JP2005229306A - Ｄ級増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｄ級増幅器の電力スイッチのスイッチング動作に由来する高調波ノイズのピークレベルを低減し、電磁妨害を抑えたＤ級増幅器を提供する。
【解決手段】 Ｄ級増幅器のＰＷＭ信号生成部３の周波数変調回路３ａに音声帯域外信号２を入力してＰＷＭ基準信号１が音声帯域外信号２により周波数変調された矩形波信号を得、その矩形波信号により三角波発生回路３ｂにより音声帯域外信号２により周波数変調された三角波信号を得る。この三角波信号とアナログ音声信号を比較回路３ｃに入力し、音声帯域外信号２によりＰＷＭキャリア周波数が周波数変調されたＰＷＭ信号を得、電力スイッチ６により電力増幅を行った後、フィルタ７によりＰＷＭ復調出力８を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音声信号の電力増幅を主目的とするＤ級増幅器が発生する電磁妨害（以下、ＥＭＩ（electromagnetic interference）と称す）の低減に関するものである。

従来より、音声信号の電力増幅を高効率・低損失に行うことで機器の小型化を可能とする方式としてＤ級増幅が用いられてきた。Ｄ級増幅器の変調方式としては、パルス幅変調（ＰＷＭ）タイプとデルタシグマ（ΔΣ）変調タイプに大別される。
音声ＰＣＭ信号がＰＷＭ信号に変換される場合は（例えば、特許文献１参照）、ＰＣＭ−ＰＷＭ変換部おいて再量子化手段による丸め誤差がΔΣ変調を用いて低減されるので、ΔΣ変調タイプＰＷＭ併用タイプであることが多い。
また、アナログ音声信号をＰＷＭ基本周波数の三角波信号と比較することによりＰＷＭ信号に変換して電力スイッチに導くものがある（例えば、特許文献２参照）。

Ｄ級増幅器では、ＰＷＭ信号によって電力スイッチのスイッチング動作が制御されるが、そのスイッチングの度に大電流を流したり止めたりすることになり、大きな電磁妨害を発生させるという問題がある。この改善策として、出力ＬＣフィルタにより復調されたアナログ信号から高周波成分のみを抽出し、その反転信号を作成し、チョークトランスを介して元のアナログ信号から高周波成分を相殺除去する手段を使用し、電磁妨害の低減を行うものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−２９２０４０号公報（段落０００３、図７） 特公平０７−２８１８１号公報（第（１）頁第２欄第８行から第（２）頁第３欄第１１行、図５） 特開２００２−１１８４３０号公報（段落００２０から００２２、図１）

しかしながら、前述のＤ級増幅器の電磁妨害低減方式では、アナログ信号出力ラインから放射される電磁妨害を低減し得るが、電力スイッチにおけるスイッチング動作に由来する高周波電流により電源ラインから放射される電磁妨害に対しては何ら低減効果がなかった。つまり、アナログ信号出力ライン及び電源ラインの両方に現れる電磁妨害の発生源は、電力スイッチのスイッチング動作に伴って発生する高周波ノイズであるが、この発生源に対する改善策ではなかった。

また、電磁妨害の特徴としては、ＰＷＭキャリア周波数の高調波を中心として現れ、音声入力信号の変調度が下がるほど中心周波数のレベルが高く現れる傾向にあることが知られている。特にＰＷＭ信号のデューティ比が５０％の時、即ち音声入力信号が無変調の場合に最大となり、電磁妨害（ＥＭＩ）規格基準値を満たせないことの原因になり得る現象である。

本発明の目的は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電力スイッチにおけるスイッチング動作に由来する高調波ノイズのピークレベルを低減し、電磁妨害の発生を抑えたＤ級増幅器を提供することである。

この発明に係わるＤ級増幅器は、音声帯域外信号とアナログ音声信号を入力とし、前記音声帯域外信号により周波数変調され且つ前記アナログ音声信号に基づいたＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記ＰＷＭ信号生成手段出力を入力として電力増幅を行う電力スイッチ手段と、前記電力スイッチ手段の出力を入力としてＰＷＭ復調を行うフィルタ手段とを備えたことを特徴とする。

