JP2007150833A - Ｄ級アンプ及びこれを備えた音響機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、回路規模の増大を招くことなく、サンプリング周波数の異なる入力信号毎に適切な増幅処理を行うことが可能なＤ級アンプを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るＤ級アンプは、周波数８ｋ〜６４ｋの入力信号Ｓ１を周波数１６ｋ〜１２８ｋのＰＷＭ信号Ｓ２に変換するＰＷＭ信号生成回路と；ＰＷＭ信号Ｓ２のドライブ能力を高める駆動回路と；６４ｋに対応した時定数でＰＷＭ信号Ｓ２を平滑化するＬＰＦと；を有して成り、ＰＷＭ信号生成回路は、ＰＷＭ信号Ｓ２につき、１２８ｋであれば、各Ｔｂ毎にパルスの前寄せと後寄せを交互させながらその生成及び出力を行い、６４ｋであれば、いずれのＴｂについてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律としてその生成及び出力を行い、３２ｋ或いは１６ｋであれば、本来のパルスだけでなく、各Ｔｂを２等分或いは４等分する追加パルスを挿入してからその出力を行う構成とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｄ級アンプ及びこれを備えた音響機器に関するものである。

従来より、Ｄ級アンプ（ディジタルアンプ）は、音声信号等の増幅手段として広く一般に用いられており、これに関する従来技術も種々開示・提案されている（例えば、本願出願人による特許文献１、２を参照）。

図３は、Ｄ級アンプを備えた音響機器の一従来例を示すブロック図である。

本図（ａ）、（ｂ）に示す通り、従来の一般的なＤ級アンプ２０（２０’）において、ディジタル音声信号Ｓ１に応じたＰＷＭ［Pulse Width Modulation］信号Ｓ２の生成及び出力を行うＰＷＭ信号生成回路２０ａは、スピーカ３０における再生音質の向上を最優先とすべく、サンプリング周波数ｆ１（本図では３２、１６、８［ｋＨｚ］）のディジタル音声信号Ｓ１に対して、一律的にそのｎ倍（本図では２倍）のＰＷＭ周波数ｆ２（本図では６４、３２、１６［ｋＨｚ］）を有するＰＷＭ信号Ｓ２を生成する構成とされていた。
すなわち、従来のＤ級アンプ２０（２０’）において、ＰＷＭ周波数ｆ２は、サンプリング周波数ｆ１に応じた変動値となっていた。

そのため、従来のＤ級アンプ２０（２０’）は、ＰＷＭ信号Ｓ２から効率的にアナログ音声信号Ｓ３を得るべく、ローパスフィルタ２０ｃ（２０ｃ’）の時定数をＰＷＭ周波数ｆ２に応じて適宜切り替える構成とされていた。

なお、上記時定数の切替動作を実現する構成としては、図３（ａ）に示すように、ローパスフィルタ２０ｃとして、各ＰＷＭ周波数ｆ２に対応する複数のローパスフィルタを設けておき、そのいずれか一を切替信号に応じて適宜選択する構成や、図３（ｂ）に示すように、可変ローパスフィルタ２０ｃ’を設けておき、切替信号に応じてその時定数を適宜調整する構成などを挙げることができる。

特開２００１−２２３５３６号公報 特開２００１−２２３５３８号公報

確かに、音声信号等の増幅手段として、Ｄ級アンプを用いれば、その出力段の単純さやエネルギ効率の高さから、音響機器の小型化や低消費電力化に貢献することができる。

しかしながら、図３（ａ）の構成では、複数のローパスフィルタを設ける必要があるため、各々を構成するディスクリート素子（抵抗、コンデンサ、インダクタなど）の数が増加して、回路規模の縮小を阻害する一要因となっていた。また、図３（ｂ）の構成でも、スイッチドキャパシタ等の大型ディスクリート素子が必要とされるため、やはり回路規模の縮小を阻害する要因となっていた。

