の抵抗値Ｒf の変化に応じて出力電圧Ｖo を変化させることができる。

本実施形態に係るＤ／Ａ変換器用出力可変回路１３の構成によれば、オペアンプ１４と協働する可変抵抗器（フィードバック抵抗）１５に、Ｄ／Ａ変換器１２から出力された電流Ｉo をその可変抵抗値Ｒf に応じた電圧に変換するＩ／Ｖ変換機能と、その可変抵抗値Ｒf に応じた出力レベルに調整するボリューム調整機能とを兼用させているので、従来の構成（図４）のように各機能毎にそれぞれ機能素子もしくは回路を別個に設けたものと比べて、回路構成を簡素化することができる。その結果、以下に説明するように回路全体で発生する熱雑音の出力レベルを相対的に小さくすることができ、ノイズ性能の改善を図ることができる。

以下、図４に示した従来の構成例を比較例として、本実施形態に係る出力可変回路１３により熱雑音の出力レベルを低減できる具体例について説明する。

先ず、図４を参照すると、Ｉ／Ｖ変換回路２３のフィードバック抵抗２３ｂで発生する熱雑音レベルｅ(Rf)、及びボリューム回路２４で発生する熱雑音レベルｅ(vol) は、それぞれ以下の式（１）及び（２）によって表される。

ｅ(Rf)＝（４ｋＴ・Ｒf ）^1/2 ……………………………………（１）
ｅ(vol) ＝（４ｋＴ・Ｒvol ）^1/2 …………………………………（２）
ここに、ｋはボルツマン定数（≒１．３８×１０^-23 〔Ｊ／Ｋ〕）、Ｔは当該抵抗の絶対温度〔Ｋ〕、Ｒf はフィードバック抵抗２３ｂの抵抗値、Ｒvol はボリューム回路２４の全抵抗値を表す。

従来の構成では、フィードバック抵抗２３ｂの抵抗値Ｒf は所望の最大出力レベルに応じて固定であり、従来の回路（図４）から出力される熱雑音レベルは、以下の式（３）によって表される。

ｅ1 ＝（ｅ(Rf)＋ｅ(vol) ）×Ｒs ／Ｒvol ………………………（３）
ここに、Ｒs はボリューム回路２４の抵抗設定値を表す。

Ｄ／Ａ変換器２２からの出力電流の最大値をＩo(max)とすると、今仮に、Ｉo(max)＝±１．２ｍＡ（ピーク値）の時に出力レベルとして最大８Ｖ（実効値）を必要とする場合、フィードバック抵抗２３ｂの抵抗値Ｒf は以下のようにして求められる。

Ｒf ＝８×２√２÷（１．２×２）≒９．４２８〔ｋΩ〕
この値は固定であるため、フィードバック抵抗２３ｂで発生する熱雑音そのものが出力されると共に、これに更にボリューム回路２４で発生する熱雑音を加えたものが、トータルの熱雑音として出力される（上記の式（３）参照）。

これに対し、本実施形態に係る出力可変回路１３（図１）の構成では、フィードバック抵抗１５の抵抗値Ｒf それ自体を可変とするため、回路全体で発生する熱雑音の出力レベルは、以下の式（４）によって表される。

ｅ2 ＝ｅ(Rf)×Ｒout ／Ｒf ………………………………………（４）
ここに、Ｒout は後段の回路（オーディオ出力系）の入力インピーダンスの抵抗成分を表す。

このように、本実施形態に係る出力可変回路１３の構成によれば、従来形（図４）のボリューム回路２４に相当する回路を省略できるので、出力可変回路１３全体で発生する熱雑音の出力レベルをトータルで小さくすることが可能となる。これは、ノイズ性能の改善に大いに寄与する。

また、回路構成が簡素化されることで、コストの低減化を図ることができる。さらに、ミュート回路１６を設けることで、ボリューム（可変抵抗器１５の抵抗値Ｒf ）の切り換え時に発生するステップノイズが後段のオーディオ出力系に波及するのを防止しているので（図３の動作信号波形）、ノイズ性能の更なる改善を図ることができる。

上述した実施形態では、Ｄ／Ａ変換器用出力可変回路１３を車載用オーディオシステムに適用した場合を例にとって説明したが、本発明の要旨から明らかなように、電流出力型Ｄ／Ａ変換器を含むシステムであれば、車載用であるか否かを問わず、またオーディオシステムであるか否かを問わず、同様に適用され得ることはもちろんである。

本発明の一実施形態に係るＤ／Ａ変換器用出力可変回路を含む電子ボリュームシステムの構成を概略的に示す図である。 図１における電流出力型Ｄ／Ａ変換器の一構成例を示す回路図である。 図１におけるＤ／Ａ変換器用出力可変回路の動作を示す信号波形図である。 従来技術の一例に係る電流出力型Ｄ／Ａ変換器を含む電子ボリュームシステムの構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１…電子ボリュームシステム、
１０…マイクロコンピュータ（制御部）、
１１…デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、
１２…電流出力型Ｄ／Ａ変換器、
１３…Ｄ／Ａ変換器用出力可変回路、
１４…演算増幅器（オペアンプ）、
１５…可変抵抗器（フィードバック抵抗）、
１６…ミュート回路、
Ｉo …Ｄ／Ａ変換器の出力電流、
Ｖo …Ｄ／Ａ変換器用出力可変回路の出力電圧。

Claims (3)

1. 演算増幅器を含み、電流出力型のデジタル／アナログ変換器から出力された電流を通過させる可変抵抗器を、前記演算増幅器の反転入力端と出力端との間に接続したことを特徴とするデジタル／アナログ変換器用出力可変回路。
2. 前記可変抵抗器の抵抗値が切り換えられている期間中、前記演算増幅器から出力された信号のレベルを所定レベル以下に低減するミュート回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のデジタル／アナログ変換器用出力可変回路。
3. 前記可変抵抗器の抵抗値の切り換え処理を制御すると共に、前記ミュート回路によるミューティング処理を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項２に記載のデジタル／アナログ変換器用出力可変回路。

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