JP2006262104A - D level amplifier - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To input an input signal whose level changes in positive and negative polarities around an OV without being restricted up to a supply voltage and to make an output almost OV at inputting nothing. <P>SOLUTION: A D level amplifier operated by a single power supply has a differential integrator and a PWM modulator. The differential integrator integrates a difference between a plus side input signal and a minus side input signal which make analog input signals. The PWM modulator outputs a pulse train signal with a pulse width according to the signal level in the positive term of the analog input signals from a first output terminal and outputs the pulse train signal with the pulse width according to the signal level in the negative term of the analog input signals from a second output terminal, based on the output of the differential integrator. The D level amplifier has a protection circuit to restrict an excessive input voltage. The differential integrator includes an operational amplifier where a voltage level of the analog input signals having the positive and negative polarities around the OV can operate near the OV. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、D級増幅器に関する。   The present invention relates to a class D amplifier.

D級増幅器は、入力信号をパルス幅変調などして電力増幅するものであり、例えばオーディオ信号の電力増幅に用いられている。従来のD級増幅器としては、アナログ入力信号を積分する積分器と、積分器の出力と所定の三角波とを比較する比較器(コンパレータ)と、比較器の出力を増幅してパルス信号を出力するバッファ(パルス増幅器)とを備えるものがある。また、その従来のD級増幅器のバッファ出力は、積分器の入力側にフィードバックされる。そして、かかるバッファ出力は、コイル及びコンデンサなどからなるローパスフィルタを通ってスピーカなどの負荷を駆動するアナログ信号となる。
特公昭56−27001号公報
The class D amplifier amplifies power by subjecting an input signal to pulse width modulation, and is used for power amplification of an audio signal, for example. As a conventional class D amplifier, an integrator for integrating an analog input signal, a comparator (comparator) for comparing the output of the integrator with a predetermined triangular wave, and amplifying the output of the comparator to output a pulse signal Some have a buffer (pulse amplifier). The buffer output of the conventional class D amplifier is fed back to the input side of the integrator. The buffer output is an analog signal that drives a load such as a speaker through a low-pass filter including a coil and a capacitor.
Japanese Patent Publication No.56-27001

また、単一電源で動作するD級増幅器が提案されている。このD級増幅器の構成を図6に示す。同図において、D級増幅器70は、異常電圧が入力された際に内部回路を保護する保護回路を形成するダイオードD1、D2、抵抗R1、R3と、差動積分器を構成する積分用コンデンサC1、C2、抵抗R2、R4及び差動オペアンプ500と、PWM変調器501とを有している。   A class D amplifier operating with a single power supply has been proposed. The configuration of this class D amplifier is shown in FIG. In the figure, a class D amplifier 70 includes diodes D1 and D2, resistors R1 and R3 that form a protection circuit that protects an internal circuit when an abnormal voltage is input, and an integration capacitor C1 that forms a differential integrator. , C2, resistors R2 and R4, a differential operational amplifier 500, and a PWM modulator 501.

D級増幅器70のプラス側入力端+INは、コンデンサC10、端子110を介してアナログ信号を出力する信号源100に接続されている。
また、D級増幅器70のマイナス側入力端−INは、コンデンサC11、端子111を介して信号源100から出力されるアナログ信号を反転したアナログ信号を出力する信号源101に接続されている。抵抗R10、R11は入力抵抗である。
The plus side input terminal + IN of the class D amplifier 70 is connected to a signal source 100 that outputs an analog signal via a capacitor C10 and a terminal 110.
The negative side input terminal -IN of the class D amplifier 70 is connected to the signal source 101 that outputs an analog signal obtained by inverting the analog signal output from the signal source 100 via the capacitor C11 and the terminal 111. Resistors R10 and R11 are input resistors.

PWM変調器501のマイナス側出力端−OUTは、インダクタンスL1、コンデンサC3からなるローパスフィルタを介してスピーカ等の負荷200の一端に接続され、PWM変調器501のプラス側出力端+OUTは、インダクタンスL2、コンデンサC4からなるローパスフィルタを介して負荷200の他端に接続されている。また、VDDは電源電圧、VSSは接地電位である。   The negative output end -OUT of the PWM modulator 501 is connected to one end of a load 200 such as a speaker via a low pass filter including an inductance L1 and a capacitor C3, and the positive output end + OUT of the PWM modulator 501 is connected to an inductance L2 The other end of the load 200 is connected through a low-pass filter composed of a capacitor C4. VDD is a power supply voltage, and VSS is a ground potential.

上記構成からなるD級増幅器を駆動する方法としては、(1)単一電源であるので、入力信号をVDD/2を中心(基準)にした信号とし、出力信号はデューティ50%で入力信号レベルに応じたパルス幅のパルス信号(PWM信号)を出力する、(2)図6において、コンデンサC10、C11を付けないで、入力は0Vを中心に±0.3Vまでのレベルの信号とし、出力はデューティ50%で入力信号レベルに応じたパルス幅のパルス信号(PWM信号)を出力する、(3)入力信号をVDD/2を中心(基準)にした信号とし、出力信号は0Vからマイナス側出力端−OUT、プラス側出力端+OUTから片方ずつPWM信号を出力する、等がある。   As a method of driving the class D amplifier having the above configuration, (1) since it is a single power supply, the input signal is a signal centered on VDD / 2 (reference), and the output signal has an input signal level with a duty of 50%. (2) In FIG. 6, without the capacitors C10 and C11, the input is a signal having a level up to ± 0.3V centered on 0V and output. Outputs a pulse signal (PWM signal) with a duty cycle of 50% and a pulse width corresponding to the input signal level. (3) The input signal is centered on VDD / 2 (reference), and the output signal is negative from 0V. For example, a PWM signal is output one by one from the output terminal -OUT and the positive output terminal + OUT.

