JP2006295769A - スイッチング増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく、性能の向上を図ることができるスイッチング増幅器を提供する。
【解決手段】 入力信号SINをデルタシグマ変調して1ビット信号SQを出力するデルタシグマ変調回路3と、1ビット信号SQを遅延する遅延回路11と、スイッチング素子を有し遅延回路11から出力される信号に応じて前記スイッチング素子をスイッチングして遅延回路11から出力される信号をパルス増幅するパルス増幅器6とを備え、遅延回路11の遅延時間が可変することを特徴とするスイッチング増幅器。
【選択図】 図1

Description

本発明は、アナログ信号或いは1ビット信号をデルタシグマ変調して得られる量子化信号をスイッチング制御信号としてパルス増幅するスイッチング増幅器に関するものである。
アナログ信号或いは1ビット信号をデルタシグマ変調して得られる1ビット信号は、当該デルタシグマ変調を行うデルタシグマ変調回路内の積分器や加算器の係数を適宜選択することによって、有効周波数帯域を広くしたり、またはダイナミックレンジを広くしたりするなどの音源等に合わせた周波数特性を設定できるという優れた特徴を有している。このため、CD(コンパクトディスク)やSACD(スーパーオーディオコンパクトディスク)の新しい規格では、音声信号の記録に1ビット信号が採用され製品化されている。1ビット信号は、このような音声信号の記録に用いられるのみならず、電力増幅や機器間の信号伝送にも用いられる。
デルタシグマ変調して得られる1ビット信号を用いた電力増幅を行うスイッチング増幅器は、デルタシグマ変調して得られる1ビット信号をそのまま半導体電力増幅素子の制御端子に入力することで、半導体電力増幅素子の出力に基づく大電圧のスイッチングパルスを得ている。このスイッチングパルスをローパスフィルタに通過させるだけで、電力増幅された復調アナログ信号を得ることもできる。
しかも、前記半導体電力増幅素子は、デルタシグマ変調して得られる1ビット信号によって制御されるため、アナログ増幅器のように線形域(不飽和域)で使用されるのではなく、非線形域(飽和域)で使用される。したがって、デルタシグマ変調して得られる1ビット信号を用いた電力増幅を行うスイッチング増幅器は極めて高効率に電力増幅を行うことができるという利点を有しており製品化されている。
ここで、従来のデルタシグマ変調して得られる1ビット信号を用いた電力増幅を行うスイッチング増幅器(特許文献1を参照)の電気的構成の一例を図7に示す。
図7に示すスイッチング増幅器は、入力端子1と、加算器2と、デルタシグマ変調回路3と、定電圧電源7によって定電圧が印加されるパルス増幅器6と、ローパスフィルタ8と、出力端子9と、減衰器10とによって構成されている。そして、デルタシグマ変調回路3は、入力された信号を順次積分していく縦続接続された複数の積分器及び前記複数の積分器の各出力を加算する加算器を具備する積分器・加算器群4と、積分器・加算器群4内の前記加算器から出力される信号を量子化して1ビット信号に変換する量子化器5とによって構成されている。
入力信号源(不図示)から入力端子1に入力された入力信号(アナログ信号或いは1ビット信号)SINが加算器2に供給される。また、減衰器10から出力される帰還信号SFBも加算器2に供給される。加算器2は、入力信号SINから帰還信号SFBを減算して得られる信号をデルタシグマ変調回路3に供給する。
デルタシグマ変調回路3は、加算器2から供給された信号を1ビット信号SQに変換し、その1ビット信号SQをパルス増幅器6に送出する。パルス増幅器6は、FET等のスイッチング素子(不図示)を有しており、1ビット信号SQに応じて前記スイッチング素子をスイッチングすることによって1ビット信号SQを電力増幅し、その電力増幅した1ビット信号をローパスフィルタ8及び減衰器10に送出する。パルス増幅器6の出力信号は、ローパスフィルタ8によって高周波成分が除去されてアナログ信号である出力信号SOUTとなる。そして、この出力信号SOUTが出力端子9から出力される。また、パルス増幅器6の出力信号は、減衰器10によって減衰されて帰還信号SFBとなる。
特開2000−295049号公報(第7図)
1ビット信号SQを電力増幅するパルス増幅器6では、内蔵しているスイッチング素子のキャパシタ成分や抵抗成分によりスイッチング損失が生じる。このスイッチング損失が図7に示すスイッチング増幅器の電力効率を低下させる。
従って、省エネルギー化の観点から、パルス増幅器6でのスイッチング素子のスイッチング回数を減らしスイッチング損失を低減する方策が採られる場合があり、図7に示すスイッチング増幅器ではデルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を下げることで、パルス増幅器6でのスイッチング素子のスイッチング回数を減らしスイッチング損失を低減していた。
しかしながら、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を下げると、ノイズシェーピングの周波数帯域が狭くなるという問題や、入力信号SINがアナログ音声信号である場合に当該アナログ音声信号を処理する可聴帯域のSN比(信号対ノイズ比)が低減するという問題が生じる。
