JP2009065427A - 音響信号用電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力信号に可聴帯域を超える高域成分が高レベルで含まれている場合に、スピーカや出力トランジスタを破壊から保護する音響信号用電力増幅装置を提供する。
【解決手段】ハイパスフィルタ部５１、ローパスフィルタ部５２は、カットオフ周波数が可聴帯域の上限（18kHzないし22kHz）以上の設定値に固定設定されて周波数特性がクロスオーバする特性を有している。ハイパスフィルタ部５１は入力信号(1)の周波数成分の内、高域成分を抽出し、ローパスフィルタ部５２は低域成分を通過させる。ハイパスフィルタ部５１の出力信号(2)は、レベル制御部５３に入力され、ここで、高域成分のレベルが所定値を超えないようにゲイン（利得）が制御された出力信号(4)となり、加算器５４において、ローパスフィルタ部５２の出力信号(5)と加算（混合）され、高域制限部２６の出力信号(6)となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、オーディオ・パワーアンプを保護する技術に関するものである。

オーディオ・パワーアンプの音楽ソースにおいては、可聴帯域よりも高域の成分を多量に含んだものはなかった。このような高域成分は人間には聞こえないはずであるが、含まれている場合といない場合とでは、それを聞くユーザに与える印象（プレゼンス）が相当違うことがわかっている。
最近では、可聴帯域よりも高域の成分を記録再生できる音楽ソースが増えてきた。例えば、以前のデジタルオーディオのサンプリング周波数は44.1kHz又は48kHzであったが、DVDオーディオ、SACD（スーパオーディオ・コンパクト・ディスク）など、サンプリング周波数が96kHz，192kHz、さらに、それ以上の音楽ソースが出現している。
業務用の音響機器、例えば、ディジタルミキサにおいても、サンプリング周波数を96kHz，192kHzに上げて、可聴帯域よりも高域の成分を減衰させることなく処理するものが出現した。
このような高いサンプリング周波数であれば、その半分の周波数まで、従って、人間の可聴帯域（20Hz〜20kHz、個人差、年齢差がある）よりも高域の成分を含んだオーディオ信号を処理することができる。
従って、業務用の大出力オーディオ・パワーアンプについても、可聴帯域よりも高域の成分を減衰させずに出力したいという要望がある。

従来の業務用オーディオ・パワーアンプでも、一般に、増幅器自体は可聴帯域を超えて平坦な周波数特性を有している。しかし、入力信号には高域成分がそれ程含まれていないという前提で設計され、安全のため、入力部に、可聴帯域のみを通過させるローパスフィルタ（LPF）を設けて、可聴帯域よりも高域の成分を減衰させていた。
そこで、業務用オーディオ・パワーアンプにおいて、入力部のローパスフィルタ（LPF）を取り外して高域成分も減衰させずに出力できるようにしたい。

しかし、高域成分の入力信号が過大になると、負荷であるスピーカのボイスコイルを壊してしまうおそれがある。また、プッシュプル出力段では、高域成分の信号を入力すると、オン側の出力トランジスタからオフ側の出力トランジスタの端子間容量を介して流れる貫通電流（縦電流）が増えることにより、オン側の出力トランジスタの内部損失が増えて発熱量が増加する。
Ｂ級又はＡＢ級のパワーアンプの場合、元来、電力利用効率が良いため、これに合わせてヒートシンク（放熱器）の放熱能力が設計されているために、発熱量の増加により、出力トランジスタを破壊してしまうおそれがある。
従来のオーディオ・パワーアンプにおいては、過大出力電力等に対して、出力段のトランジスタやスピーカを保護する回路が設けられている（特許文献１参照）。保護回路は、例えば、出力段への信号を減衰させたり遮断させたりする。
しかし、高域の成分が過大であった場合に、これを直接的に検出してスピーカやトランジスタやを保護する回路は設けられていなかった。