上述した(1)と(3)の駆動方法では、図6で示したように入力側に直流分をカットするコンデンサ(C10、C11)が必要となるという問題が有る。
また、(2)の駆動方法では、入力信号レベルが制限されてしまうという問題が有る。
また、(1)と(2)の駆動方法では、入力信号がなくても負荷がVDD/2にバイアスされてしまうという問題が有る。
In the driving methods (1) and (3) described above, there is a problem that capacitors (C10, C11) for cutting the DC component are required on the input side as shown in FIG.
In addition, the driving method (2) has a problem that the input signal level is limited.
In addition, the driving methods (1) and (2) have a problem that the load is biased to VDD / 2 even if there is no input signal.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単一電源で動作し、かつ入力コンデンサを設けることなく、0Vを中心に正負の極性でレベルが変化する入力信号が電源電圧まで制限されることなく入力することができ、無入力時に出力をほぼ0VとすることができるD級増幅器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an input signal that operates with a single power source and has a positive / negative polarity centered on 0 V is provided up to a power supply voltage without providing an input capacitor. An object of the present invention is to provide a class D amplifier that can be input without being limited and can output substantially 0 V when there is no input.

上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、正負の極性で変化するアナログ入力信号をなすプラス側入力信号とマイナス側入力信号との差分を積分する差動積分器と、前記差動積分器の出力に基づいて前記アナログ入力信号の正の期間における信号レベルに応じたパルス幅のパルス列信号を第1の出力端子から出力し、かつ前記アナログ信号の負の期間における信号レベルに応じたパルス幅のパルス列信号を第2の出力端子から出力するPWM変調器とを有する単一電源で動作するD級増幅器であって、正負方向の過大入力電圧を制限する保護回路を有し、前記差動積分器は、0Vを中心とした正負の極性を有するアナログ入力信号の電圧レベルが0V付近で動作可能な演算増幅器を含んで構成されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that a differential integrator that integrates a difference between a positive side input signal and a negative side input signal forming an analog input signal that changes in positive and negative polarities, and the difference Based on the output of the dynamic integrator, a pulse train signal having a pulse width corresponding to the signal level in the positive period of the analog input signal is output from the first output terminal, and in accordance with the signal level in the negative period of the analog signal A class D amplifier that operates with a single power supply having a PWM modulator that outputs a pulse train signal having a pulse width from the second output terminal, and includes a protection circuit that limits an excessive input voltage in the positive and negative directions, The differential integrator includes an operational amplifier that can operate when the voltage level of an analog input signal having positive and negative polarities centered on 0V is near 0V.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のD級増幅器において、前記演算増幅器は、MOSトランジスタで構成され、入力段の差動増幅器を構成する2つのMOSトランジスタをPMOSトランジスタで構成し、かつそのドレイン電位を該PMOSトランジスタが動作可能な0V付近の電位に固定したことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the class D amplifier according to the first aspect, the operational amplifier is composed of a MOS transistor, and the two MOS transistors constituting the differential amplifier in the input stage are composed of PMOS transistors. The drain potential is fixed to a potential in the vicinity of 0 V at which the PMOS transistor can operate.

以上説明したように、本発明によれば、正負の極性で変化するアナログ入力信号をなすプラス側入力信号とマイナス側入力信号との差分を積分する差動積分器と、前記差動積分器の出力に基づいて前記アナログ入力信号の正の期間における信号レベルに応じたパルス幅のパルス列信号を第1の出力端子から出力し、かつ前記アナログ信号の負の期間における信号レベルに応じたパルス幅のパルス列信号を第2の出力端子から出力するPWM変調器とを有する単一電源で動作するD級増幅器において、正負方向の過大入力電圧を制限する保護回路を設け、前記差動積分器を、0Vを中心とした正負の極性を有するアナログ入力信号の電圧レベルが0V付近で動作可能な演算増幅器を含んで構成するようにしたので、単一電源で動作し、かつ入力コンデンサを設けることなく、0Vを中心に正負の極性でレベルが変化する入力信号を電源電圧まで制限されることなく入力することができ、無入力時に出力をほぼ0VとすることができるD級増幅器を実現することができる。   As described above, according to the present invention, the differential integrator that integrates the difference between the positive side input signal and the negative side input signal that form an analog input signal that changes in positive and negative polarities, Based on the output, a pulse train signal having a pulse width corresponding to the signal level in the positive period of the analog input signal is output from the first output terminal, and having a pulse width corresponding to the signal level in the negative period of the analog signal In a class D amplifier operating with a single power supply having a PWM modulator that outputs a pulse train signal from a second output terminal, a protection circuit for limiting an excessive input voltage in the positive and negative directions is provided, and the differential integrator is set to 0 V Since it is configured to include an operational amplifier that can operate at a voltage level of an analog input signal having positive and negative polarities centered on 0V near 0V, it operates with a single power source and inputs Class D amplifier that can input an input signal whose level changes with positive and negative polarity around 0V without being limited to the power supply voltage without providing a capacitor, and can set the output to almost 0 V when there is no input. Can be realized.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係るD級増幅器の構成を図1に示す。本発明の実施形態に係るD級増幅器が、図6に示したD級増幅器と構成上、異なるのは、正負方向の過大入力電圧を制限する保護回路を設け、差動積分器に、0Vを中心とした正負の極性を有するアナログ入力信号の電圧レベルが0V付近で動作可能な演算増幅器を用いて構成するようにした点であり、他の構成は同様である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a class D amplifier according to an embodiment of the present invention. The class D amplifier according to the embodiment of the present invention is different in configuration from the class D amplifier shown in FIG. 6 in that a protection circuit for limiting an excessive input voltage in the positive and negative directions is provided, and 0 V is applied to the differential integrator. The configuration is such that it is configured using an operational amplifier that can operate when the voltage level of an analog input signal having positive and negative polarities at the center is near 0 V, and the other configurations are the same.