一方、高ダイナミックレンジ化や残留ノイズの低減化などの観点から、図7に示すスイッチング増幅器において、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を上げて、単位時間当りの情報量を増やす方策が採られる場合がある。
しかしながら、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を上げると、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を上げるためにマスタークロック周波数を高くすることで輻射ノイズが増加し、EMI(電磁妨害)対策の為のコストが増加するという問題が生じる。
本発明は、上記の問題点に鑑み、デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく、性能の向上を図ることができるスイッチング増幅器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係るスイッチング増幅器は、入力信号をデルタシグマ変調して量子化信号を出力するデルタシグマ変調回路と、前記量子化信号を遅延する遅延部と、スイッチング素子を有し前記遅延部から出力される信号に応じて前記スイッチング素子をスイッチングして前記遅延部から出力される信号をパルス増幅するパルス増幅器とを備え、前記遅延部の遅延時間が可変する構成としている。
このような構成によると、前記遅延部の遅延時間を変更することで、前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく前記パルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅を変更することができるので、前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく、性能の向上を図ることができる。なお、前記遅延部は遅延時間を零にすることができる機能を有していても構わない。また、前記遅延部と前記パルス増幅器とが部品として別個に設けられる構成に限定されることはなく、前記遅延部が前記パルス増幅器に含まれる構成であっても構わない。
また、前記遅延部が入力端子と、複数の遅延器と、出力端子とを備えており、前記複数の遅延器はそれぞれ遅延時間が固定されており、前記複数の遅延器が縦列接続されており、前記入力端子、前記複数の遅延器、及び前記出力端子の接続状態を変更することによって前記遅延部の遅延時間が変更するようにしてもよい。これにより、遅延時間を可変する遅延部を簡単な回路構成で実現することができる。
また、上記各構成のスイッチング増幅器において、前記遅延部の遅延時間を制御する遅延時間制御部を備え、前記遅延時間制御部が前記遅延部の遅延時間を制御することによって、前記パルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅が制御され、単位時間当たりの前記パルス増幅器のスイッチング回数が制御されるようにしてもよく、前記遅延部の遅延時間を制御する遅延時間制御部を備え、前記遅延時間制御部が前記遅延部の遅延時間を制御することによって、前記パルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅が制御され、前記スイッチング増幅器が単位時間当たりに出力する情報量が制御されるようにしてもよい。
前者の制御では、前記遅延時間制御部の制御により前記遅延部の遅延時間を大きくすることで、前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく前記パルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅を大きくして、単位時間当たりの前記パルス増幅器のスイッチング回数を少なくすることができるので、前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく電力効率の向上を図ることができる。前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を下げることなく、単位時間当たりの前記パルス増幅器のスイッチング回数を少なくしているので、ノイズシェーピングの周波数帯域が狭くなるという問題や、前記入力信号がアナログ音声信号である場合に当該アナログ音声信号を処理する可聴帯域のSN比(信号対ノイズ比)が低減するという問題が生じない。
後者の制御では、前記遅延時間制御部の制御により前記遅延部の遅延時間を小さくすることで、前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく前記パルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅を小さくして、前記スイッチング増幅器が単位時間当たりに出力する情報量を多くすることができるので、前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく高ダイナミックレンジ化や残留ノイズの低減化などを図ることができる。前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を上げることなく、前記スイッチング増幅器が単位時間当たりに出力する情報量を多くしているので、前記デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を上げるためにマスタークロック周波数を高くすることで輻射ノイズが増加し、EMI(電磁妨害)対策の為のコストが増加するという問題が生じない。さらに、前記入力信号がアナログ音声信号である場合、前記スイッチング増幅器が単位時間当たりに出力する情報量を多くすることによって音の緻密さやナチュラル感を高めることができる。
