JP2007005958A

JP2007005958A - 電力増幅器

Info

Publication number: JP2007005958A
Application number: JP2005181441A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shiomi; 剛塩見
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】複数チャンネルにおいてもより少ない部品点数で出力電圧の制限を行うことが可能な「電力増幅器」を提供する。
【解決手段】入力信号を増幅する入力アンプ１と、入力アンプ１に対して電源電圧を供給する電源ブロック６と、電流増幅器３の出力段に接続された抵抗４の両端に発生する出力電圧を検出する電流検出ブロック５とを備え、出力電圧を電源ブロック６にフィードバックし、出力電圧に応じて入力アンプ１に対する電源電圧を可変制御することにより、電力増幅器の出力段に多くの電流が流れて出力電圧が大きくなったときに、入力アンプ１に対して供給される電源電圧が小さくなるようにして、電源電圧を利用した出力電圧のクリッピング処理を行うことができるようにすることで、従来のパワーアンプにおいて必要であった電圧制御ブロックを不要にできるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は電力増幅器に関し、特に、スピーカなどの負荷を駆動する増幅回路に用いて好適なものである。

スピーカなどの負荷を駆動する電力増幅器（パワーアンプ）は、基本的に電圧出力型であり、負荷に電圧信号を供給する。そのときの電流値は負荷のインピーダンスによって決まるが、スピーカの場合、インピーダンスは機種によって異なる。そのため、パワーアンプはかなり広い範囲の負荷インピーダンスに対応する必要がある。

パワーアンプの出力電力は、出力電圧と出力電流との積になる。したがって、通常のパワーアンプでは、これに接続されるスピーカのインピーダンスの大きさに応じて出力電力が変化する。例えば、インピーダンスが２[Ω]のスピーカを接続したときの出力電力が２００[Ｗ]のパワーアンプの場合、インピーダンスが４[Ω]のスピーカを接続すると出力電力は１００[Ｗ]に落ちる。

これに対して最近では、負荷インピーダンスの大きさによらず常に同じ出力電力が得られるように成されたパワーアンプが提供されている。すなわち、インピーダンスが２[Ω]のスピーカを接続しても、４[Ω]のスピーカを接続しても、出力電力は２００[Ｗ]に維持される。４[Ω]の負荷インピーダンスで２００[Ｗ]の出力電力を得るためには、電源電圧を通常の２倍の大きさにする必要がある。

しかし、この大きな電源電圧を２[Ω]の負荷インピーダンスにもそのまま使用すると、出力電力は４００[Ｗ]になって、アンプが過電流もしくは電力的（熱的）に破壊してしまう。そこで、２[Ω]の負荷インピーダンスがパワーアンプに接続されているときは、出力電圧に制限をかける必要がある。そのためにこの種のパワーアンプでは、出力電圧制限（出力過電流保護）の回路を有している。

図５は、負荷インピーダンスの大きさによらず同じ出力電力が得られるように成された従来のパワーアンプの構成を概略的に示す図である。図５において、１は入力アンプであり、入力信号（オーディオ信号）の電圧を増幅する。２は電圧制御ブロックであり、入力アンプ１より出力されるオーディオ信号の電圧を制限するものであり、電圧リミッタ回路とか電圧クリップ回路とか呼ばれるもので構成されている。

３は電流増幅器であり、電圧制御ブロック２より出力されるオーディオ信号の電流を増幅する。４は抵抗値の小さな抵抗であり、図示しない負荷（スピーカ）に流れる出力電流（負荷電流）を検出するために、電流増幅器３の出力とスピーカとの間に直列に挿入されている。５は電流検出ブロックであり、電流検出抵抗４の両端に発生する電圧を増幅する差動アンプなどにより構成されている。１００は電源ブロックであり、入力アンプ１に対して電源電圧を供給する。

このように構成されたパワーアンプにおいて、電流増幅器３の後段に接続されている低インピーダンスの電流検出抵抗４の両端に発生する電圧を電流検出ブロック５から電圧制御ブロック２にフィードバックする。そして、一定値以上の電圧が電圧制御ブロック２にフィードバックされた場合に、オーディオ信号にクリッピング処理を施し、一定値以上の電圧が出力段にかからないようにしている。このように、負荷に応じて出力電圧を制限する技術は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００４−２１４７９３号公報