図1において、本発明の実施形態に係るD級増幅器1は、アノード同士が接続されたダイオードD3、D4の直列回路がプラス側入力端子+INと接地電位VSS間に接続され、かつアノード同士が接続されたダイオードD5、D6の直列回路がマイナス側入力端子−INと接地電位VSS間に接続されてなる保護回路を有している。この保護回路は、正負方向の過大入力電圧をプラス側入力端子+INでは、正電圧においてはダイオードD3のブレークダウン電圧と負電圧についてはダイオードD4のブレークダウン電圧、マイナス側入力端子−INでは、正電圧においては、ダイオードD5のブレークダウン電圧と負電圧についてはダイオードD6のブレークダウン電圧の範囲で制限する保護回路として機能する。それぞれの入力端子は正負の入力が可能である。   In FIG. 1, the class D amplifier 1 according to the embodiment of the present invention includes a series circuit of diodes D3 and D4 having anodes connected to each other, connected between a positive input terminal + IN and a ground potential VSS, and anodes connected to each other. A series circuit of the diodes D5 and D6 is provided with a protection circuit connected between the negative input terminal -IN and the ground potential VSS. This protection circuit has an excessive input voltage in the positive / negative direction at the positive input terminal + IN, the positive voltage is the breakdown voltage of the diode D3 and the negative voltage is the breakdown voltage of the diode D4, and the negative input terminal -IN is positive. In terms of voltage, it functions as a protection circuit that limits the breakdown voltage and negative voltage of the diode D5 within the range of the breakdown voltage of the diode D6. Each input terminal can accept positive and negative inputs.

また、D級増幅器1は、異常電圧が入力された際に内部回路を保護する保護回路を形成するダイオードD1、D2、抵抗R1、R3と、差動積分器を構成する積分用コンデンサC1、C2、抵抗R2、R4及び差動オペアンプ10と、PWM変調器11とを有している。この差動オペアンプ10は、0Vを中心とした正負の極性を有するアナログ入力信号の電圧レベルが0V付近で動作可能な演算増幅器である。この差動オペアンプ10の入力は、ダイオードD1、D2により、負電圧は各ダイオードの飽和電圧に制限されている。
この差動オペアンプ10の具体的構成については後述する。
D級増幅器1のプラス側入力端+INは、アナログ信号を出力する信号源100に接続されており、D級増幅器1のマイナス側入力端−INは、信号源100から出力されるアナログ信号を反転したアナログ信号を出力する信号源101に接続されている。
The class D amplifier 1 includes diodes D1 and D2, resistors R1 and R3 that form a protection circuit that protects an internal circuit when an abnormal voltage is input, and integration capacitors C1 and C2 that form a differential integrator. , Resistors R 2 and R 4, a differential operational amplifier 10, and a PWM modulator 11. The differential operational amplifier 10 is an operational amplifier that can operate when the voltage level of an analog input signal having positive and negative polarities centered on 0V is around 0V. The input of the differential operational amplifier 10 is limited to the saturation voltage of each diode by the diodes D1 and D2.
A specific configuration of the differential operational amplifier 10 will be described later.
The positive side input terminal + IN of the class D amplifier 1 is connected to a signal source 100 that outputs an analog signal, and the negative side input terminal −IN of the class D amplifier 1 inverts an analog signal output from the signal source 100. Is connected to a signal source 101 that outputs the analog signal.

PWM変調器11のマイナス側出力端−OUTは、インダクタンスL1、コンデンサC3からなるローパスフィルタを介してスピーカ等の負荷4の一端に接続され、PWM変調器11のプラス側出力端+OUTは、インダクタンスL2、コンデンサC4からなるローパスフィルタを介して負荷4の他端に接続されている。また、VDDは電源電圧、VSSは接地電位である。   The negative output end -OUT of the PWM modulator 11 is connected to one end of a load 4 such as a speaker via a low pass filter including an inductance L1 and a capacitor C3. The positive output end + OUT of the PWM modulator 11 is connected to an inductance L2 The other end of the load 4 is connected through a low-pass filter composed of a capacitor C4. VDD is a power supply voltage, and VSS is a ground potential.