本発明は、上記の問題点に鑑み、回路規模の増大（ディスクリート素子の増加）を招くことなく、サンプリング周波数の異なる入力信号毎に適切な増幅処理を行うことが可能なＤ級アンプ、及び、これを備えた音響機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Ｄ級アンプは、サンプリング周波数２ｆ、ｆ（ｆ≠０）のうち、いずれか一でサンプリングされたディジタル音声信号の入力を受け、各ディジタル音声信号をそのｎ倍（ｎは自然数）のＰＷＭ周波数ｎ×２ｆ、ｎ×ｆを有するＰＷＭ信号に変換して出力するＰＷＭ信号生成回路と；前記ＰＷＭ信号のドライブ能力を高めて出力する駆動回路と；ＰＷＭ周波数ｎ×ｆに対応した時定数で、前記駆動回路からのＰＷＭ信号を平滑化するローパスフィルタと；を有して成るＤ級アンプであって、前記ＰＷＭ信号生成回路は、ＰＷＭ周波数ｎ×２ｆを有するＰＷＭ信号については、各周期毎にパルスの前寄せと後寄せとを交互に切り替えながらその生成及び出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×ｆのＰＷＭ信号については、いずれの周期についてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律としてその生成及び出力を行う構成（第１の構成）とされている。

なお、本発明に係るＤ級アンプは、サンプリング周波数ｆ、（１／２）ｆ、…、（１／２）^mｆ（ｆ≠０、ｍは自然数）のうち、いずれか一でサンプリングされたディジタル音声信号の入力を受け、各ディジタル音声信号をそのｎ倍（ｎは自然数）のＰＷＭ周波数ｎ×ｆ、ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆを有するＰＷＭ信号に変換して出力するＰＷＭ信号生成回路と；前記ＰＷＭ信号のドライブ能力を高めて出力する駆動回路と；ＰＷＭ周波数ｎ×ｆに対応した時定数で、前記駆動回路からのＰＷＭ信号を平滑化するローパスフィルタと；を有して成るＤ級アンプであって、前記ＰＷＭ信号生成回路は、ＰＷＭ周波数ｎ×ｆのＰＷＭ信号については、その直接出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆのＰＷＭ信号については、本来のパルスだけでなく、各周期を２^m等分する追加パルスを挿入してからその出力を行う構成（第２の構成）としてもよい。

また、上記第１、第２の構成をいずれも併せ持った構成として、本発明に係るＤ級アンプは、サンプリング周波数２ｆ、ｆ、（１／２）ｆ、…、（１／２）^mｆ（ｆ≠０）のうち、いずれか一でサンプリングされたディジタル音声信号の入力を受け、各ディジタル音声信号をそのｎ倍（ｎは自然数）のＰＷＭ周波数ｎ×２ｆ、ｎ×ｆ、ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆを有するＰＷＭ信号に変換して出力するＰＷＭ信号生成回路と；前記ＰＷＭ信号のドライブ能力を高めて出力する駆動回路と；ＰＷＭ周波数ｎ×ｆに対応した時定数で、前記駆動回路からのＰＷＭ信号を平滑化するローパスフィルタと；を有して成るＤ級アンプであって、前記ＰＷＭ信号生成回路は、ＰＷＭ周波数ｎ×２ｆを有するＰＷＭ信号については、各周期毎にパルスの前寄せと後寄せとを交互に切り替えながらその生成及び出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×ｆのＰＷＭ信号については、いずれの周期についてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律としてその生成及び出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆのＰＷＭ信号については、いずれの周期についてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律としてその生成を行うとともに、本来のパルスだけでなく各周期を２^m等分する追加パルスを挿入してからその出力を行う構成（第３の構成）としてもよい。

また、本発明に係る音響機器は、上記した第１〜第３いずれかの構成から成るＤ級アンプと、その出力信号によって駆動されるスピーカと、を有して成る構成（第４の構成）にするとよい。

本発明によれば、回路規模の増大（ディスクリート素子の増加）を招くことなく、サンプリング周波数の異なる入力信号毎に適切な増幅処理を行うことが可能なＤ級アンプ、及び、これを備えた音響機器を提供することが可能となる。