また、従来のオーディオ・パワーアンプによっては、可聴帯域よりも高域の入力信号に対しては所期の機能が得られないものもある。
例えば、高効率アンプ駆動技術を採用したオーディオ・パワーアンプ（特許文献２参照）は、出力トランジスタに供給する電源電圧をオーディオ入力信号の瞬時振幅に追従させて、出力トランジスタを動作させるに必要な最小限のコレクタ電圧を供給することにより、出力トランジスタのコレクタ損失を最小限に抑えるものである。
そのために、オーディオ入力信号の瞬時振幅に応じてスイッチング動作をする主電源路と、主電源路の不足分を補うために、入力信号の瞬時振幅に高速で追従する直列型の電圧制御をする補助電源路とを備えている。
しかし、可聴帯域を超える高域の信号に対しては制御動作に時間遅れが生じる。そのため、高域の入力信号の瞬時振幅が0又は0に近い期間においても、出力トランジスタのコレクタ電圧が低下しなくなる。そのため、出力トランジスタのコレクタ損失が増大し、発熱量が増えて、出力トランジスタを壊してしまうという問題もある。
特開２００５−２８６５４６号公報 特許２６６９１９９号明細書

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであって、入力信号に可聴帯域を超える高域成分が高レベルで含まれている場合に、スピーカや出力トランジスタを破壊から保護する音響信号用電力増幅装置を提供することを目的とするものである。

本願の発明は、請求項１に記載の発明においては、音響信号用電力増幅装置において、音響信号を入力する入力手段と、該入力手段が入力した音響信号を入力し、カットオフ周波数が可聴帯域の上限以上の設定値に固定されて周波数特性が交叉するハイパスフィルタ及びローパスフィルタと、前記ハイパスフィルタから出力される信号を入力し、該信号のレベルをゲイン制御信号に応じて制御するレベル制御手段と、前記ハイパスフィルタから出力される信号を入力して整流する整流手段と、該整流手段から出力される信号に追従し、該信号の立ち上がりへの追従速度に比べて該信号の立ち下がりへの追従速度が遅い追従信号を生成する追従信号生成手段と、前記追従信号生成手段から出力される追従信号を入力し、該追従信号が、固定設定された閾値を超えたとき、前記レベル制御手段が出力する信号のレベルが所定値を超えないように前記ゲイン制御信号を生成するゲイン生成手段と、前記レベル制御手段から出力される信号と前記ローパスフィルタから出力される信号とを混合する混合手段と、該混合手段が出力する信号を入力して電力増幅する電力増幅手段を備えたものである。

従って、あらかじめ固定設定された可聴帯域の上限以上の設定値を超える高域成分のレベルが大きな音響信号が入力されたとき、あらかじめ固定設定された閾値を超える追従信号が生成されるために、レベル制御手段が出力する信号は、その高域成分のレベルが所定値を超えないように制御される。
その結果、電力増幅手段に入力される信号に含まれる、可聴帯域の上限以上の設定値を超える高域成分のレベルが所定値を超えないから、ボイスコイルの破損からスピーカを保護するとともに、内部損失の増大による温度上昇による熱破壊から出力トランジスタを保護することができる。
可聴帯域の上限値は18kHzないし22kHz、典型的には20kHzとする。可聴帯域の上限以上の設定値としては、この上限値に設定すればよい。

請求項２に記載の発明においては、請求項１に記載の音響信号用電力増幅装置において、前記電力増幅手段は、当該電力増幅手段が入力した信号に追従して出力トランジスタに供給する電源電圧を制御する入力信号追従型電源を有するものである。
従って、可聴帯域を超える高域の成分に対して、出力トランジスタに供給する電源電圧が追従できない場合に、出力トランジスタの損失が大きくなって温度が上昇することによる熱破壊を回避することができる。
出力トランジスタとしては、バイポーラトランジスタを用いる他、MOS-FET（metal oxide semiconductor - field effect transistor）を用いる場合もある。

以上の通り、本願発明は、入力信号に可聴帯域の上限以上の設定値を超える高域成分が含まれている場合に、この高域成分のレベルが低かったり、一時的なものであったりすれば、この高域成分を減衰させることなくそのままスピーカに出力する。従って、可聴帯域を超える高域成分により、聴取者に与える印象（プレゼンス）を良好にする。
これに対し、可聴帯域の上限以上の設定値を超える高域成分のレベルが、固定設定された閾値を超えた場合は、その高域成分のレベルが制限される。このような高域成分は、もともと人間の可聴帯域の上限を超えているから、制限されたことに気付かれることが少ない。その結果、人に気付かれないような高域成分によりスピーカのボイスコイルや出力トランジスタが破損するのを未然に防止できるという効果がある。