次に、図1に示したD級増幅器1をMOSトランジスタで構成した場合における保護回路の構成例を図2に示す。同図において、ダイオード接続されたPMOSトランジスタM1、NMOSトランジスタM2のドレインは共通接続されており、このダイオード接続されたPMOSトランジスタM1のソースは入力端子20(プラス側入力端+INに相当する。)に接続され、NMOSトランジスタM2のソースは接地されている。図1における正負方向の過大入力電圧を制限する保護回路を構成するダイオードD3、D4の直列回路は、ダイオード接続されたPMOSトランジスタM1、NMOSトランジスタM2のドレインを共通接続した直列回路に相当する。   Next, FIG. 2 shows a configuration example of a protection circuit in the case where the class D amplifier 1 shown in FIG. In the figure, the drains of the diode-connected PMOS transistor M1 and NMOS transistor M2 are connected in common, and the source of the diode-connected PMOS transistor M1 corresponds to the input terminal 20 (corresponding to the plus-side input terminal + IN). The source of the NMOS transistor M2 is grounded. The series circuit of the diodes D3 and D4 constituting the protection circuit that limits the excessive input voltage in the positive and negative directions in FIG. 1 corresponds to a series circuit in which the drains of the diode-connected PMOS transistor M1 and NMOS transistor M2 are connected in common.

また、一端が入力端子20と接続され抵抗R1の他端にドレインが接続され、ダイオード接続されたNMOSトランジスタM3のソースが接地されている。このNMOSトランジスタM3は図1のダイオードD1に相当する。MP1はD級増幅器の内部回路40内のPMOSトランジスタである。
図2では、図1におけるプラス側入力端+INに接続された保護回路30についてのみ示しているが、マイナス側入力端−INに接続された保護回路についても同様である。
上記ダイオード接続されたPMOSトランジスタM1により正方向の過大電圧がクランプされ、またNMOSトランジスタM2により負方向の過大電圧がクランプされることにより、過大入力電圧がトランジスタの耐圧(ブレークダウン電圧)で制限される。
One end is connected to the input terminal 20, the other end of the resistor R1 is connected to the drain, and the source of the diode-connected NMOS transistor M3 is grounded. The NMOS transistor M3 corresponds to the diode D1 in FIG. MP1 is a PMOS transistor in the internal circuit 40 of the class D amplifier.
FIG. 2 shows only the protection circuit 30 connected to the plus-side input terminal + IN in FIG. 1, but the same applies to the protection circuit connected to the minus-side input terminal −IN.
The excessive voltage in the positive direction is clamped by the diode-connected PMOS transistor M1, and the excessive voltage in the negative direction is clamped by the NMOS transistor M2, so that the excessive input voltage is limited by the breakdown voltage (breakdown voltage) of the transistor. The

上記構成からなる本発明の実施形態に係るD級増幅器1の動作を図4、5を参照して説明する。上記構成において、D級増幅器50のプラス側入力端+INには、信号源100よりアナログ信号(本実施形態ではオーディオ信号)(図4(a))が入力され、マイナス側入力端−INには信号源101より出力される、信号源100より出力されるアナログ信号を反転した信号(図4(b))が入力される。   The operation of the class D amplifier 1 having the above-described configuration according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the above configuration, an analog signal (audio signal in the present embodiment) (FIG. 4A) is input from the signal source 100 to the positive side input terminal + IN of the class D amplifier 50, and to the negative side input terminal -IN. A signal (FIG. 4B) obtained by inverting the analog signal output from the signal source 100 and output from the signal source 101 is input.

ダイオードD3、D4からなる保護回路により過大入力電圧は制限されるが、通常の信号レベルでは、プラス側入力端+IN、マイナス側入力端−INから入力されたアナログ信号は、抵抗R1、R3を介して差動積分器に入力される。
差動積分器では、差動オペアンプ10において、プラス側入力端+INより非反転入力端子に入力されたアナログ信号と、マイナス側入力端−INから反転入力端子に入力されたアナログ信号の差分が増幅され、非反転出力端子より図4(a)に示したアナログ入力信号と同相のアナログ信号が出力され、反転出力端子より図4(b)に示したアナログ入力信号が出力される。差動オペアンプ10の各入力端子は仮想接地点となり、ほぼ0Vであるので、ダイオードD3、D4により電圧制限されていても動作可能である。これらの出力信号は、PWM変調器11に入力される。
Although the excessive input voltage is limited by the protection circuit composed of the diodes D3 and D4, an analog signal input from the plus side input terminal + IN and the minus side input terminal −IN is passed through the resistors R1 and R3 at a normal signal level. Is input to the differential integrator.
In the differential integrator, the differential operational amplifier 10 amplifies the difference between the analog signal input to the non-inverting input terminal from the positive input terminal + IN and the analog signal input to the inverting input terminal from the negative input terminal -IN. Then, an analog signal having the same phase as the analog input signal shown in FIG. 4A is output from the non-inverting output terminal, and the analog input signal shown in FIG. 4B is output from the inverting output terminal. Since each input terminal of the differential operational amplifier 10 is a virtual ground point and is approximately 0 V, it can operate even if the voltage is limited by the diodes D3 and D4. These output signals are input to the PWM modulator 11.

