JP2006303964A - 増幅装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 デルタシグマ変調部で生じるPWM信号の量子化誤差を小さくすることができる増幅装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の増幅装置100は、アナログ入力信号の電圧値と帰還信号の電圧値との差分値を生成する減算器111と、減算器111の出力信号を積分する積分器112と、三角波信号を基準信号として生成する三角波信号生成器114と、積分器112の出力信号の電圧値と三角波信号生成器114の前記基準信号の電圧値とを比較してディジタルのPWM信号を生成する比較器113と、比較器113からの前記PWM信号を遅延させて前記帰還信号を生成する遅延器115と、を具備する。なお、本発明の増幅装置100は、前記基準信号としてのこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を生成するのこぎり波信号生成器又は逆のこぎり波信号生成器を具備するように構成されてもよい。
【選択図】 図1

Description

本発明は、デルタシグマ変調を行う増幅装置に関する。
従来、高効率で低損失な電力増幅方式としてD級増幅器が用いられてきた。この電力増幅方式では、基本動作が能動素子のON及びOFF(スイッチ動作)であるため、A級又はB級の増幅器のような常時直流バイアス成分に伴う電力消費が存在せず、電力損失の小さい増幅器が構成できる。このためD級増幅器は、電力効率が高く、かつ、発熱が少ない。
また、D級増幅器では、入力されたアナログ信号をスイッチのON及びOFFだけで表せるディジタル信号に変換する必要があり、その変換方式としてパルス幅変調(PWM)方式が知られている。
上記PWM方式を実現する手段として、デルタシグマ変調器を用いる手段が知られており、このデルタシグマ変調方式を用いる従来の増幅装置として、特許文献1に記載されたものがある。
図11は、従来の増幅装置の構成を示すブロック図である。図11に示すように、従来の増幅装置10は、減算器11、積分器12、比較器13、1ビット遅延器14、1ビットDA変換器15、スイッチ16、電源17及びローパスフィルタ(LPF)18を備える。
減算器11は、アナログ入力信号と1ビットDA変換器15からの出力信号である帰還信号を受けて、アナログ入力信号の電圧値と帰還信号の電圧値との差分値を生成して積分器12に与える。積分器12は、減算器11からの出力信号を積分して比較器13に与える。
比較器13は、積分器12からの出力信号の電圧値と基準信号の電圧値とを比較することにより積分器12からの出力信号の電圧値を量子化してディジタルのPWM信号を生成する。比較器13は、生成するディジタルのPWM信号を1ビット遅延器14及びスイッチ16に与える。
1ビット遅延器14は、比較器13からのディジタルのPWM信号を1ビットだけ遅延して1ビットDA変換器15に与える。1ビットDA変換器15は、1ビット遅延器14からのディジタルのPWM信号の1ビットだけDA(ディジタルアナログ)変換して前記帰還信号を生成して減算器11に与える。
スイッチ16は、電源17からの電圧と比較器からのディジタルのPWM信号を受けて、ディジタルのPWM信号によりON又はOFFとなってディジタルのPWM信号をD級増幅してローパスフィルタ18に与える。ローパスフィルタ18は、スイッチ16からの出力信号を受けてこの出力信号から不必要な成分を除去して出力信号を生成して出力する。
図12は、従来の増幅装置10のPWM生成部のPWM信号の一例を説明するための信号波形図である。図12において、符号10Eで示す曲線は入力波形を表し、符号10Aで示す曲線は入力波形の積分器12からの出力信号の波形を表し、符号10Bで示す区間はサンプリングレートを表し、符号10Cで示す線は1ビットDA変換器15からの出力波形を積分器12に通した場合の等価的な比較信号を表し、かつ、符号10Dで示す線はPWM生成部の比較器13から出力されるPWM信号の波形を表している。
図12から明らかなように、従来の増幅装置10におけるデルタシグマ変調の出力であるPWM信号では、出力が大きい部分では“1”の出力が多く、かつ、出力が小さい部分では“0”の出力が多くなるように変調されている。図13に示すように、従来の増幅装置10におけるデルタシグマ変調の出力であるPWM信号では、一定時間内における“1”と“0”の密度比の精度はサンプリングレートに依存する。