図１は、本発明に係る音響機器の一実施形態を示すブロック図である。

本図に示すように、本実施形態の音響機器は、デコーダ１と、Ｄ級アンプ２と、スピーカ３と、マイコン４と、を有して成る。

なお、上記のＤ級アンプ２は、ＰＷＭ信号生成回路２ａと、駆動回路２ｂと、ローパスフィルタ２ｃと、を有して成る。

デコーダ１は、図示しないソース（メディア再生回路やマイク入力回路など）からの音声信号に対して各種のデコード処理（サンプリングレート変換処理、音声フォーマット変換処理、圧縮／伸長処理など）を施すことで、ディジタル音声信号Ｓ１の生成及び出力を行う手段である。

なお、本実施形態において、ディジタル音声信号Ｓ１は、相異なる複数のサンプリング周波数ｆ１（本実施形態では６４、３２、１６、８［ｋＨｚ］）のうち、いずれか一でサンプリングされたディジタルデータであり、２ｆ、ｆ、（１／２）ｆ、…、（１／２）^mｆ（ｆ≠０）という一般式で表すことができる。すなわち、本実施形態の例は、ｆ＝３２［ｋＨｚ］、ｍ＝２の場合に相当する。

ＰＷＭ信号生成回路２ａは、サンプリング周波数の異なるディジタル音声信号Ｓ１の入力を受け、各ディジタル音声信号Ｓ１をそのｎ倍（本実施形態では２倍）のＰＷＭ周波数ｆ２（本実施形態では１２８、６４、３２、１６［ｋＨｚ］）を有するＰＷＭ信号に変換して出力する手段である。なお、上記パラメータｎとして、ｎ＝１と設定することも可能ではあるが、音質の向上（劣化低減）を鑑みれば、ｎ≧２と設定することが望ましい。

駆動回路２ｂは、ＰＷＭ信号Ｓ２のドライブ能力（電流供給能力）を高めて出力する手段（電流バッファ回路）である。

ローパスフィルタ２ｃは、駆動回路２０ｂからのＰＷＭ信号Ｓ２を平滑化することで、ディジタル音声信号Ｓ１に応じた電圧レベルを有するアナログ音声信号Ｓ３の生成及び出力を行う手段であり、一般には、抵抗とコンデンサから成るＲＣ時定数回路や、インダクタとコンデンサから成るＬＣ時定数回路によって構成される。なお、本実施形態のローパスフィルタ２ｃは、６４［ｋＨｚ］のＰＷＭ周波数ｆ２を有するＰＷＭ信号Ｓ２に対応した時定数を備えた構成とされている。

スピーカ３は、Ｄ級アンプ２の出力信号（ローパスフィルタ２ｃにて得られるアナログ音声信号Ｓ３）によって駆動される音声出力手段である。

マイコン４は、音響機器の統括的制御を行う手段であり、機器各部の動作制御を行うほか、デコーダ１から入力される情報信号（例えば、ディジタル音声信号Ｓ１に含まれるタグ情報）に基づいて、ディジタル音声信号Ｓ１のサンプリング周波数ｆ１を認識し、その認識結果に応じてＰＷＭ信号生成回路２ａへの信号生成指示を行う構成とされている。

次に、マイコン４からの信号生成指示を受けたＰＷＭ信号生成回路２ａの動作について図２を参照しながら詳細に説明する。

図２は、ＰＷＭ信号生成回路２ａの一動作例を示すタイミングチャートである。

なお、本図（ａ）では、６４［ｋＨｚ］のサンプリング周波数ｆ１を有するディジタル音声信号Ｓ１が入力された場合について、上から順に、ディジタル音声信号Ｓ１、本願発明のＰＷＭ信号Ｓ２、及び、従来構成のＰＷＭ信号が示されている。同様に、本図（ｂ）〜（ｄ）では、３２、１６、８［ｋＨｚ］のサンプリング周波数ｆ１を有するディジタル音声信号Ｓ１が入力された場合について、各々上から順に、ディジタル音声信号Ｓ１、本願発明のＰＷＭ信号Ｓ２、及び、従来構成のＰＷＭ信号が示されている。