しかしながら、上記従来の技術では、複数チャンネルの音声信号を増幅するパワーアンプを構成する場合には、入力アンプ１、電圧制御ブロック２、電流増幅器３、電流検出抵抗４、電流検出ブロック５の全てが複数組必要となる。例えば図６に示すように、２チャンネルのパワーアンプを構成する場合は、入力アンプ１_-1，１_-2、電圧制御ブロック２_-1，２_-2、電流増幅器３_-1，３_-2、電流検出抵抗４_-1，４_-2、電流検出ブロック５_-1，５_-2を２つずつ設ける必要がある。そのため、実装面積および製造コストの増大を招くという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、複数チャンネルのパワーアンプにおいて、より少ない部品点数で出力電圧の制限を行うことができるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の電力増幅器では、電力増幅器の出力電圧を検出して電源供給回路にフィードバックし、出力電圧に応じて第１の増幅器に対する電源電圧を可変制御するようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、電力増幅器の出力段に多くの電流が流れて出力電圧が大きくなると、第１の増幅器に対して供給される電源電圧が小さくなるように制御されることとなるので、電源電圧を利用した出力電圧のクリッピング処理が可能となる。これにより、従来のパワーアンプにおいて必要であった電圧制御ブロックが不要となり、部品点数を削減することができる。特に、複数チャンネルの電力増幅器に関して、従来は複数チャンネル分必要であった電圧制御ブロックを全く不要とすることができるので、部品点数を大幅に削減することができ、実装面積および製造コストの増大を抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による電力増幅器（パワーアンプ）の構成例を概略的に示す図である。図１において、１は入力アンプであり（本発明による第１の増幅器に相当）、入力オーディオ信号の電圧を増幅する。３は電流増幅器であり（本発明による第２の増幅器に相当）、入力アンプ１より出力されるオーディオ信号の電流を増幅する。

４は抵抗値の小さな抵抗であり、図示しない負荷（スピーカ）に流れる出力電流（負荷電流）を検出するために、電流増幅器３の出力とスピーカとの間に直列に挿入されている。５は電流検出ブロックであり、電流検出抵抗４の両端に発生する電圧を増幅する差動アンプなどにより構成されている。これらの電流検出抵抗４および電流検出ブロック５によって本発明の出力電圧検出回路が構成されている。

６は電源ブロックであり（本発明の電源供給回路に相当）、入力アンプ１に対して電源電圧を供給する。本実施形態では、電流検出ブロック５により検出されたパワーアンプの出力電圧を電源ブロック６にフィードバックしている。電源ブロック６は、電流検出ブロック５により検出されたパワーアンプの出力電圧に応じて、入力アンプ１に対して供給する電源電圧を可変制御する。

図２は、上記電流検出ブロック５および電源ブロック６の詳細な回路構成例を示す図である。図２に示すように、電流検出ブロック５は、４つの抵抗Ｒ１〜Ｒ４および１つのオペアンプＡＰを備えた差動増幅回路により構成されている。差動増幅回路の２つの入力端子は、電流検出抵抗４の両端に接続されている。オペアンプＡＰは、２つの入力電圧の差電圧（すなわち、電流検出抵抗４の両端に生じる電位差）を増幅して出力する。

また、電源ブロック６は、３つの抵抗Ｒ５〜Ｒ７、２つのトランジスタＱ１，Ｑ２、１つの整流ダイオードＤ１および２つのツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２を備えて構成されている。このうち、ツェナーダイオードＺＤ２以外の構成によって本発明の電圧レギュレータ回路が構成されている。ツェナーダイオードＺＤ２は、この電圧レギュレータ回路と電流検出ブロック５の出力との間に直列に挿入されている。ツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子が電圧レギュレータ回路に接続され、アノード端子が電流検出ブロック５の出力に接続されている。