特開平6−21731号公報
しかしながら、上述した従来のデルタシグマ変調方式を用いた増幅装置においては、デルタシグマ変調部にてアナログ入力信号をディジタルであるPWM信号へ変換する際に量子化雑音が発生してしまうという問題がある。
この量子化雑音を小さくするためには、上述した従来のデルタシグマ変調方式を用いた増幅装置においてサンプリングレートを増加させる必要があるが、サンプリングレートを増加させるとそれに伴いPMW信号にて駆動するスイッチの動作速度を早くしなければならず、これにより消費電力も増大するという問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、アナログ入力信号をPWM信号へ変換する際に発生する量子化誤差を小さくすることができる増幅装置を提供することを目的とする。また、本発明は、量子化誤差を小さくし、かつ、PMW信号にて駆動するスイッチの動作速度を低下させて消費電力を低減することができる増幅装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、アナログ入力信号と帰還信号との差分値を生成する減算器と、前記減算器の出力信号を積分する積分器と、三角波信号、のこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を基準信号として生成する基準信号生成器と、前記積分器の出力信号と前記基準信号とを比較してPWM信号を生成する比較器と、前記比較器から出力される前記PWM信号を遅延させて前記帰還信号を生成する遅延器と、を具備する構成を採る。
この構成によれば、三角波信号、のこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を基準信号とし当該基準信号と、アナログ入力信号を積分する積分器からの出力信号と、を比較することにより、時間軸方向にアナログの幅を持ったPWM信号が生成されているため、デルタシグマ変調部で生じるPWM信号の量子化誤差を小さくすることができる。
本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様において、前記遅延器が、前記基準信号生成器から出力される前記基準信号の周期に応じて前記比較器から出力される前記PWM信号を遅延させて前記帰還信号を生成する構成を採る。
この構成によれば、本発明の第1の態様の効果に加えて、基準信号生成器の出力信号の周期に合った帰還信号を生成することができる。
本発明の第3の態様は、本発明の第1の態様において、前記積分器が、前記基準信号生成器から出力される前記基準信号の周期に応じて前記減算器の出力信号を積分する構成を採る。
この構成によれば、本発明の第1の態様の効果に加えて、基準信号生成器の出力信号の周期に合った減算器の出力信号を生成することができる。
本発明の第4の態様は、アナログ入力信号と帰還信号との差分値を生成する減算器と、前記減算器の出力信号を積分する積分器と、三角波信号、のこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を基準信号として生成する基準信号生成器と、前記積分器の出力信号と前記基準信号とを比較してPWM信号を生成する比較器と、前記比較器から出力される前記PWM信号を遅延させて前記帰還信号を生成する遅延器と、前記比較器から出力されるPWM信号の立ち上がりエッジに応じて出力値を反転させる立ち上がりエッジ検出部と、前記比較器から出力されるPWM信号の立ち下がりエッジに応じて出力値を反転させる立ち下がりエッジ検出部と、前記立ち上がりエッジ検出部の出力信号の値と前記立ち下がりエッジ検出部の出力信号の値の排他的論理和に基づいて出力信号を生成するスイッチ手段と、を具備する構成を採る。