図１は、本願発明の実施形態であるパワーアンプのブロック構成図である。
図中、１はソースであって、可聴帯域よりも高域の成分を含んだ音響信号を出力する装置である。２はパワーアンプ、３はパワーアンプ２の負荷となるスピーカである。
図示の例では、１系統の信号経路を示している。スピーカ３は、クロスオーバ・ネットワークを介して接続される複数のスピーカユニットで構成される場合もある。また、可聴帯域を複数に分割し、各帯域別にパワーアンプを使用してマルチアンプ構成にする場合は、各アンプの内部に、クロスオーバ・ネットワーク用フィルタを内蔵する。この場合、その高域を分担するパワーアンプに本願発明の実施形態を適用する。

ソース１から入力された信号がアナログ波形信号の場合は、波形入力部４においてA/D変換し、波形データ形式（ディジタル波形信号）に変換されて信号処理部５に出力される。一方、ソース１から入力された信号が、波形データ形式である場合は、波形入力部４において、並直列変換、サンプリング周波数の変換等の処理を行い、信号処理部５に出力する。
信号処理部５は、例えば、96kHzのサンプリング周波数で処理を行い、可聴帯域（20kHz）を超える48kHz近傍までの周波数成分を処理する。信号処理部５では、図２を参照して後述するように、特性調整及びレベル制御を実行するとともに、本願発明の実施形態に特有の、高域制限処理を実行する。信号処理された波形データ形式の信号は、D/A・A/D部６に出力される。

D/A・A/D部６において、信号処理部５から出力された信号は、アナログ波形形式に変換され、図２を参照して後述する電力増幅部７に供給される。電力増幅部７においては、入力した信号を電圧増幅及び電力増幅し、出力端子よりスピーカ３へ出力される。
電力増幅部７においては、図２を参照して後述するように、電流、電圧、温度を検出しており、これらのアナログ検出信号は、D/A・A/D部６において、A/D変換されて信号処理部５に戻される。
従って、図示の信号処理部５は、オーディオ信号の処理に加えて、電力増幅部７の保護のために、電流、電圧、温度の異常を検出し、電力増幅部７に供給する信号を減衰させたり遮断（カット、ミュート）させたりする処理を行う。

上述した信号系統の各ブロック、及び、操作子９、表示器１０、その他の入出力部（I/O）は、バス８を介してCPU１２により制御される。CPU１２は、フラッシュメモリ１３に記憶されたプログラムに従って、RAM１４をワーク領域として制御を実行する。
CPU１２は、また、パワーアンプの電源起動時に、フラッシュメモリ１３に記憶されていた信号処理部５を機能させるためのプログラム、及び、係数データを信号処理部５に初期設定（セットアップ）する。なお、上述した電力増幅部７の保護のための検出機能は、信号処理部５に代えてCPU１２が実行してもよい。この場合も、電力増幅部７に出力する信号の減衰又は遮断処理自体は、信号処理部５内で実行することができる。

操作子９は信号処理部５における特性調節など、ユーザに開放されているパラメータを調整する。RAM１４には、信号処理部５内の各ブロックにおける現在の係数データ（動作データ）が記憶されている。操作子９は、記憶されている係数データを書き替え、書き替えられた係数データは信号処理部５に反映される。
表示器１０は、入力信号のレベルを表示したり、係数データの設定値を表示したり、検出している温度、電圧、電流の異常を表示したりする。
その他の入出力部（I/O１１）は、外部コントローラ、パーソナルコンピュータに接続するためのLANインタフェースである。

図２は、図１に示された信号処理部５が実行する信号処理アルゴリズム及び電力増幅部７の内部構成を示すブロック図である。
図中、図１と同様な部分には同じ符号を付している。
２１は特性調整部であって、波形入力部４が出力した波形データ形式の入力信号の特性を調整するブロックであって、クロスオーバフィルタ部２２、ディレイ部２３、イコライザ部２４、リミッタ部２５を有している。

クロスオーバフィルタ部２２は、既に説明したマルチアンプ構成を採用した場合に使用される。これは、各パワーアンプに割り当てられた帯域の信号成分を通過させるフィルタ特性を与える。可聴帯域の高域を割り当てられるパワーアンプにおいては、可聴帯域を超える高域の成分も減衰することなく通過するように係数データを設定しておく。
ディレイ部２３は、広い会場に複数のスピーカを配置する場合において、各スピーカに出力を供給する各パワーアンプにおいて、遅延量を調整するために使用される。
イコライザ部２４は、スピーカが設置された室内の壁からの反射により定在波が立って周波数特性が平坦にならないのを補償するために使用される。これは、入力信号の周波数特性を制御する。
リミッタ部２５は、過大な波形データ入力に対して、スピーカ３を保護するために使用される。