電圧レギュレータ回路を構成するツェナーダイオードＺＤ１は、トランジスタＱ２のエミッタ端子と整流ダイオードＤ１との間に接続され、基準電圧を生成する。ツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子がトランジスタＱ２のエミッタ端子に接続され、アノード端子が整流ダイオードＤ１のアノード端子およびツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子に接続されている。整流ダイオードＤ１のカソード端子はグランドに接続されている。

トランジスタＱ２のコレクタ端子は、制御トランジスタＱ１のベース端子に接続されている。トランジスタＱ２のベース端子には抵抗Ｒ５，Ｒ６が接続されている。ここで、抵抗Ｒ５，Ｒ６は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧以上の出力電圧を得るために設けられた出力電圧調整用の抵抗であり、ツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子と制御トランジスタＱ１のエミッタ端子との間に直列に接続されている。抵抗Ｒ７は、制御トランジスタＱ１のコレクタ端子とベース端子との間に接続されている。

このような構成の電源ブロック６では、Ｂ点に現れる電圧とツェナーダイオードＺＤ２のカソード側に現れる電圧との差電圧を抵抗Ｒ５，Ｒ６で分圧する。そして、この分圧電圧と、ツェナーダイオードＺＤ１の電圧およびトランジスタＱ２のベース−エミッタ電圧の合計との電圧差によってトランジスタＱ２のコレクタ電流を変化させる。変化したトランジスタＱ２のコレクタ電流は、制御トランジスタＱ１のベース電流と等しいため、制御トランジスタＱ１のエミッタ−コレクタ電圧を変化させる。トランジスタＱ１のエミッタ−コレクタ電圧の変化に伴い、Ｂ点の電圧（入力アンプ１に供給される電源電圧）が変化する。

次に、上記のように構成した電流検出ブロック５および電源ブロック６の動作を説明する。図３は、この動作を説明するための波形図であり、横軸は図２のＡ点における電流、縦軸はＢ点における電圧を示している。

電流検出抵抗４に電流が全く流れていないときは、電流検出ブロック５の２つの入力端子に入力される電圧の差がないため、電流検出ブロック５の出力電圧は０[Ｖ]となる。この場合は、ツェナーダイオードＺＤ２に電流が全く流れないため、ツェナーダイオードＺＤ２から先の電圧レギュレータ回路は動作しない。

一方、電流検出抵抗４に電流が流れると、電流検出ブロック５の２つの入力端子に電位差が発生する。電流検出抵抗４に多くの電流が流れて電位差が大きくなるにつれて、電流検出ブロック５の出力電圧は０[Ｖ]からマイナス側に大きく振れてくる。これにより、ツェナーダイオードＺＤ２には逆バイアス電圧がかけられることになる。

逆バイアス電圧が小さいときは、ツェナーダイオードＺＤ２に電流は流れないが、降伏電圧を越すと電流が急激に流れるようになる。ツェナーダイオードＺＤ２に電流が流れると、その先の電圧レギュレータ回路が動作を始め、ツェナーダイオードＺＤ１により生成される基準電圧が降下する。基準電圧の下降に伴い、Ｂ点の電圧も降下していく。

すなわち、電流検出抵抗４に流れるＡ点の電流が少ないうちは、ツェナーダイオードＺＤ２にかけられる逆バイアス電圧が小さく、ツェナーダイオードＺＤ２に電流が流れない。そのため、電圧レギュレータ回路により入力アンプ１への供給電圧に制限がかけられることがなく、図３に示すように高い電源電圧が維持される。例えば、負荷インピーダンスが４[Ω]のスピーカを本実施形態のパワーアンプに接続したときは、電流検出抵抗４に流れる電流が少なくなるため、電源ブロック６から入力アンプ１に供給される電源電圧は高いままとされ、例えば２００[Ｗ]の出力電力を得ることができる。

これに対して、電流検出抵抗４に流れるＡ点の電流が或る一定値を超えると、ツェナーダイオードＺＤ２にかけられる逆バイアス電圧が降伏電圧を越して、ツェナーダイオードＺＤ２に電流が流れ出す。そのため、電圧レギュレータ回路により電源電圧に制限がかけられる。これにより、図３に示すように、ある電流値を境に電源ブロック６の出力電圧が降下する。したがって、例えば、負荷インピーダンスが２[Ω]のスピーカを本実施形態のパワーアンプに接続したときは、電源ブロック６から入力アンプ１に供給される電源電圧が小さくなり、この場合にも例えば２００[Ｗ]の出力電力を得ることができる。