この構成によれば、三角波信号、のこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を基準信号とし当該基準信号と、アナログ入力信号を積分する積分器からの出力信号と、を比較することにより、時間軸方向にアナログの幅を持ったPWM信号が生成されているため、デルタシグマ変調部で生じるPWM信号の量子化誤差を小さくすることができる。また、この構成によれば、立ち上がりエッジ検出部の出力信号の値と立ち下がりエッジ検出部の出力信号の値の排他的論理和に基づいて出力信号を生成するスイッチ手段を具備するため、D級増幅器のスイッチの動作速度を少なくとも基準信号生成器の出力信号の周期の半分より遅い速度まで低下させることができる。
本発明の第5の態様は、本発明の第4の態様において、前記スイッチ手段が、前記立ち上がりエッジ検出部の出力信号と前記立ち下がりエッジ検出部の出力信号の値を反転させた信号とに基づいて第1の出力信号を生成する第1のスイッチ部と、前記立ち上がりエッジ検出部の出力信号の値を反転させた信号と前記立ち下がりエッジ検出部の出力信号とに基づいて第2の出力信号を生成する第2のスイッチ部と、前記第1のスイッチ部からの前記第1の出力信号の値と前記第2のスイッチ部からの第2の出力信号の値とを加算して出力信号を生成する加算器と、を具備する構成を採る。
この構成によれば、三角波信号、のこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を基準信号とし当該基準信号と、アナログ入力信号を積分する積分器からの出力信号と、を比較することにより、時間軸方向にアナログの幅を持ったPWM信号が生成されているため、デルタシグマ変調部で生じるPWM信号の量子化誤差を小さくすることができる。また、この構成によれば、立ち上がりエッジ検出部の出力信号の値と立ち下がりエッジ検出部の出力信号の値の排他的論理和に基づいて出力信号を生成するスイッチ手段を具備するため、D級増幅器のスイッチの動作速度を少なくとも基準信号生成器の出力信号の周期の半分より遅い速度まで低下させることができる。
本発明によれば、デルタシグマ変調部で生じるPWM信号の量子化誤差を小さくすることができる。また、デルタシグマ変調部で生じる量子化誤差を小さくし、かつ、D級増幅器のスイッチの動作速度を低下させて消費電力を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る増幅装置の構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る増幅装置100は、PWM生成部110及びD級増幅器120を具備している。
PWM生成部110は、減算器111、積分器112、比較器113、三角波信号生成器114及び遅延器115を具備している。D級増幅器120は、スイッチ(SW)121、電源122及びローパスフィルタ(LPF)123を具備している。
PWM生成部110の減算器111は、アナログ入力信号と遅延器115からの出力信号である帰還信号を受けて、アナログ入力信号の電圧値と帰還信号の電圧値との差分値を生成して出力する。積分器112は、三角波信号生成器114から出力される三角波信号の周期に応じた速度で減算器111からの出力信号を積分する。
比較器113は、積分器112からの出力信号の電圧値と三角波信号生成器114の出力信号である三角波信号(基準信号)の電圧値とを比較して、時間軸方向にアナログの幅(情報)を持ったPWM信号を生成する。
比較器113は、生成したPWM信号をD級増幅器120のスイッチ121に与えてスイッチ121をON又はOFFすることによりPWM信号をD級増幅する。また、比較器113は、生成したPWM信号を遅延器115に与える。遅延器115は、三角波信号生成器114から出力される三角波信号の周期に応じた遅延量を持っている。遅延器115は、比較器113からのPWM信号を前記遅延量だけ遅延させて前記帰還信号を生成して減算器111に与える。
なお、PWM生成部110は、三角波信号生成器114の代わりに前記基準信号として、時間軸方向に増大する傾斜をもつのこぎり波信号又は時間軸方向に減少する傾斜をもつ逆のこぎり波信号を生成するのこぎり波信号生成器又は逆のこぎり波信号生成器を有するように構成されてもよい。
D級増幅器120のスイッチ121は、電源122からの電圧を受け、かつ、比較器113からのPWM信号を受けてON又はOFFとなってPWM信号をD級増幅してローパスフィルタ123に与える。ローパスフィルタ123は、スイッチ121からの出力信号を平滑化して出力する。