また、上記各構成のスイッチング増幅器において、前記パルス増幅器の出力信号をアナログ信号に変換する変換部を備えるようにしてもよい。これにより、アナログ出力が可能となる。
また、上記各構成のスイッチング増幅器において、前記パルス増幅器の出力信号に基づく信号を前記デルタシグマ変調回路に帰還する帰還部を備えるようにしてもよい。これにより、パルス増幅器自身の歪率やSN比の改善を図ることができる。
本発明に係るスイッチング増幅器によると、遅延部の遅延時間を変更することで、デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなくパルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅を変更することができるので、デルタシグマ変調回路のサンプリング周波数を変更することなく、性能の向上を図ることができる。
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。本発明に係るスイッチング増幅器の電気的構成の一例を図1に示す。なお、図1において図7と同一の部分には同一の符号を付す。
図1に示すスイッチング増幅器は、デルタシグマ変調して得られる1ビット信号を用いた電力増幅を行うスイッチング増幅器であって、入力端子1と、加算器2と、デルタシグマ変調回路3と、定電圧電源7によって定電圧が印加されるパルス増幅器6と、ローパスフィルタ8と、出力端子9と、減衰器10と、遅延回路11と、遅延時間制御回路12とによって構成されている。そして、デルタシグマ変調回路3は、入力された信号を順次積分していく縦続接続された複数の積分器及び前記複数の積分器の各出力を加算する加算器を具備する積分器・加算器群4と、積分器・加算器群4内の前記加算器から出力される信号を量子化して1ビット信号に変換する量子化器5とによって構成されている。
入力信号源(不図示)から入力端子1に入力された入力信号(アナログ信号或いは1ビット信号)SINが加算器2に供給される。また、減衰器10から出力される帰還信号SFBも加算器2に供給される。加算器2は、入力信号SINから帰還信号SFBを減算して得られる信号をデルタシグマ変調回路3に供給する。
デルタシグマ変調回路3は、加算器2から供給された信号を1ビット信号SQに変換し、その1ビット信号SQを遅延回路11に送出する。遅延回路11は、デルタシグマ変調回路3から送出された1ビット信号SQを遅延時間制御回路12の制御に応じた遅延時間だけ遅延させてパルス増幅器6に出力する。パルス増幅器6は、FET等のスイッチング素子(不図示)を有しており、遅延回路11から出力される1ビット信号に応じて前記スイッチング素子をスイッチングすることによって遅延回路11から出力される1ビット信号を電力増幅し、その電力増幅した1ビット信号をローパスフィルタ8及び減衰器10に送出する。パルス増幅器6の出力信号は、ローパスフィルタ8によって高周波成分が除去されてアナログ信号である出力信号SOUTとなる。そして、この出力信号SOUTが出力端子9から出力される。また、パルス増幅器6の出力信号は、減衰器10によって減衰されて帰還信号SFBとなる。
ここで、遅延回路11の構成例を図2に示す。図2に示す遅延回路は、入力端子INと、遅延器11A〜11Cと、遅延時間制御回路12によって制御されるスイッチ11Dと、出力端子OUTとを備えている。入力端子INが遅延器11Aの入力端及びスイッチ11Dの接点P1に接続され、遅延器11Aの出力端が遅延器11Bの入力端及びスイッチ11Dの接点P2に接続され、遅延器11Bの出力端が遅延器11Cの入力端及びスイッチ11Dの接点P3に接続され、遅延器11Cの出力端がスイッチ11Dの接点P4に接続され、スイッチ11Dの接点P5が出力端子OUTに接続される。遅延器11A〜11Cの遅延時間は、それぞれ50×10-9〜100×10-9秒の範囲内の所定値に固定されている。
遅延時間制御回路12の制御により、スイッチ11Dの接点P1と接点P5が電気的に接続されると、図2に示す遅延回路の遅延時間は零になる。また、遅延時間制御回路12の制御により、スイッチ11Dの接点P2と接点P5が電気的に接続されると、図2に示す遅延回路の遅延時間は遅延器11Aの遅延時間と等しくなる。また、遅延時間制御回路12の制御により、スイッチ11Dの接点P3と接点P5が電気的に接続されると、図2に示す遅延回路の遅延時間は遅延器11Aの遅延時間及び遅延器11Bの遅延時間の合計と等しくなる。また、遅延時間制御回路12の制御により、スイッチ11Dの接点P4と接点P5が電気的に接続されると、図2に示す遅延回路の遅延時間は遅延器11Aの遅延時間、遅延器11Bの遅延時間、及び遅延器11Cの遅延時間の合計と等しくなる。