PWM変調器11では、二つの180度、位相の異なる各入力信号の正の区間において、プラス側出力端+OUT、マイナス側出力端−OUTに交互に信号レベルに応じたパルス幅のパルス信号が出力される(図4(c)、(d))。マイナス側出力端−OUTから出力されるパルス信号は、インダクタンスL1、コンデンサC3からなるローパスフィルタによりアナログ信号に変換され、負荷4の一端に印加される。   In the PWM modulator 11, pulse signals having a pulse width corresponding to the signal level are alternately output to the plus side output terminal + OUT and the minus side output terminal −OUT in the positive section of each input signal having two 180 degrees and different phases. (FIGS. 4C and 4D). The pulse signal output from the minus-side output terminal -OUT is converted into an analog signal by a low-pass filter including an inductance L1 and a capacitor C3 and applied to one end of the load 4.

またプラス側出力端+OUTから出力されるパルス信号は、インダクタンスL2、コンデンサC4からなるローパスフィルタによりアナログ信号に変換され、負荷4の他端に印加される。この結果、負荷4の両端には、D級増幅器1の入力信号である信号源100からD級増幅器1のプラス側入力端+INに入力される正弦波信号を増幅した出力信号が印加される。   The pulse signal output from the plus output terminal + OUT is converted into an analog signal by a low-pass filter including an inductance L2 and a capacitor C4 and applied to the other end of the load 4. As a result, an output signal obtained by amplifying a sine wave signal input from the signal source 100 which is an input signal of the class D amplifier 1 to the plus side input terminal + IN of the class D amplifier 1 is applied to both ends of the load 4.

一方、プラス側入力端+IN、マイナス側入力端−INに信号が入力されていない状態(図5(a),(b))では、PWM変調器11内のコンパレータで三角波と差動積分器出力との比較タイミングで、プラス側出力端+OUTと、マイナス側入力端−INとから交互にパルス幅の狭いパルスが交互に出力される(図5(c)、(d))。このパルス出力は、インダクタンスL1、コンデンサC3からなるローパスフィルタ、インダクタンスL2、コンデンサC4からなるローパスフィルタにより除去され、負荷4には信号がほとんど、出力されない。   On the other hand, in the state where no signal is input to the plus side input terminal + IN and the minus side input terminal -IN (FIGS. 5A and 5B), the comparator in the PWM modulator 11 outputs the triangular wave and the differential integrator. With the comparison timing, pulses having a narrow pulse width are alternately output from the plus-side output terminal + OUT and the minus-side input terminal −IN (FIGS. 5C and 5D). This pulse output is removed by a low-pass filter consisting of an inductance L1 and a capacitor C3, and a low-pass filter consisting of an inductance L2 and a capacitor C4, and almost no signal is output to the load 4.

図1の回路図では、PWM変調器11の具体的構成を示していないが、PWM変調器11の具体的構成を含む図1のD級増幅器の構成を図7に示す。
図7において、本D級増幅器は、抵抗R1,R2,R3,R4と、コンデンサC1,C2,C100と、オペアンプ(演算増幅器)10と、コンパレータ112,113と、インバータ121,122と、AND回路131,132と、電流源140で構成されている。ここで、コンデンサC100及び電流源140は、三角波発生回路を構成しており、三角波をコンパレータ112,113のマイナス側入力端に出力している。コンパレータ112,113と、インバータ121,122と、AND回路131,132と、電流源140及びコンデンサC100は、図1におけるPWM変調器11を構成している。
Although the specific configuration of the PWM modulator 11 is not shown in the circuit diagram of FIG. 1, the configuration of the class D amplifier of FIG. 1 including the specific configuration of the PWM modulator 11 is shown in FIG.
In FIG. 7, the class D amplifier includes resistors R1, R2, R3, and R4, capacitors C1, C2, and C100, an operational amplifier (operational amplifier) 10, comparators 112 and 113, inverters 121 and 122, and an AND circuit. 131 and 132 and a current source 140. Here, the capacitor C100 and the current source 140 constitute a triangular wave generation circuit, and output the triangular wave to the negative side input terminals of the comparators 112 and 113. The comparators 112 and 113, the inverters 121 and 122, the AND circuits 131 and 132, the current source 140 and the capacitor C100 constitute the PWM modulator 11 in FIG.

抵抗R1,R3の一端は、それぞれアナログ入力信号の差動入力端となっている。そして、抵抗R1の一端がプラス側入力端(+IN)となり、抵抗R3の一端がマイナス側入力端(−IN)となっている。オペアンプ10とコンデンサC1,C2とは、差動積分器を構成している。抵抗R1,R3で差動入力されたアナログ入力信号は、その差動積分器によって積分され、コンパレータ112,113に出力される。   One end of each of the resistors R1 and R3 is a differential input terminal for an analog input signal. One end of the resistor R1 is a plus side input end (+ IN), and one end of the resistor R3 is a minus side input end (−IN). The operational amplifier 10 and the capacitors C1 and C2 constitute a differential integrator. The analog input signal differentially input by the resistors R1 and R3 is integrated by the differential integrator and output to the comparators 112 and 113.