まず、本図（ａ）の場合、すなわち、６４［ｋＨｚ］のサンプリング周波数ｆ１を有するディジタル音声信号Ｓ１が入力された場合について説明する。

この場合、ＰＷＭ信号生成回路２ａでは、１２８［ｋＨｚ］のＰＷＭ周波数ｆ２を有するＰＷＭ信号Ｓ２の生成が行われる。すなわち、ＰＷＭ信号Ｓ２としては、サンプリング周期Ｔａ毎に得られる音声データｄ１、ｄ２、…、ｄ８に対して、２つずつパルスが生成されることになる。このとき、ＰＷＭ信号生成回路２ａは、マイコン４からの信号生成指示に基づいて、ディジタル音声信号Ｓ１のサンプリング周波数ｆ１を認識し、各ＰＷＭ周期Ｔｂ毎にパルスの前寄せと後寄せとを交互に切り替えながら、ＰＷＭ信号Ｓ２の生成及び出力を行う。

なお、上記したパルスの前寄せとは、ＰＷＭ周期Ｔｂの開始からその途中まで、所定の幅だけハイレベル電位を印加することを言い、パルスの後寄せとは、これと逆に、ＰＷＭ周期Ｔｂの途中からその終了まで、所定の幅だけハイレベル電位を印加することを言う。

このような信号生成制御により、ＰＷＭ信号生成回路２ａで得られるＰＷＭ信号Ｓ２のＰＷＭ周波数ｆ２は、擬似的に６４［ｋＨｚ］に相当するものとなる。

なお、当該信号生成制御を行ったとしても、ＰＷＭ信号Ｓ２に含まれるパルスが間引かれるわけではないので、ローパスフィルタ２０ｃを通して得られるアナログ音声信号Ｓ３の電圧レベルが意図しない電圧レベルに変動してしまうことはほとんどない。

次に、本図（ｂ）の場合、すなわち、３２［ｋＨｚ］のサンプリング周波数ｆ１を有するディジタル音声信号Ｓ１が入力された場合について説明する。

この場合、ＰＷＭ信号生成回路２ａでは、６４［ｋＨｚ］のＰＷＭ周波数ｆ２を有するＰＷＭ信号Ｓ２の生成が行われる。すなわち、ＰＷＭ信号Ｓ２としては、サンプリング周期Ｔａ毎に得られる音声データｄ１、ｄ３、ｄ５、ｄ７に対して、２つずつパルスが生成されることになる。このとき、ＰＷＭ信号生成回路２ａは、マイコン４からの信号生成指示に基づいて、ディジタル音声信号Ｓ１のサンプリング周波数ｆ１を認識し、いずれのＰＷＭ周期Ｔｂについてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律として、ＰＷＭ信号Ｓ２の生成及び出力を行う。なお、本実施形態では、いずれのＰＷＭ周期Ｔｂについてもパルスを一律に前寄せとしてＰＷＭ信号Ｓ２の生成及び出力を行う構成とされている。

このような信号生成制御により、ＰＷＭ信号生成回路２ａで得られるＰＷＭ信号Ｓ２のＰＷＭ周波数ｆ２は、従来と同様に、６４［ｋＨｚ］となる。

次に、本図（ｃ）の場合、すなわち、１６［ｋＨｚ］のサンプリング周波数ｆ１を有するディジタル音声信号Ｓ１が入力された場合について説明する。

この場合、ＰＷＭ信号生成回路２ａでは、３２［ｋＨｚ］のＰＷＭ周波数ｆ２を有するＰＷＭ信号Ｓ２の生成が行われる。すなわち、ＰＷＭ信号Ｓ２としては、サンプリング周期Ｔａ毎に得られる音声データｄ１、ｄ５に対して、２つずつパルスが生成されることになる。このとき、ＰＷＭ信号生成回路２ａは、マイコン４からの信号生成指示に基づいてディジタル音声信号Ｓ１のサンプリング周波数ｆ１を認識し、いずれのＰＷＭ周期Ｔｂについてもパルスを一律に前寄せとしてＰＷＭ信号Ｓ２の生成を行うとともに、本来のパルスだけでなく各ＰＷＭ周期Ｔｂを２等分する追加パルスを挿入してＰＷＭ信号Ｓ２の出力を行う。