図2は、本発明の実施の形態1に係る増幅装置100のPWM生成部110のPWM信号の一例を説明するための信号波形図である。図2において、符号110Eで示す曲線は入力信号の入力波形を表し、符号110Aで示す曲線は入力波形の積分器112からの出力信号の波形を表し、符号110Bで示す線は三角波信号生成器114から出力される三角波信号の波形の周期を表し、符号110Cで示す線は三角波信号生成器114から出力される三角波信号と遅延器115から出力される信号とを足し合わせた等価的な比較信号を表し、かつ、符号110Dで示す線はPWM生成部110の比較器113から出力されるPWM信号の波形を表している。
図12に示すように、従来の増幅装置10におけるデルタシグマ変調の出力であるPWM信号では、出力が大きい部分では“1”の出力が多く、かつ、出力が小さい部分では“0”の出力が多くなるように変調されている。図13に示すように、従来の増幅装置10におけるデルタシグマ変調の出力であるPWM信号では、一定時間内における“1”と“0”の密度比の精度はサンプリングレートに依存する。
これに対し、本発明の実施の形態1に係る増幅装置100のPWM生成部110においては、アナログ入力信号を積分する積分器112からの出力信号の電圧値を三角波信号の電圧値と比較することにより時間軸方向にアナログの幅(情報)を持ったPWM信号を生成している。このため、図3に示すように一定時間内における“1”と“0”の比率の精度はサンプリングレートに依存することなく決定されるため高い精度を実現できる。したがって、本発明の実施の形態1に係る増幅装置100は、従来の増幅装置10におけるデルタシグマ変調の出力であるPWM信号に比較して、PWM信号の量子化誤差を小さくすることができる。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について、図面を参照して詳細に説明する。
図4は、本発明の実施の形態2に係る増幅装置の構成を示すブロック図である。図5は、本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態2においては、本発明の実施の形態1と同じ構成要素には同じ参照符号を付しており、それらの説明を省略する。
図4に示すように、本発明の実施の形態2に係る増幅装置400は、PWM生成部110及びD級増幅器410を具備している。
図4に示すように、PWM生成部110は、減算器111、積分器112、比較器113、三角波信号生成器114及び遅延器115を具備している。これらは、実施の形態1で説明した構成と同一である。
D級増幅器410は、立ち上がりエッジ検出部411、立ち下がりエッジ検出部412、XOR(排他的論理和)型のスイッチ部(SW)413、電源122及びローパスフィルタ(LPF)123を具備している。
図5に示すように、XOR型のスイッチ部413は、第1のスイッチ4131、第2のスイッチ4132、反転器4133、4134及び加算器4135を具備している。
図4に示すように、比較器113は、PWM信号を立ち上がりエッジ検出部411及び立ち下がりエッジ検出部412に与える。
立ち上がりエッジ検出部411は、図6(A)に示すように入力信号(PWM信号)の電圧値の立ち上がりに応じて電圧値が反転する出力信号を生成する。立ち下がりエッジ検出部412は、図6(B)に示すように入力信号(PWM信号)の電圧値の立ち下がりに応じて電圧値が反転する出力信号を生成する。
立ち上がりエッジ検出部411及び立ち下がりエッジ検出部412は、それぞれ出力信号をXOR型のスイッチ部413に与える。XOR型のスイッチ部413は、電源122からの電圧を受けている。XOR型のスイッチ部413は、図7に示すように、立ち上がりエッジ検出部411及び立ち下がりエッジ検出部412の出力信号の電圧値の排他的論理和に応じてON又はOFFして、電源122から供給される電圧値のD級増幅を行う。その後、ローパスフィルタ123は、スイッチ部413からの出力信号を平滑化して出力する。
次に、本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部413の動作について、図5を参照して詳細に説明する。
XOR型のスイッチ部413は、第1のスイッチ4131、第2のスイッチ4132、反転器4133、4134及び加算器4135を具備している。