電流検出抵抗４に流れるＡ点の電流が更に多くなり、ツェナーダイオードＺＤ２に対してより高い電圧が印加されると、その印加電圧が変動してもツェナーダイオードＺＤ２の出力電圧はほとんど変化しなくなる。これにより、電源ブロック６より出力されるＢ点の電圧が或る程度降下した後は、図３に示すように再び電圧値は一定に維持されるようになる。

図４は、本実施形態による２チャンネルパワーアンプの構成を示す図である。２チャンネルの場合は、図４に示すように、入力アンプ１_-1，１_-2、電流増幅器３_-1，３_-2、電流検出抵抗４_-1，４_-2、電流検出ブロック５_-1，５_-2に関しては２チャンネル分必要であるが、電源ブロック６は１つでよい。各チャンネルの電流検出ブロック５_-1，５_-2で検出したパワーアンプの出力電圧は、１つの電源ブロック６にフィードバックしている。また、従来のパワーアンプで必要であった電圧制御ブロックは、チャンネル数に関係なく１つも必要でない。

以上詳しく説明したように、本実施形態によれば、電流検出ブロック５で検出されたパワーアンプの出力電圧を電源ブロック６にフィードバックし、パワーアンプの出力電圧に応じて入力アンプ１に対する電源電圧を可変制御するようにしたので、電源電圧を利用した出力電圧のクリッピング処理を行うことが可能となる。これにより、従来のパワーアンプにおいて必要であった電圧制御ブロックが不要となり、部品点数を削減することができる。特に、複数チャンネルのパワーアンプに関して、従来は複数チャンネル分必要であった電圧制御ブロックを全く不要とすることができるので、部品点数を大幅に削減することができ、実装面積および製造コストの増大を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、電源ブロック６においてツェナーダイオードＺＤ２を用いているが、電流検出抵抗４に少しでも電流が流れたらすぐに電源電圧の供給に制限をかけたい要求があるときは、ツェナーダイオードＺＤ２は用いないようにすることも可能である。また、電源ブロック６内の電圧レギュレータ回路の構成は例示に過ぎず、これ以外の構成であっても良い。

また、上記実施形態では、１チャンネルおよび２チャンネルのパワーアンプを示しているが、これは単なる例示に過ぎず、３チャンネル以上のパワーアンプであっても良い。

その他、上記実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、スピーカなどの負荷を駆動する増幅回路に有用である。例えば、負荷インピーダンスの大きさによらず同じ出力電力が得られるように成されたパワーアンプに有用であるが、用途はこれに限定されない。

本実施形態による電力増幅器の構成例を概略的に示す図である。本実施形態による電流検出ブロックおよび電源ブロックの詳細な回路構成例を示す図である。本実施形態による電流検出ブロックおよび電源ブロックの動作を説明するための波形図である。本実施形態による２チャンネル電力増幅器の構成例を概略的に示す図である。従来例に係る電力増幅器の構成を概略的に示す図である。従来例に係る２チャンネル電力増幅器の構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１入力アンプ
３電流増幅器
４電流検出抵抗
５電流検出ブロック
６電源ブロック
ＺＤ２ツェナーダイオード

Claims

入力信号を増幅する第１の増幅器と、
上記第１の増幅器に対して電源電圧を供給する電源供給回路と、
上記第１の増幅器より出力される信号を増幅する第２の増幅器と、
上記第２の増幅器の出力段に発生する電圧を検出する出力電圧検出回路とを備え、
上記出力電圧検出回路により検出された電圧を上記電源供給回路にフィードバックし、上記出力電圧検出回路により検出された電圧に応じて、上記電源供給回路が上記第１の増幅器に対して供給する電源電圧を可変制御するようにしたことを特徴とする電力増幅器。
上記電源供給回路は、供給電圧に制限を加える電圧レギュレータ回路と、
上記電圧レギュレータ回路と上記出力電圧検出回路との間に直列に挿入されているツェナーダイオードとを備えて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。