次に、遅延回路11の遅延時間Tとパルス増幅器6から出力されるパルス信号の最小パルス幅(以下、出力パルス幅という)Wとの関係を図3に示す。図3から明らかなように、遅延回路11の遅延時間Tと出力パルス幅Wとは正の相関を有している。なお、遅延回路11の遅延時間Tと出力パルス幅Wとの関係は、デルタシグマ変調回路3の回路構成(デルタシグマ変調の次数や連続時間型か離散時間型かなどによって回路構成が異なる)、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数、パルス増幅器6が内蔵しているスイッチング素子のキャパシタ成分や抵抗成分によって定まる前記スイッチング素子の時定数などによって異なるが、遅延回路11の遅延時間Tと出力パルス幅Wとが正の相関を有していることには変わりない。
図1に示すスイッチング増幅器は、遅延時間制御回路12の制御により遅延回路11の遅延時間Tを変更することができるので、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を変更することなく出力パルス幅Wを変更することができる。そして、上述したように遅延回路11の遅延時間Tと出力パルス幅Wとが正の相関を有しているので、図1に示すスイッチング増幅器は、遅延時間制御回路12の制御により遅延回路11の遅延時間Tを大きくすることで、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を変更することなく出力パルス幅Wを大きくすることができ、遅延時間制御回路12の制御により遅延回路11の遅延時間Tを小さくすることで、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を変更することなく出力パルス幅Wを小さくすることができる。
次に、遅延回路11からパルス増幅器6に送出される1ビット信号の波形例を図4に示す。遅延回路11からパルス増幅器6に送出される1ビット信号の反転タイミングで、パルス増幅器6内のスイッチング素子がスイッチングする。
遅延回路11からパルス増幅器6に送出される1ビット信号の波形が図4に示す信号波形WS1で有る場合、一定時間Tsにおけるパルス増幅器6内のスイッチング素子のスイッチング回数は10回となり、遅延回路11からパルス増幅器6に送出される1ビット信号の波形が図4に示す信号波形WS2で有る場合、一定時間Tsにおけるパルス増幅器6内のスイッチング素子のスイッチング回数は5回となる。すなわち、遅延回路11からパルス増幅器6に送出される1ビット信号のパルス幅と一定時間におけるパルス増幅器6のスイッチング回数とは負の相関を有している。また、遅延回路11からパルス増幅器6に送出される1ビット信号の反転タイミングとパルス増幅器6から出力されるパルス信号の反転タイミングはほぼ一致する。
したがって、出力パルス幅Wと単位時間当たりのパルス増幅器6のスイッチング回数Nとは、図5に示すように、負の相関を有している。なお、出力パルス幅Wと単位時間当たりのパルス増幅器6のスイッチング回数Nとの関係は、デルタシグマ変調回路3の回路構成(デルタシグマ変調の次数や連続時間型か離散時間型かなどによって回路構成が異なる)、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数、パルス増幅器6が内蔵しているスイッチング素子のキャパシタ成分や抵抗成分によって定まる前記スイッチング素子の時定数などによって異なるが、出力パルス幅Wと単位時間当たりのパルス増幅器6のスイッチング回数Nとが負の相関を有していることには変わりない。
また、出力パルス幅Wと図1に示すスイッチング増幅器が単位時間当たりに出力する情報量(以下、情報量という)Iとは、図6に示すように、負の相関を有している。なお、出力パルス幅Wと情報量Iとの関係は、デルタシグマ変調回路3の回路構成(デルタシグマ変調の次数や連続時間型か離散時間型かなどによって回路構成が異なる)、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数、パルス増幅器6が内蔵しているスイッチング素子のキャパシタ成分や抵抗成分によって定まる前記スイッチング素子の時定数などによって異なるが、出力パルス幅Wと情報量Iとが負の相関を有していることには変わりない。
図1に示すスイッチング増幅器は、遅延時間制御回路12の制御により遅延回路11の遅延時間Tを大きくすることで、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を変更することなく出力パルス幅Wを大きくして、単位時間当たりのパルス増幅器6のスイッチング回数Nを少なくすることができるので(図3及び図5を参照)、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を変更することなく電力効率の向上を図ることができる。デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を下げることなく、単位時間当たりのパルス増幅器6のスイッチング回数Nを少なくしているので、ノイズシェーピングの周波数帯域が狭くなるという問題や、入力信号SINがアナログ音声信号である場合に当該アナログ音声信号を処理する可聴帯域のSN比(信号対ノイズ比)が低減するという問題が生じない。