第1のスイッチ4131は、立ち上がりエッジ検出部411の出力信号を受け、かつ、立ち下がりエッジ検出部412からの出力信号を反転器4133を介して受ける。図8に、立ち上がりエッジ検出部411の出力信号、反転器4133の出力信号、第1のスイッチ4131の出力波形が示されている。また、第1のスイッチ4131は、電源122からの電圧を受けている。
第2のスイッチ4132は、立ち下がりエッジ検出部412からの出力信号を受け、かつ、立ち上がりエッジ検出部411の出力信号を反転器4134を介して受ける。図9に、立ち下がりエッジ検出部412の出力信号、反転器4134の出力信号、第2のスイッチ4132の出力波形が示されている。また、第2のスイッチ4131は、電源122からの電圧を受けている。
第1のスイッチ4131及び第2のスイッチ4132の出力信号は、加算器4135に与えられる。図10に、第1のスイッチ4131の出力信号、第2のスイッチ4132の出力信号、加算器4135の出力波形が示されている。加算器4135は、第1のスイッチ4131及び第2のスイッチ4132の出力信号の電圧値を加算して加算出力信号を生成してローパスフィルタ123に与える。
これにより、XOR型のスイッチ部413においては、立ち上がりエッジ検出部411及び立ち下がりエッジ検出部412の出力信号の電圧値のどちら一方がHIGHである時にのみ加算器4135の出力信号の電圧値がHIGHとなって、図7に示す信号波形のような出力信号を生成する。すなわち、XOR型のスイッチ部413は、立ち上がりエッジ検出部411の出力信号の値と立ち下がりエッジ検出部412の出力信号の値の排他的論理和に基づいて出力信号を生成する。
このように本発明の実施の形態2によれば、立ち上がりエッジ検出部411の出力信号と立ち下がりエッジ検出部412の出力信号から等価的にD級増幅を行っているため、第1及び第2のスイッチ4131、4132の各々の動作速度は、PWM信号の立ち上がりエッジの速度、又は、立ち下がりエッジの速度となり、第1及び第2のスイッチ4131、4132の動作速度を少なくとも三角波信号発生器114から出力される三角波の周期の半分より遅い速度まで低下させることができる。
なお、本発明の実施の形態2に係る増幅装置400は、PWM生成部100が本発明の実施の形態1のものと同じとしたが、従来のデルタシグマ変調器によりPWM信号を生成するように構成してもよい。本発明の実施の形態2に係る増幅装置400は、本発明の実施の形態1と同じPM生成部100を有する場合には、前述のようにPWM信号の量子化誤差を小さくすることができる。
また、本発明の実施の形態2においては、スイッチの動作が立ち上がりエッジ検出部411及び立ち下がりエッジ検出部412の出力信号の値(電圧値)の排他的論理和に応じてON又はOFFするとしたが、スイッチの動作が立ち上がりエッジ検出部411及び立ち下がりエッジ検出部412の出力信号の値(電圧値)の排他的論理和の否定に応じてON又はOFFするとしてもよい。
以上説明したように、本発明の実施の形態2によれば、PWM信号の量子化誤差を小さくし、かつ、スイッチの動作速度を少なくとも三角波信号発生器114から出力される三角波の周期の半分より遅い速度まで低下させることできる。
本発明は、デルタシグマ変調部で生じるPWM信号の量子化誤差を小さくすることができる効果を有し、増幅装置に有用である。
本発明の実施の形態1に係る増幅装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態1に係る増幅装置のPWM生成部のPWM信号の一例を説明するための信号波形図、(A)入力信号の入力波形を表す図、(B)入力波形の積分器からの出力信号の波形、三角波信号生成器から出力される三角波信号の波形の周期、及び、三角波信号生成器から出力される三角波信号と遅延器から出力される信号とを足し合わせた等価的な比較信号を表す図、(C)PWM生成部の比較器から出力されるPWM信号の波形を表す図 本発明におけるディジタルPWM信号を説明するための図 本発明の実施の形態2に係る増幅装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の構成を示すブロック図 (A)本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の立ち上がりエッジ検出部の動作を説明するための図、(B)本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の立ち下がりエッジ検出部の動作を説明するための図 