高域制限部２６において、可聴帯域の上限以上の設定値を超える高域成分のレベルが、固定設定された閾値を超えたとき、出力される高域成分のレベルが所定値を超えないようにレベル制限をすることにより、後続する電力増幅部７において、この高域成分によるスピーカ及び出力トランジスタの破壊から保護する。これに対し、この高域成分が小さい間は、レベル制限することなく出力する。
人間の可聴帯域の上限値は、一般に、20kHzと言われているが、個人差があり、また、年齢が上がるほど低下すると言われている。そこで、人間の可聴帯域の上限値を18kHzないし22kHz、典型的には20kHzとして設計する。可聴帯域の上限以上の設定値としては、この上限値に設定すればよい。

高域成分のレベルが大きいとき、この高域成分が可聴帯域を超えれば直ちにスピーカや出力トランジスタを破損させるわけではない。従って、実際のパワーアンプに応じて、破損が問題となる周波数を超えない周波数値を、可聴帯域の上限以上の設定値としてもよい。
一般に、入力信号に30〜40kHz以上の高域成分のレベルが大きくなると、問題が生じる。従って、可聴帯域の上限以上の設定値を30kHzとして、これを超える高域成分について、そのレベルが過大になったときに、この高域成分のレベルを抑制して出力するように設計してもよい。
高域制限部２６を実現するための詳細な構成は、図３〜図５を参照して後述する。

レベル制御部２７は、通常動作時においては、入力された信号のレベルを制御する。設定レベル部２８は、図１に示した操作子９の一つである音量ボリュームにより設定された音量レベルに応じて、レベル制御部２７において乗算係数が制御され、所望の音量レベルとなった信号が、D/A・A/D部６内のD/A変換部３２に出力される。
レベル制御部２７は、また、電力増幅部７を保護すべき時に、信号処理部５から出力される信号のレベルを減衰させたり遮断させたりする処理を実行する。
D/A・A/D部６内には、後述する温度検出部４６，電流検出部４７，電圧検出部４８のアナログ検出出力をディジタル値に変換するA/D変換器３３，３４，３５を備えている。

上述した特性調整部２１内の各ブロックは、レベル制御部２７とともに、ユーザに係数データの調整が開放されている。これに対して、高域制限部２６は、保護機能に属するブロックであり、かつ、パワーアンプ７の回路構成を考慮して係数データを設定する必要があることから、係数データは固定設定されており、ユーザが調整できないようにしている。

なお、図示の例では、高域制限部２６に後続してレベル制御部２７を設けている。従って、高域制限部２６において、可聴帯域の上限以上の設定値を超える高域成分のレベルが所定値を超えないように制御されても、後続のレベル制御部２７において、音量ボリュームにより、信号のレベルが再度調整された上で、D/A・A/D部６を経て、電力増幅部７に出力されることになる。しかし、音量ボリュームにより調整される設定レベルの可変範囲は、通常の使用ではさほど広くないので、高域制限部２６において、高域成分のレベル制限をする閾値が固定であっても、電力増幅部７にさほど影響はない。

しかし、音量ボリュームにより調整される設定レベルの影響をなくすことは容易である。
後続のレベル制御部２７において音量ボリュームにより設定される設定レベルの値に応じて、レベル制限をする閾値をシフトさせて、電力増幅部７への出力信号のレベルに対して高域制限ができるようにすればよい。
あるいは、レベル制御部２７の後に高域制限部２６を設けるとともに、信号処理部５から出力する信号の減衰や遮断処理は、高域制限部２６の後に、図示しない第２のレベル制御部を設けて実行するようにし、この第２のレベル制御部の出力を、信号処理部５の出力とすればよい。

図示の電力増幅部７の構成は、一例として、背景技術において説明した高効率アンプ駆動技術を採用したパワーアンプである。
３６はオーディオ信号を入力する前段増幅部、３７は正電源、３８は負電源、３９は正側の入力信号追従型電源部、４０は前段増幅部３６から正方向のバイアスを加えられた信号を入力し、正側の電力増幅をする出力トランジスタ、４１はそのエミッタ抵抗である。４２は負側の追従型電源部、４３は前段増幅部３６から負方向のバイアスを加えられた信号を入力し、負側の電力増幅をする出力トランジスタ、４４はそのエミッタ抵抗である。出力トランジスタ４０，４３は、ＡＢ級又はＢ級で動作するプッシュプル構成となっている。なお、出力トランジスタ４０，４３はバイポーラトランジスタとして図示しているが、MOS-FETを用いる場合もある。