オペアンプ10のマイナス側出力は、コンパレータ112(第1コンパレータ)のプラス側入力端に接続されている。オペアンプ11のプラス側出力は、コンパレータ113(第2コンパレータ)のプラス側入力端に接続されている。コンパレータ112,113のマイナス側入力端は、ともにコンデンサ(容量)C100の一端に接続されている。そのコンデンサC100の一端には、電流源140の一端が接続されている。コンデンサC100の他端はアースに接続されており、電流源140の他端もアースに接続されている。これらにより、コンパレータ112は、オペアンプ11のマイナス側出力と三角波発生回路の出力とを比較して、その比較結果を出力する。
コンパレータ113は、オペアンプ10のプラス側出力と三角波発生回路の出力とを比較して、その比較結果を出力する。
The negative output of the operational amplifier 10 is connected to the positive input terminal of the comparator 112 (first comparator). The plus output of the operational amplifier 11 is connected to the plus input terminal of the comparator 113 (second comparator). The negative side input ends of the comparators 112 and 113 are both connected to one end of a capacitor (capacitance) C100. One end of the current source 140 is connected to one end of the capacitor C100. The other end of the capacitor C100 is connected to the ground, and the other end of the current source 140 is also connected to the ground. Thus, the comparator 112 compares the negative output of the operational amplifier 11 with the output of the triangular wave generation circuit, and outputs the comparison result.
The comparator 113 compares the plus side output of the operational amplifier 10 with the output of the triangular wave generation circuit and outputs the comparison result.

コンパレータ112の出力は、インバータ121の入力端及びAND回路132(第2バッファ)の一方の入力端に接続されている。コンパレータ113の出力は、インバータ122の入力端及びAND回路131(第1バッファ)の一方の入力端に接続されている。インバータ121の出力は、AND回路131の他方の入力端に接続されている。インバータ122の出力は、AND回路132の他方の入力端に接続されている。これらにより、AND回路131は、コンパレータ112の出力を反転した信号とコンパレータ113の出力との論理積演算を行い、その演算結果を出力する。
AND回路132は、コンパレータ113の出力を反転した信号とコンパレータ112の出力との論理積演算を行い、その演算結果を出力する。
The output of the comparator 112 is connected to the input terminal of the inverter 121 and one input terminal of the AND circuit 132 (second buffer). The output of the comparator 113 is connected to the input terminal of the inverter 122 and one input terminal of the AND circuit 131 (first buffer). The output of the inverter 121 is connected to the other input terminal of the AND circuit 131. The output of the inverter 122 is connected to the other input terminal of the AND circuit 132. Thus, the AND circuit 131 performs a logical product operation on the signal obtained by inverting the output of the comparator 112 and the output of the comparator 113, and outputs the operation result.
The AND circuit 132 performs an AND operation on the signal obtained by inverting the output of the comparator 113 and the output of the comparator 112, and outputs the operation result.

AND回路131の出力は、本D級増幅器のプラス側出力+OUTとなる。このプラス側出力+OUTは、抵抗R4によりオペアンプのマイナス側入力にフィードバックされる。
AND回路132の出力は、本D級増幅器のマイナス側出力−OUTとなる。このマイナス側出力−OUTは、抵抗R2によりオペアンプのプラス側入力にフィードバックされる。
The output of the AND circuit 131 becomes the positive output + OUT of the class D amplifier. This positive output + OUT is fed back to the negative input of the operational amplifier by the resistor R4.
The output of the AND circuit 132 becomes the negative output -OUT of the class D amplifier. This negative output -OUT is fed back to the positive input of the operational amplifier by the resistor R2.

上述したように、本発明の実施形態に係るD級増幅器によれば、単一電源で動作し、かつ入力コンデンサを設けることなく、0Vを中心に正負の極性でレベルが変化する入力信号を電源電圧のレベルまで制限されることなく入力することができ、無入力時に出力をほぼ0Vとすることができる。   As described above, according to the class D amplifier according to the embodiment of the present invention, an input signal that operates with a single power supply and that changes in level with positive and negative polarities centering on 0 V is provided without providing an input capacitor. The input can be performed without being limited to the voltage level, and the output can be set to almost 0 V when there is no input.

次に、図1における差動積分器を構成する差動オペアンプ10の構成を図3に示す。同図において、PMOSトランジスタMP1、MP2は、入力段の差動増幅回路を構成しており、PMOSトランジスタMP1のゲートは非反転入力端子INPに、PMOSトランジスタMP2のゲートは反転入力端子INNに接続されている。
NMOSトランジスタMN1、MN2、MN7は、入力段の差動増幅回路を構成するPMOSトランジスタMP1、MP2の動作点を設定する回路として機能する。
Next, FIG. 3 shows a configuration of the differential operational amplifier 10 constituting the differential integrator in FIG. In the figure, PMOS transistors MP1 and MP2 constitute an input stage differential amplifier circuit. The gate of the PMOS transistor MP1 is connected to the non-inverting input terminal INP and the gate of the PMOS transistor MP2 is connected to the inverting input terminal INN. ing.
The NMOS transistors MN1, MN2, and MN7 function as a circuit that sets operating points of the PMOS transistors MP1 and MP2 constituting the differential amplifier circuit in the input stage.