このような信号生成制御により、ＰＷＭ信号生成回路２ａで得られるＰＷＭ信号Ｓ２のＰＷＭ周波数ｆ２は、擬似的に６４［ｋＨｚ］に相当するものとなる。

なお、上記した追加パルスの挿入に関しては、その直前に存在する本来のパルスを複写して挿入すればよい。このような構成とすることにより、当該信号生成制御を行ったとしても、元々ＰＷＭ信号Ｓ２に含まれていたパルスを反復重畳しているに過ぎないため、ローパスフィルタ２０ｃを通して得られるアナログ音声信号Ｓ３の電圧レベルが意図しない電圧レベルに変動してしまうことはほとんどない。

最後に、本図（ｄ）の場合、すなわち、８［ｋＨｚ］のサンプリング周波数ｆ１を有するディジタル音声信号Ｓ１が入力された場合について説明する。

この場合、ＰＷＭ信号生成回路２ａでは、１６［ｋＨｚ］のＰＷＭ周波数ｆ２を有するＰＷＭ信号Ｓ２の生成が行われる。すなわち、ＰＷＭ信号Ｓ２としては、サンプリング周期Ｔａに含まれる音声データｄ１に対して、２つずつパルスが生成されることになる。このとき、ＰＷＭ信号生成回路２ａは、マイコン４からの信号生成指示に基づいてディジタル音声信号Ｓ１のサンプリング周波数ｆ１を認識し、いずれのＰＷＭ周期Ｔｂについてもパルスを一律に前寄せとしてＰＷＭ信号Ｓ２の生成を行うとともに、本来のパルスだけでなく各ＰＷＭ周期Ｔｂを４等分する追加パルスを挿入してＰＷＭ信号Ｓ２の出力を行う。

このような信号生成制御により、ＰＷＭ信号生成回路２ａで得られるＰＷＭ信号Ｓ２のＰＷＭ周波数ｆ２は、擬似的に６４［ｋＨｚ］に相当するものとなる。

なお、上記した追加パルスの挿入に関しては、先述と同様、その直前に存在する本来のパルスを複写して挿入すればよい。このような構成とすることにより、当該信号生成制御を行ったとしても、元々ＰＷＭ信号Ｓ２に含まれていたパルスを反復重畳しているに過ぎないため、ローパスフィルタ２０ｃを通して得られるアナログ音声信号Ｓ３の電圧レベルが意図しない電圧レベルに変動してしまうことはほとんどない。

このように、本実施形態のＤ級アンプ２であれば、ＰＷＭ信号生成回路２ａで生成されるＰＷＭ信号Ｓ２のＰＷＭ周波数ｆ２をいずれも６４［ｋＨｚ］に統一することが可能となる。従って、回路規模の増大（ディスクリート素子の増加）を招来するローパスフィルタ２ｃの時定数切替制御を要することなく、単一の時定数を備えたローパスフィルタ２ｃを共用しながら、サンプリング周波数ｆ１の異なるディジタル音声信号Ｓ１毎に適切な増幅処理を行うことができ、延いては、Ｄ級アンプ２、及び、これを備えた音響機器（ディジタルオーディオプレーヤ、ディジタルＩＣレコーダ、ディジタル音声合成装置など）の小型化や省電力化を図ることが可能となる。

なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

本発明は、Ｄ級アンプ及びこれを備えた音響機器（ディジタルオーディオプレーヤ、ディジタルＩＣレコーダ、ディジタル音声合成装置など）の小型化や省電力化を図る上で有用な技術である。