出力トランジスタ４０，４３、その他、図示しないトランジスタのうち、発熱量の大きなものは、ヒートシンク（放熱器）４５に取り付けられている。
温度検出部４６は、ヒートシンク４５の温度を検出するセンサであり、A/D変換器３３により温度データとなって、信号処理部５内の温度判定部３１に出力される。
電流検出部４７は、出力トランジスタ４０，４３の各エミッタ抵抗４１，４４の端子電圧を検出することにより、正負の出力電流を検出し、A/D変換器３４により電流データとなって、信号処理部５内のDC（直流）検出部３０及び過電力検出部２９に出力される。
電圧検出部４８は、出力端子の電圧を検出し、A/D変換器３５により電圧データとなって、DC（直流）検出部３０及び過電力検出部２９に出力される。

温度判定部３１は、検出された温度が所定の閾値を超えたとき、レベル制御部２７に対し、出力信号を減衰又は遮断することに相当する波形データを出力させる。
DC（直流）検出部３０は、出力電圧又は出力電流に直流成分が含まれているか否かを検出し、直流成分が検出されたとき、レベル制御部２７を、温度判定部３１と同様に制御する。
過電力検出部２９は、出力電圧と出力電流との各平均値（数100msec）を乗算することにより出力電力を検出し、この出力電力が定格を超えるとき、レベル制御部２７を、温度判定部３１やDC（直流）検出部３０と同様に制御する。
上述した電力増幅部７において、ブロック化して表示されている部分も、回路構成としては、接地端子と接続されているが、図示を省略している。

図３は、図２に示した高域制限部２６が実行する信号処理アルゴリズムの詳細を示すブロック構成図である。
図中、５１はハイパスフィルタ（HPF）部、５２はローパスフィルタ（LPF）部である。これらは、波形入力部４から特性制御部２１を経由した信号を入力し、カットオフ周波数が18kHzないし22kHzに固定設定されて周波数特性がクロスオーバ（交叉）する特性を有している。カットオフ周波数近傍の特性は急峻にする必要はないから２次のフィルタを用いればよい。

ハイパスフィルタ（HPF）部５１は特性調整部２１から入力された入力信号(1)の周波数成分の内、高域成分を抽出する。一方、ローパスフィルタ（LPF）部５２は、入力信号(1)の周波数成分の内、低域成分を通過させる。従って、ハイパスフィルタ部５１の出力信号(2)とローパスフィルタ部５２の出力信号(5)とを、そのまま加算した場合には、入力された信号に戻ることになる。
ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)は、レベル制御部５３に入力され、ここで、高域成分のレベルが所定値を超えないようにゲイン（利得）が制御された出力信号(4)となり、加算器５４において、ローパスフィルタ部５２の出力信号(5)と加算（混合）され、高域制限部２６の出力信号(6)となって、図２に示したレベル制御部２７に出力される。

図４は、図３に示した高域制限部２６におけるレベル制御部５３の入出力特性を示す説明図である。
図中、横軸はレベル制御部５３に入力されるハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)のレベルであり、縦軸はレベル制御部５３が出力する出力信号(4)のレベルである。
ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)は、整流部５５に入力され、半波整流又は全波整流され、追従信号生成部５６において、整流部５５の出力信号の立ち上がりへの追従速度に比べてこの出力信号の立ち下がりへの追従速度が遅い追従信号(3)を生成する。この追従信号(3)は、ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号のレベル（エンベロープレベル）に相当する。従って、図４の横軸は追従信号(3)の大きさでもある。

最初に、レベル制限特性ａの場合を説明する。
入力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が閾値Thになるまで、ゲイン生成部５７は、入力信号(2)を、そのまま出力信号(4)として出力する。
入力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が閾値Thを超える（Th＋x）（0＜x）と、ゲイン生成部５７は、出力信号(4)のレベルが閾値Thを維持するようなゲインを生成する。