また、PMOSトランジスタMP3、MP4は定電流源を構成し、PMOSトランジスタMP1、MP2に定電流を供給する。
NMOSトランジスタMN3、NM4、NM9は、入力段の差動増幅回路を構成するPMOSトランジスタMP1、MP2のドレイン電位を決定する機能を有している。
NMOSトランジスタMN5、MN6は、出力段の増幅回路を構成しており、NMOSトランジスタMN5、MN6のドレインは、それぞれ非反転出力端子OP、反転出力端子ONに接続されている。
The PMOS transistors MP3 and MP4 constitute a constant current source, and supply a constant current to the PMOS transistors MP1 and MP2.
The NMOS transistors MN3, NM4, and NM9 have a function of determining the drain potentials of the PMOS transistors MP1 and MP2 constituting the input stage differential amplifier circuit.
The NMOS transistors MN5 and MN6 constitute an amplifier circuit in the output stage, and the drains of the NMOS transistors MN5 and MN6 are connected to the non-inverting output terminal OP and the inverting output terminal ON, respectively.

また、PMOSトランジスタMP3、MP4と同様に、PMOSトランジスタMP5、MP7、PMOSトランジスタMP6、MP8、PMOSトランジスタMP9、MP11、PMOSトランジスタMP10、MP12、PMOSトランジスタMP15、MP16、PMOSトランジスタMP19、MP20はそれぞれ、定電流源を構成している。
50は、各電流源の出力電流を設定する電流設定回路であり、電流設定回路50は、NMOSトランジスタMN10、MN11、MN12、MN17、MN18から構成されている。ここで、NMOSトランジスタMN12のドレインには基準電流Irefが供給されるようになっている。
Similarly to the PMOS transistors MP3 and MP4, the PMOS transistors MP5 and MP7, the PMOS transistors MP6 and MP8, the PMOS transistors MP9 and MP11, the PMOS transistors MP10 and MP12, the PMOS transistors MP15 and MP16, and the PMOS transistors MP19 and MP20 are respectively constant. It constitutes a current source.
Reference numeral 50 denotes a current setting circuit that sets the output current of each current source. The current setting circuit 50 includes NMOS transistors MN10, MN11, MN12, MN17, and MN18. Here, the reference current Iref is supplied to the drain of the NMOS transistor MN12.

また、60は、非反転出力端子OP、反転出力端子ONから出力される差動出力のバランスをとるための増幅回路であり、PMOSトランジスタMP13,14,15,16、NMOSトランジスタMN8から構成されている。PMOSトランジスタMP14のゲートには基準電圧Vrefが入力されるようになっている。   Reference numeral 60 denotes an amplifier circuit for balancing the differential outputs output from the non-inverting output terminal OP and the inverting output terminal ON, and is composed of PMOS transistors MP13, 14, 15, 16 and an NMOS transistor MN8. Yes. A reference voltage Vref is input to the gate of the PMOS transistor MP14.

また、PMOSトランジスタMP13のゲートと、非反転出力端子OP、反転出力端子ONとの間に波形整形用のコンデンサC3、抵抗R3からなる並列回路、コンデンサC4、抵抗R4からなる並列回路が、それぞれ、接続されている。
NMOSトランジスタMN3のドレインと非反転出力端子OPとの間にはコンデンサC1、抵抗R1の直列回路が、また、NMOSトランジスタMN4のドレインと反転出力端子ONとの間にはコンデンサC1、抵抗R1の直列回路がそれぞれ、接続されている。これらの直列回路は、位相補償用のCR回路である。
In addition, a parallel circuit composed of a capacitor C3 for waveform shaping and a resistor R3, and a parallel circuit composed of a capacitor C4 and a resistor R4 between the gate of the PMOS transistor MP13 and the non-inverting output terminal OP and the inverting output terminal ON, respectively, It is connected.
A series circuit of a capacitor C1 and a resistor R1 is connected between the drain of the NMOS transistor MN3 and the non-inverting output terminal OP, and a capacitor C1 and a resistor R1 are connected in series between the drain of the NMOS transistor MN4 and the inverting output terminal ON. Each circuit is connected. These series circuits are CR circuits for phase compensation.

上記構成において、電流設定回路50のNMOSトランジスタMN12のドレインに基準電流1refが流れ込むことにより、NMOSトランジスタMN12とカレントミラー回路を構成するNMOSトランジスタMN10、11にはこれらのトランジスタ比に応じた比率の電流が流れる。この結果、PMOSトランジスタMP17、18を介して各電流源の電流値が設定される。この結果、各MOSトランジスタのバイアス点が固定される。   In the above configuration, when the reference current 1ref flows into the drain of the NMOS transistor MN12 of the current setting circuit 50, the NMOS transistors MN10 and 11 constituting the current mirror circuit with the NMOS transistor MN12 have a current corresponding to the ratio of these transistors. Flows. As a result, the current value of each current source is set via the PMOS transistors MP17 and MP18. As a result, the bias point of each MOS transistor is fixed.