本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の動作を説明するための図 本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の動作を説明するための他の図 本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の動作を説明するための他の図 本発明の実施の形態2に係る増幅装置のXOR型のスイッチ部の動作を説明するための他の図 従来の増幅装置の構成を示すブロック図 従来の増幅装置のPWM生成部のPWM信号の1例を説明するための信号波形図、(A)入力信号の入力波形を表す図、(B)入力波形の積分器からの出力信号の波形、サンプリングレート、及び、1ビットDA変換器からの出力波形を積分器に通した場合の等価的な比較信号を表す図、(C)PWM生成部の比較器から出力されるPWM信号の波形を表す図 従来のディジタルPWM信号を説明するための図
符号の説明
100、400 増幅装置
110 PWM生成部
120、410 D級増幅器
111 減算器
112 積分器
113 比較器
114 三角波信号生成器
115 遅延器
121 スイッチ(SW)
122 電源
123 ローパスフィルタ(LPF)
411 立ち上がりエッジ検出部
412 立ち下がりエッジ検出部
413 XOR(排他的論理和)型のスイッチ部(SW)
4131 第1のスイッチ
4132 第2のスイッチ
4133、4134 反転器
4135 加算器

Claims (5)

  1. アナログ入力信号と帰還信号との差分値を生成する減算器と、
    前記減算器の出力信号を積分する積分器と、
    三角波信号、のこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を基準信号として生成する基準信号生成器と、
    前記積分器の出力信号と前記基準信号とを比較してPWM信号を生成する比較器と、
    前記比較器から出力される前記PWM信号を遅延させて前記帰還信号を生成する遅延器と、
    を具備する増幅装置。
  2. 前記遅延器は、前記基準信号生成器から出力される前記基準信号の周期に応じて前記比較器から出力される前記PWM信号を遅延させて前記帰還信号を生成する請求項1に記載の増幅装置。
  3. 前記積分器は、前記基準信号生成器から出力される前記基準信号の周期に応じて前記減算器の出力信号を積分する請求項1に記載の増幅装置。
  4. アナログ入力信号と帰還信号との差分値を生成する減算器と、
    前記減算器の出力信号を積分する積分器と、
    三角波信号、のこぎり波信号又は逆のこぎり波信号を基準信号として生成する基準信号生成器と、
    前記積分器の出力信号と前記基準信号とを比較してPWM信号を生成する比較器と、
    前記比較器から出力される前記PWM信号を遅延させて前記帰還信号を生成する遅延器と、
    前記比較器から出力されるPWM信号の立ち上がりエッジに応じて出力値を反転させる立ち上がりエッジ検出部と、
    前記比較器から出力されるPWM信号の立ち下がりエッジに応じて出力値を反転させる立ち下がりエッジ検出部と、
    前記立ち上がりエッジ検出部の出力信号の値と前記立ち下がりエッジ検出部の出力信号の値の排他的論理和に基づいて出力信号を生成するスイッチ手段と、
    を具備する増幅装置。
  5. 前記スイッチ手段は、
    前記立ち上がりエッジ検出部の出力信号と前記立ち下がりエッジ検出部の出力信号の値を反転させた信号とに基づいて第1の出力信号を生成する第1のスイッチ部と、
    前記立ち上がりエッジ検出部の出力信号の値を反転させた信号と前記立ち下がりエッジ検出部の出力信号とに基づいて第2の出力信号を生成する第2のスイッチ部と、
    前記第1のスイッチ部からの前記第1の出力信号の値と前記第2のスイッチ部からの第2の出力信号の値とを加算して出力信号を生成する加算器と、
    を具備する請求項4に記載の増幅装置。
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