レベル制御をリニアで実行する場合について説明する。
ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が、閾値Th(リニア値)になるまで、ゲイン生成部５７は、ゲイン「１」を生成し、レベル制御部５３は、上述した出力信号(2)にゲイン「1」を乗算して出力信号(4)とする。
上述した出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が、閾値Th(リニア値)を超えて（Th＋x）となるとき、ゲイン生成部５７は、１より小さい値になるゲイン「Th／（Th＋x）」を生成し、レベル制御部５３は、入力信号(2)にゲイン「Th／（Th＋x）」を乗算して出力信号(4)とする。

これに対して、レベル制御をデシベルで実行する場合について説明する。
ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が、閾値20logTh［dB］になるまで、ゲイン生成部５７は、ゲイン「0［dB］」を生成し、レベル制御部５３は、上述した出力信号(2)（dB値）にゲイン0［dB］を加算して出力信号(4)（dB値）とする。
上述した出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が、閾値20logTh［dB］を超えて、20log（Th＋x）［dB］となったとき、ゲイン生成部５７は、20logTh［dB］から20log（Th＋x）［dB］を引いた値（20logTh−20log（Th＋x））［dB］（負値になる）を、ゲイン［？］とする。
レベル制御部５３は、入力信号(2)［dB］にゲイン（20logTh−20log（Th＋x））［dB］を加算して出力信号(4)とする。

次に、レベル制限特性ｂの場合を説明する。
ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が閾値Thになるまで、ゲイン生成部５７は、上述した出力信号(2)を、そのまま出力信号(4)として出力するが、閾値Thを超えて大きくなるほど、出力信号(4)のレベルを小さくして、高域成分のレベルを低下させる。
信号処理をリニアで実行する場合について説明する。
上述した出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が、閾値Th(リニア値)を超えて（Th＋x）となったとき、ゲイン生成部５７は、｛Th／（Th＋x）｝^k（0＜x，1＜k）をゲイン(リニア)とする。
レベル制御部５３は、上述した出力信号(2)に｛Th／（Th＋x）｝^kを乗算して出力信号(4)とする。

一方、信号処理をデシベルで実行する場合について説明する。
上述した出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が、閾値20logTh［dB］を超えて、20log（Th＋x）［dB］となったとき、ゲイン生成部５７は、20logTh−20log（Th＋x）にkを掛けた値を、ゲイン値［？］とする。
レベル制御部５３は、上述した出力信号(2)［dB］にゲインk×（20logTh−20log（Th＋x））［dB］を加算して出力信号(4)［dB］とする。

上述したレベル制限特性ａ，ｂをリニア処理で実現する場合は、割り算をしなければならないし、デシベル処理で実現する場合は、最初にリニア値をデシベル値に変換しなければならないから、演算処理が複雑である。
そこで、上述したレベル制限特性ａ，ｂとさほど異ならない特性を簡単な演算で実現できるレベル制限特性ｃについて説明する。
ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が閾値Thになるまで、ゲイン生成部５７は、上述した出力信号(2)を、そのまま出力信号(4)として出力する。

ハイパスフィルタ（HPF）部５１の出力信号(2)のレベルを表す追従信号(3)が閾値Th(リニア値)を超えて（Th＋x）となったとき、ゲイン生成部５７は、（1−x）をゲイン(リニア)とする。
レベル制御部５３は、上述した出力信号(2)にゲイン（1−x）を乗算して出力信号(4)とする。出力信号(4)のレベルは、（Th＋x）×（1−x）となる。追従信号(3)に対して設定される閾値Thの設定値によっては、出力信号(4)のレベルが、閾値Thを超えるが、所定のレベルを超えることはなく、全体としては、入力レベルが大きくなるほど出力レベルが小さくなる傾向がある。
レベル制限をする対象は、可聴帯域を超えた高域成分であるため、このような簡単化されたレベル制限特性であっても、音質に影響を与えることがない。

上述したゲイン生成部５７においては、周知のコンプレッサやリミッタにおいて設定されることがあるアタックタイム、リリースタイムを設定してもよい。
すなわち、追従信号(3)が閾値Thを超えてから所定のアタックタイムを経過した後にレベル制限処理を開始する。また、追従信号(3)が閾値を下回ってから所定のリリースタイムを経過したときにレベル制限処理を解除する。このようなアタックタイムの設定により、高域成分のレベルが一時的に過大になった程度ではレベル制御部５３がレベル制限処理をしないようにしたり、リリースタイムの設定により、高域成分のレベルが過大になっている間に一時的にレベルが低下したときにも、レベル制御部５３がレベル制限処理を継続するような動作をすることができる。