NMOSトランジスタMN9によりNMOSトランジスタMN3、MN4のゲート電位が固定されると、NMOSトランジスタMN3、MN4のドレイン電位が同レベルの電位に設定され、入力段の差動増幅回路を構成するPMOSトランジスタMP1、MP2のドレイン電位も、NMOSトランジスタMN3、MN4のドレイン電位と同レベルに設定される。NMOSトランジスタMN3、MN4のドレイン電位は、例えば、約0.2〜0.3Vに設定される。このドレイン電位は、NMOSトランジスタMN3、MN4のゲートに入力されるアナログ電圧が0V付近、具体的には0V〜−0.1Vの範囲の入力電圧で動作可能なバイアス電位である。   When the gate potentials of the NMOS transistors MN3 and MN4 are fixed by the NMOS transistor MN9, the drain potentials of the NMOS transistors MN3 and MN4 are set to the same level potential, and the PMOS transistors MP1 and MP2 constituting the differential amplifier circuit of the input stage Is also set to the same level as the drain potentials of the NMOS transistors MN3 and MN4. The drain potentials of the NMOS transistors MN3 and MN4 are set to about 0.2 to 0.3V, for example. This drain potential is a bias potential at which the analog voltage input to the gates of the NMOS transistors MN3 and MN4 can operate with an input voltage in the vicinity of 0V, specifically in the range of 0V to -0.1V.

したがって、非反転入力端子INP、反転入力端子INNに0Vが入力されている状態でも、非反転出力端子OP、反転出力端子ONからは、基準電圧Vref付近の電圧が出力される。   Therefore, even when 0 V is input to the non-inverting input terminal INP and the inverting input terminal INN, a voltage near the reference voltage Vref is output from the non-inverting output terminal OP and the inverting output terminal ON.

本発明の実施形態に係るD級増幅器の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the class D amplifier which concerns on embodiment of this invention. 図1に示した本発明の実施形態に係るD級増幅器における保護回路をMOSトランジスタで構成した場合の構成例を示す回路図。The circuit diagram which shows the structural example at the time of comprising the protection circuit in the class D amplifier which concerns on embodiment of this invention shown in FIG. 1 with the MOS transistor. 図1に示した本発明の実施形態に係るD級増幅器における差動積分器を構成する差動オペアンプの具体的構成を示す回路図。FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific configuration of a differential operational amplifier constituting a differential integrator in the class D amplifier according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1. 図1に示した本発明の実施形態に係るD級増幅器に信号入力時の動作を示す波形図。The wave form diagram which shows the operation | movement at the time of signal input to the class D amplifier which concerns on embodiment of this invention shown in FIG. 図1に示した本発明の実施形態に係るD級増幅器に信号無入力時の動作を示す波形図。The wave form diagram which shows the operation | movement at the time of no signal input to the class D amplifier which concerns on embodiment of this invention shown in FIG. 従来のD級増幅器の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the conventional class D amplifier. 図1に示した本発明の実施形態に係るD級増幅器をPWM変調器の具体的構成を含めて示した回路図。FIG. 2 is a circuit diagram showing a class D amplifier according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 including a specific configuration of a PWM modulator.

符号の説明Explanation of symbols

1、50…D級増幅器、4、200…負荷、10、500…差動オペアンプ、11、501…PWM変調器、30…保護回路、40…内部回路、100、101…信号源   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,50 ... Class D amplifier 4,4200 ... Load 10,500 ... Differential operational amplifier 11,501 ... PWM modulator, 30 ... Protection circuit, 40 ... Internal circuit, 100,101 ... Signal source

Claims (2)

正負の極性で変化するアナログ入力信号をなすプラス側入力信号とマイナス側入力信号との差分を積分する差動積分器と、
前記差動積分器の出力に基づいて前記アナログ入力信号の正の期間における信号レベルに応じたパルス幅のパルス列信号を第1の出力端子から出力し、かつ前記アナログ信号の負の期間における信号レベルに応じたパルス幅のパルス列信号を第2の出力端子から出力するPWM変調器とを有する単一電源で動作するD級増幅器であって、
正負方向の過大入力電圧を制限する保護回路を有し、
前記差動積分器は、0Vを中心とした正負の極性を有するアナログ入力信号の電圧レベルが0V付近で動作可能な演算増幅器を含んで構成されていることを特徴とするD級増幅器。
A differential integrator that integrates the difference between the positive side input signal and the negative side input signal that form an analog input signal that changes in positive and negative polarity;
Based on the output of the differential integrator, a pulse train signal having a pulse width corresponding to the signal level in the positive period of the analog input signal is output from the first output terminal, and the signal level in the negative period of the analog signal A class D amplifier that operates with a single power source having a PWM modulator that outputs a pulse train signal having a pulse width according to the second output terminal,
It has a protection circuit that limits excessive input voltage in the positive and negative directions,
The differential integrator is a class D amplifier comprising an operational amplifier which can operate when the voltage level of an analog input signal having positive and negative polarities centered on 0V is near 0V.
前記演算増幅器は、MOSトランジスタで構成され、入力段の差動増幅器を構成する2つのMOSトランジスタをPMOSトランジスタで構成し、かつそのドレイン電位を該PMOSトランジスタが動作可能な0V付近の電位に固定したことを特徴とする請求項1に記載のD級増幅器。

The operational amplifier is composed of MOS transistors, the two MOS transistors constituting the differential amplifier of the input stage are composed of PMOS transistors, and the drain potential thereof is fixed at a potential around 0 V at which the PMOS transistor can operate. The class D amplifier according to claim 1.

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