また、図1に示すスイッチング増幅器は、遅延時間制御回路12の制御により遅延回路11の遅延時間Tを小さくすることで、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を変更することなく出力パルス幅Wを小さくして、情報量Iを多くすることができるので(図3及び図6を参照)、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を変更することなく高ダイナミックレンジ化や残留ノイズの低減化などを図ることができる。デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を上げることなく、情報量Iを多くしているので、デルタシグマ変調回路3のサンプリング周波数を上げるためにマスタークロック周波数を高くすることで輻射ノイズが増加し、EMI(電磁妨害)対策の為のコストが増加するという問題が生じない。さらに、入力信号SINがアナログ音声信号である場合、情報量Iを多くすることによって音の緻密さやナチュラル感を高めることができる。
遅延時間制御回路12の例としては、パルス増幅器6から出力されるパルス信号のSN比を検出する検出部を備え、パルス増幅器6から出力されるパルス信号のSN比が小さい場合に遅延回路11の遅延時間Tを小さくするように遅延回路11を制御する回路が挙げられる。また、遅延時間制御回路12の他の例としては、操作キーなどの入力部からの信号に応じて遅延回路11の遅延時間Tを変更するように遅延回路11を制御する回路が挙げられる。
なお、上述した実施形態では、遅延器11A〜11Cの遅延時間をそれぞれ50×10-9〜100×10-9秒の範囲内の所定値に固定したが、遅延器11A〜11Cの遅延時間の各設定は50×10-9〜100×10-9秒の範囲内に限定されるものではなく、遅延回路11の遅延時間は使用するデルタシグマ変調回路の許容する(すなわち、使用するデルタシグマ変調回路が動作する)範囲内で設定することができる。また、本実施形態では、遅延回路11が有する遅延器の個数を3個としているが、遅延回路11が有する遅延器の個数は3個に限定されるものではない。また、図1に示すスイッチング増幅器は減衰器10を備えているが、定電圧電源7の出力電圧が低くパルス増幅器6から出力されるパルス信号の波高値が小さい場合は、減衰器10を設けなくてもよい。また、図1に示すスイッチング増幅器においては遅延回路11が1ビット信号SQを遅延しているが、遅延回路11の代わりに1ビット信号SQを遅延する遅延要素をパルス増幅器6に含める構成にしてもよい。
は、本発明に係るスイッチング増幅器の電気的構成例を示す図である。 は、遅延器の構成例を示す図である。 は、遅延時間と出力パルス幅との関係を示す図である。 は、遅延回路からパルス増幅器に送出される1ビット信号の波形例を示す図である。 は、出力パルス幅とスイッチング回数との関係を示す図である。 は、出力パルス幅と情報量との関係を示す図である。 は、従来のスイッチング増幅器の電気的構成例を示す図である。
符号の説明
1 入力端子
2 加算器
3 デルタシグマ変調回路
4 積分器・加算器群
5 量子器
6 パルス増幅器
7 定電圧電源
8 ローパスフィルタ
9 出力端子
10 減衰器
11 遅延回路
11A〜11C 遅延器
11D スイッチ
12 遅延時間制御回路
IN 遅延回路の入力端子
OUT 遅延回路の出力端子

Claims (6)

  1. 入力信号をデルタシグマ変調して量子化信号を出力するデルタシグマ変調回路と、
    前記量子化信号を遅延する遅延部と、
    スイッチング素子を有し前記遅延部から出力される信号に応じて前記スイッチング素子をスイッチングして前記遅延部から出力される信号をパルス増幅するパルス増幅器とを備え、
    前記遅延部の遅延時間が可変することを特徴とするスイッチング増幅器。
  2. 前記遅延部が入力端子と、複数の遅延器と、出力端子とを備えており、
    前記複数の遅延器はそれぞれ遅延時間が固定されており、
    前記複数の遅延器が縦列接続されており、
    前記入力端子、前記複数の遅延器、及び前記出力端子の接続状態を変更することによって前記遅延部の遅延時間が変更する請求項1に記載のスイッチング増幅器。
  3. 前記遅延部の遅延時間を制御する遅延時間制御部を備え、
    前記遅延時間制御部が前記遅延部の遅延時間を制御することによって、前記パルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅が制御され、単位時間当たりの前記パルス増幅器のスイッチング回数が制御される請求項1または請求項2に記載のスイッチング増幅器。
  4. 前記遅延部の遅延時間を制御する遅延時間制御部を備え、
    前記遅延時間制御部が前記遅延部の遅延時間を制御することによって、前記パルス増幅器から出力されるパルス信号の最小パルス幅が制御され、前記スイッチング増幅器が単位時間当たりに出力する情報量が制御される請求項1または請求項2に記載のスイッチング増幅器。
  5. 前記パルス増幅器の出力信号をアナログ信号に変換する変換部を備える請求項1〜4のいずれかに記載のスイッチング増幅器。
  6. 前記パルス増幅器の出力信号に基づく信号を前記デルタシグマ変調回路に帰還する帰還部を備える請求項1〜5のいずれかに記載のスイッチング増幅器。
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