は、本発明に係る音響機器の一実施形態を示すブロック図である。 は、ＰＷＭ信号生成回路２ａの一動作例を示すタイミングチャートである。 は、Ｄ級アンプを備えた音響機器の一従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１ デコーダ
２ Ｄ級アンプ
２ａ ＰＷＭ信号生成回路
２ｂ 駆動回路
２ｃ ローパスフィルタ
３ スピーカ
４ マイコン
Ｓ１ ディジタル音声信号
Ｓ２ ＰＷＭ信号
Ｓ３ アナログ音声信号

Claims (4)

1. サンプリング周波数２ｆ、ｆ（ｆ≠０）のうち、いずれか一でサンプリングされたディジタル音声信号の入力を受け、各ディジタル音声信号をそのｎ倍（ｎは自然数）のＰＷＭ周波数ｎ×２ｆ、ｎ×ｆを有するＰＷＭ信号に変換して出力するＰＷＭ信号生成回路と；前記ＰＷＭ信号のドライブ能力を高めて出力する駆動回路と；ＰＷＭ周波数ｎ×ｆに対応した時定数で、前記駆動回路からのＰＷＭ信号を平滑化するローパスフィルタと；を有して成るＤ級アンプであって、前記ＰＷＭ信号生成回路は、ＰＷＭ周波数ｎ×２ｆを有するＰＷＭ信号については、各周期毎にパルスの前寄せと後寄せとを交互に切り替えながらその生成及び出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×ｆのＰＷＭ信号については、いずれの周期についてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律としてその生成及び出力を行うことを特徴とするＤ級アンプ。
2. サンプリング周波数ｆ、（１／２）ｆ、…、（１／２）^mｆ（ｆ≠０、ｍは自然数）のうち、いずれか一でサンプリングされたディジタル音声信号の入力を受け、各ディジタル音声信号をそのｎ倍（ｎは自然数）のＰＷＭ周波数ｎ×ｆ、ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆを有するＰＷＭ信号に変換して出力するＰＷＭ信号生成回路と；前記ＰＷＭ信号のドライブ能力を高めて出力する駆動回路と；ＰＷＭ周波数ｎ×ｆに対応した時定数で、前記駆動回路からのＰＷＭ信号を平滑化するローパスフィルタと；を有して成るＤ級アンプであって、前記ＰＷＭ信号生成回路は、ＰＷＭ周波数ｎ×ｆのＰＷＭ信号については、その直接出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆのＰＷＭ信号については、本来のパルスだけでなく、各周期を２^m等分する追加パルスを挿入してからその出力を行うことを特徴とするＤ級アンプ。
3. サンプリング周波数２ｆ、ｆ、（１／２）ｆ、…、（１／２）^mｆ（ｆ≠０）のうち、いずれか一でサンプリングされたディジタル音声信号の入力を受け、各ディジタル音声信号をそのｎ倍（ｎは自然数）のＰＷＭ周波数ｎ×２ｆ、ｎ×ｆ、ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆを有するＰＷＭ信号に変換して出力するＰＷＭ信号生成回路と；前記ＰＷＭ信号のドライブ能力を高めて出力する駆動回路と；ＰＷＭ周波数ｎ×ｆに対応した時定数で、前記駆動回路からのＰＷＭ信号を平滑化するローパスフィルタと；を有して成るＤ級アンプであって、前記ＰＷＭ信号生成回路は、ＰＷＭ周波数ｎ×２ｆを有するＰＷＭ信号については、各周期毎にパルスの前寄せと後寄せとを交互に切り替えながらその生成及び出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×ｆのＰＷＭ信号については、いずれの周期についてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律としてその生成及び出力を行い、ＰＷＭ周波数ｎ×（１／２）ｆ、…、ｎ×（１／２）^mｆのＰＷＭ信号については、いずれの周期についてもパルスの前寄せ或いは後寄せを一律としてその生成を行うとともに、本来のパルスだけでなく、各周期を２^m等分する追加パルスを挿入してからその出力を行うことを特徴とするＤ級アンプ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＤ級アンプと、その出力信号によって駆動されるスピーカと、を有して成ることを特徴とする音響機器。

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