この発明のＤ級増幅器は、ＰＷＭ信号が音声帯域外信号により周波数変調されるように構成したので、ＰＷＭ信号を電力増幅する電力スイッチの動作に由来する高調波ノイズも周波数変調され、そのノイズの周波数成分が分散されるので、高調波ノイズのピークレベルが低減し、電磁妨害が少ないＤ級増幅器を提供することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係わるＤ級増幅器の構成例を示すブロック図、図２はそのＰＷＭ信号生成動作を説明する図である。以下動作について説明する。

図１において、ＰＷＭ基準信号入力１及び音声帯域外信号２がＰＷＭ信号生成部３の周波数変調回路３ａに入力され、ＰＷＭ基準信号周波数に対して音声帯域外信号により周波数変調が掛けられた形態の矩形波信号が出力される。このＰＷＭ基準信号周波数が即ちＰＷＭキャリア周波数に相当する。図２は、説明を簡単にするためにＰＷＭ基準信号周波数に対して音声帯域外信号による周波数変調が掛けられない場合を示すが、図２（ａ）に示すような周波数変調回路３ａ出力に基づいて、三角波発生回路３ｂでは図２（ｂ）に示すような三角波信号が発生され、この三角波出力は比較回路３ｃに入力される。

一方、アナログ音声信号入力４は、補正回路５において電力スイッチ６からの負帰還信号により歪補正が掛けられＰＷＭ信号生成部３を構成する比較回路３ｃに入力される。比較回路３ｃにおいて、図２（ｃ）に示すように三角波発生回路３ｂ出力の三角波信号と補正回路５出力のアナログ音声信号が比較され、図２（ｄ）に示すＰＷＭ信号が生成され出力される。このＰＷＭ信号は、電力スイッチ６により電力増幅され、フィルタ７により平滑化され、ＰＷＭ復調出力８としてスピーカ（図示せず）に出力される。なお、補正回路５は電力スイッチ６の出力に含まれる歪み成分、例えば三角波信号の非直線歪み、電力スイッチ６におけるパルス幅歪み、電源電圧変動による歪みを軽減することを目的として一般的に使用されるものである。

前記三角波信号は、周波数変調回路３ａから出力される矩形波信号がＰＷＭ基準信号周波数に対して音声帯域外信号により周波数変調が掛けられるので、音声帯域外信号によって周波数変調された三角波信号となっている。そのため、比較回路３ｃから出力されるＰＷＭ信号も前記音声帯域外信号により周波数変調が掛けられたものになる。以下、音声帯域外信号によって周波数変調された場合について詳細に説明する。

図３はＰＷＭ信号生成部３の構成の一例を示す図、図４はＰＷＭ信号生成部３における三角波発生回路３ｂの動作を説明する図である。以下、三角波発生回路３ｂの動作について説明する。

図３において、三角波発生回路３ｂは周波数変調回路３ａ出力を積分する積分回路３ｂ１と、積分回路３ｂ１出力を音声帯域外信号２に基づいて振幅の補正を行う振幅補正回路３ｂ２で構成される。周波数変調回路３ａの矩形波出力が、図４（ａ）に示すように音声帯域外信号２による変調が掛かっていない場合には、積分回路３ｂ１の出力は図４（ｂ）に示すように振幅と周期の揃った三角波信号となる。他方、図４（ｃ）に示すように音声帯域外信号２による変調が掛かっている場合には、図４（ｄ）に示すように三角波信号の振幅が変動する。図４（ｅ）は音声帯域外信号２を示すが、その振幅変化は周波数変調回路３ａ出力の周波数変化と対応していることから、これに基づいて振幅補正回路３ｂ２において振幅補正を行えば、図４（ｆ）に示すような振幅の揃った三角波信号を得ることができる。

このように比較回路３ｃに入力される三角波信号の振幅をその周波数に関わらず一定の振幅に制御することにより、ＰＷＭ信号が三角波信号になされた周波数変調に影響されること無く、アナログ音声信号４に基づいて正しく生成される。

なお、本実施例では積分回路３ｂ１の時定数を固定とした場合について述べているが、時定数を入力に合わせて変化させれば振幅補正回路３ｂ２を用いない構成で実現することも可能である。

また、周波数変調回路３ａの一例としては、電圧制御発振器を用い、その制御電圧に正弦波の音声帯域外信号２を重畳する方法などがある。

図５及び図６は本発明によるＥＭＩ低減の効果を説明するための図である。両図とも、アナログ音声信号４による変調がない場合（ＰＷＭ信号のデューティ比が５０％の場合）について、音声帯域外信号２によるＰＷＭキャリア周波数に対する周波数変調の有無によるＤ級増幅器から放出される電磁波強度の周波数分布を実測した例である。両図ともに、（ａ）がＰＷＭキャリア周波数は４００ｋＨｚとし、音声帯域外信号２による変調のない場合、（ｂ）が音声帯域外信号２を３０ｋＨｚとし、０．５％変調の周波数変調を掛けた場合の例を示す。なお、横軸は周波数であり、（ａ）は０〜１００ＭＨｚ、（ｂ）は３９．９〜４０．９ＭＨｚである。

図５（ａ）の放射電磁波電力のピークレベルはＰＷＭキャリア信号の奇数次高調波によるものであり、ＰＷＭキャリア信号矩形波のフーリエ級数展開式の係数変化とほぼ一致している。図６（ａ）はその１０１次高調波付近（４０．４ＭＨｚ）を拡大したものである。なお、理想的矩形波ではないために、偶数次高調波も見られる。

図５及び図６の（ａ）と（ｂ）の比較から、音声帯域外信号２によりＰＷＭキャリア周波数に対する周波数変調を掛けることにより、ＰＷＭキャリア信号の高調波中心周波数のエネルギーが分散され、Ｄ級増幅器から放射される電磁波電力のピークレベルは全周波数に渡って低減していることがわかる。

以上のように、この発明のＤ級増幅器は、ＰＷＭ信号生成手段を音声帯域外信号とアナログ音声信号を入力とし、前記音声帯域外信号により周波数変調され且つ前記アナログ音声信号に基づいたＰＷＭ信号を生成するように構成したので、電力スイッチのスイッチング動作に由来する高調波ノイズも周波数変調され、そのノイズの周波数成分が分散される。そのため、アナログ音声信号が無変調の場合でもＰＷＭ信号の高調波中心周波数にエネルギーが集中しないので、高調波ノイズのピークレベルが低減し、電磁妨害が少ないＤ級増幅器を提供することができる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係わるＤ級増幅器の構成を示すブロック図、図８は図７における三角波発生回路１０ｂの動作を説明するための図である。なお、図７において、図１との相違点は、三角波発生回路１０ｂの構成と三角波生成動作のみである。以下動作について説明するが、図１と共通する部分の説明は省略する。

図７において、ＰＷＭ基準信号入力１及び音声帯域外信号２がＰＷＭ信号生成部１０の周波数変調回路１０ａに入力され、図８（ａ）、又は（ｅ）に示すようなＰＷＭ基準信号周波数に対して音声帯域外信号により周波数変調が掛けられた形態の矩形波信号が出力される。

例えば図８（ａ）が周波数変調を掛けていない場合の基本矩形波信号とすれば、（ｅ）は周波数が高い方向に周波数変調された矩形波信号である。（ｂ）及び（ｆ）はこの矩形波信号によりメモリ回路１０ｂ１から読み出された三角波パターンが、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１０ｂ２によりアナログ信号に変換された三角波パターン信号であり、（ｃ）及び（ｇ）はこの三角波パターン信号が平滑回路１０ｂ２により平滑された三角波信号である。

即ち、メモリ回路１０ｂ１の読み出しクロック信号を音声帯域外信号２により周波数変調された信号とすることにより、三角波パターンの読み出し速度が変わり、音声帯域外信号２により周波数変調された三角波信号が生成される。この三角波信号を用いて比較回路１０ｃにおいてアナログ音声信号４に基づいたＰＷＭ信号が生成される。以後は前述と同様であるので説明を省略する。

以上のように、メモリ回路に記憶された三角波パターンを音声帯域外信号２により周波数変調された読み出しクロック信号により読み出すようにしたので、比較回路３ｃに入力される三角波信号の振幅をその周波数に関わらず一定の振幅に制御することができ、ＰＷＭ信号が三角波信号になされた周波数変調に影響されること無く、アナログ音声信号４に基づいて正しく生成される。

実施の形態３．
図９は本発明の実施の形態２に係わるＤ級増幅器の構成を示すブロック図、図１０は図９のＰＷＭ信号生成部１１の構成の一例を示す図であり、図１１はその動作を説明する図である。なお、図９及び図１０において、図１との相違点は、ＰＷＭ信号生成部１１において周波数変調回路１１ａと鋸歯状波発生回路１１ｂの構成と鋸歯状波生成動作のみである。以下動作について説明するが、図１と共通する部分の説明は省略する。

図１０において、ＰＷＭ基準信号入力１及び音声帯域外信号２がＰＷＭ信号生成部１１の周波数変調回路１１ａに入力され、図１１（ａ）又は（ｃ）に示すような非対称形の矩形波信号が出力される。なお、非対称形の矩形波信号生成は、例えば周波数変調部１１ａの電圧制御発振器の正弦波出力信号を２値化の閾値を振幅変化の中心からずらせた比較器により２値化することにより実現できる。

図１１（ａ）は周波数変調されない場合の矩形波信号であるが、この矩形波信号が鋸歯状波発生回路１１ｂ入力され、同図（ｂ）に示す鋸歯状波信号が出力される。なお、この鋸歯状波信号の生成は、例えば鋸歯状波発生回路１１ｂの積分回路１１ｂ１の立ち上がり下がりの時定数を非対称にすることで実現できる。

また、図１１（ｃ）は周波数変調回路１１ａにおいて音声帯域外信号２により周波数変調された場合の矩形波信号の出力であるが、この矩形波信号が鋸歯状波発生回路１１ｂに入力され、図１１（ｄ）に示す周波数変調された鋸歯状波信号が出力される。この周波数変調された鋸歯状波信号は周波数が変化するのみならず振幅も変化するので、図１１（ｅ）に示す音声帯域外信号２を制御入力とする振幅補正回路１１ｂ２により振幅補正が行われ、図１１（ｆ）に示す振幅が一定の周波数変調された鋸歯状波が出力され、実施の形態１と同様に比較回路１１ｃにおいてＰＷＭ信号生成に使用される。

なお、比較回路１１ｃに三角波信号が入力される場合には両エッジ変調のＰＷＭ信号が生成され、鋸歯状波信号が入力される場合には片エッジ変調のＰＷＭ信号が生成されること以外は実施の形態１と同様である。

実施の形態４．
図１２は本発明の実施の形態４に係わるＤ級増幅器の構成を示すブロック図、図１３は図１２の構成における鋸歯状波発生回路１２ｂの動作を説明する図である。なお、図１２において、図７との相違点は、鋸歯状波発生回路１２ｂのメモリ回路１２ｂ１の記憶内容が鋸歯状波パターンであることのみであり、動作内容は実施の形態２と類似している。以下動作について説明するが、図７と共通する部分の説明は省略する。

図１３（ａ）及び（ｅ）は周波数変調回路１２ａの矩形波信号出力であり、音声帯域外信号２による周波数変調の有無の例を示している。図１３（ａ）が周波数変調を掛けていない基本のクロック信号とすれば、図１３（ｅ）は高い方向に周波数変調されたクロック信号である。図１３（ｂ）及び（ｆ）はこの矩形波信号によりメモリ回路１２ｂ１から読み出された鋸歯状波パターンが、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１２ｂ２によりアナログ信号に変換された鋸歯状波パターン信号であり、図１３（ｃ）及び（ｇ）はそれらを平滑回路１２ｂ３により平滑した結果である。

即ち、メモリ回路１２ｂ１の読み出しクロック信号を音声帯域外信号２により周波数変調された信号とすることにより、鋸歯状波パターンの読み出し速度が変わり、音声帯域外信号２により周波数変調された鋸歯状波信号が生成される。この鋸歯状波信号を用いて比較回路１２ｃにおいてアナログ音声信号４に基づいたＰＷＭ信号が生成される。以後は前述と同様であるので説明を省略する。

以上のように、メモリ回路に記憶された鋸歯状波パターンを音声帯域外信号２により周波数変調された読み出しクロック信号により読み出すようにしたので、比較回路１２ｃに入力される鋸歯状波信号の振幅をその周波数に関わらず一定の振幅に制御することができ、ＰＷＭ信号が鋸歯状波信号になされた周波数変調に影響されること無く、アナログ音声信号４に基づいて正しく生成される。

この発明の実施の形態１のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１のＤ級増幅器の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態１のＰＷＭ信号生成部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１の三角波発生回路の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態１のＰＷＭ信号生成部の効果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１のＰＷＭ信号生成部の効果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２の三角波発生回路の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態３のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３のＰＷＭ信号生成部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態３の鋸歯状波発生回路の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態４のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４の鋸歯状波発生回路の動作を説明する図である。

符号の説明

１ ＰＷＭ基準信号入力、 ２ 音声帯域外信号入力、 ３ ＰＷＭ信号生成部、 ３ａ 周波数変調回路、 ３ｂ 三角波発生回路、 ３ｃ 比較回路、 ４ アナログ音声信号入力、 ５ 補正回路、 ６ 電力スイッチ、 ７ フィルタ、 ８ ＰＷＭ復調出力。

Claims (7)

1. 音声帯域外信号とアナログ音声信号を入力とし、前記音声帯域外信号により周波数変調され且つ前記アナログ音声信号に基づいたＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、
   前記ＰＷＭ信号生成手段出力を入力として電力増幅を行う電力スイッチ手段と、
   前記電力スイッチ手段の出力を入力としてＰＷＭ復調を行うフィルタ手段とを備えたことを特徴とするＤ級増幅器。
2. 前記ＰＷＭ信号生成手段が、前記ＰＷＭ信号の基準周波数に対して前記音声帯域外信号に基づいて周波数変調を行う周波数変調手段と、前記周波数変調手段の出力に基づいて三角波信号を発生する三角波発生手段と、前記アナログ音声信号と前記三角波発生手段の出力に基づいてＰＷＭ信号を生成する比較手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＤ級増幅器。
3. 前記三角波発生手段が、前記周波数変調手段の出力を三角波信号に変換する積分手段と、前記積分手段の出力の振幅を前記音声帯域外信号に基づいて補正する振幅補正手段により構成されたことを特徴とする請求項２に記載のＤ級増幅器。
4. 前記三角波発生手段が、少なくとも１周期分の三角波信号を表現する数値パターンを記憶したメモリ手段と、前記メモリ手段から出力される三角波パターン出力を平滑し三角波信号を出力する平滑手段とにより構成され、前記メモリ手段の読み出し動作を前記周波数変調手段の出力に基づいて行うようにしたことを特徴とする請求項２に記載のＤ級増幅器。
5. 前記ＰＷＭ信号生成手段が、前記周波数変調手段の出力に基づいて鋸歯状波を発生する鋸歯状波発生手段と、前記アナログ音声信号と前記鋸歯状波発生手段の出力に基づいてＰＷＭ信号を生成する比較手段により構成されたことを特徴とする請求項１に記載のＤ級増幅器。
6. 前記鋸歯状波発生手段が、前記周波数変調手段の出力を鋸歯状波に変換する積分手段と、前記積分手段の出力の振幅を前記音声帯域外信号に基づいて補正する振幅補正手段により構成されたことを特徴とする請求項第５項記載のＤ級増幅器。
7. 前記鋸歯状波発生手段が、少なくとも１周期分の鋸歯状波を表現する数値パターンを記憶したメモリ手段と、前記メモリ手段の出力を平滑する平滑手段とにより構成され、前記メモリ手段の読み出し動作を周波数変調手段の出力に基づいて行うようにしたことを特徴とする請求項第５項記載のＤ級増幅器。
   
   

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