図５は、図３に示した高域制限部２６の動作例を示すグラフである。図３の(1)〜(6)における信号波形を示している。横軸はmsec、縦軸は±１に正規化された振幅である。
図５（ａ）は、高域制限部２６への入力信号(1)を示す波形図である。可聴帯域の低周波信号成分（500Hz）と可聴帯域を超える高域の信号成分（40kHz）とが混合された信号である。高域の信号成分は、その波長が図示の時間目盛に比べて十分短いために、黒く塗りつぶされたようになっている。レベル制限特性の動作がよくわかるようにするため、レベルが変動する高域成分を入力している。

図５（ｂ）は、ハイパスフィルタ（HPF）５１の出力信号(2)を示す波形図である。
図５（ｃ）は、追従信号(3)を示す波形図である。この追従信号(3)は、図５（ｂ）に示したハイパスフィルタ（HPF）５１の出力信号(2)のレベルにほぼ等しい。しかし、追従信号生成部５６において、信号の立ち上がりへの追従速度に比べて該信号の立ち下がりへの追従速度が遅いことから、追従信号(3)は、波形の立ち上がりの傾斜に比べて立ち下がりの傾斜の方が緩やかになっている。そのため、出力信号(2)のレベル（エンベロープ波形のレベル）とは厳密には一致しない。従って、ゲイン生成部５７における閾値と出力信号(4)のレベル制限が開始される値とは、厳密には一致しない。

ゲイン生成部５７は、図示の例では、図４に示したように、閾値Th＝0.55とし、レベル制限特性ｂによるゲイン（１−x）を生成する。
図５（ｄ）はレベル制御部５３の出力信号(4)を示す波形図である。この出力信号(4)の波形のレベルが所定値＝（0.55＋x）（1−x）の最大値＝0.6（x＝0.225）を超えないようにレベル制限されている。
図示のように、出力信号(2)及び出力信号(3)が閾値Th＝0.55を超えている期間において、出力信号(4)の波形が凹んでいる。これは、レベル制限特性ｂが、ハイパスフィルタ（HPF）５１の出力信号(2)のレベルが大きくなるにつれて、出力信号(4)のレベルを低下させる傾向を有するためである。

一方、図５（ｅ）は、ローパスフィルタ（LPF）５２の出力信号(5)を示す波形図である。図５（ｆ）は、レベル制御部５３の出力信号(4)とローパスフィルタ（LPF）５２の出力信号(5)とが加算器８４において混合された出力信号(5)を示す波形図である。
図５（ａ）と図５（ｅ）とを比較すると、高域成分のレベルが低下している。その結果、後続の電力増幅器７の出力トランジスタや負荷であるスピーカを破損から保護する。

なお、図３に示した高域制限部２６のブロック構成自体は、ディジタルミキサ等で「ディエッサー」として機能する構成で、圧縮率を大きくした場合（リミッタ特性）と同じになる。
しかし、「ディエッサー」は、もともと、「サシスセソ」（周波数3〜7kHz）にあたる摩擦音に対してコンプレサが働くようにユーザが調整するものである。
これに対して、本願発明の実施形態において、目的とするところは、オーディオ信号の特性調整ではなく、スピーカや出力トランジスタの保護であるから、ハイパスフィルタ（HPF）部５１及びローパスフィルタ部５２のカットオフ周波数が、通常では設定されることのない可聴帯域の上限（18kHzないし22kHz）以上の設定値であって、かつ、ユーザによる調整対象ではなく、固定的に設定されているという点で、従来の「ディエッサー」とは相違する。
また、高域制限部２６におけるゲイン生成部５７において、アタックタイムやリリースタイムを設定する場合についても、スピーカや出力トランジスタの保護に適した値が固定的に設定される。

上述した説明では、高域制限部２６は常時挿入されていた。可聴帯域を超える高域成分が過大にならない限りレベル制限されないのではあるが、高域制限部２６を挿入することによりユーザに与える印象（プレゼンス）が変わるおそれが皆無とは言えないので、高域制限部２６を挿入するか外すかを、操作子で設定できるようにしてもよい。
上述した説明では、電力増幅部７は、高効率アンプ駆動技術を採用したものを具体例としたが、これに限られない。また、出力トランジスタがＢ級又はＡＢ級で動作するものであったが、本発明を、Ｄ級（パルス幅変調方式）で動作する電力増幅部を有したパワーアンプに適用することもできる。いずれの場合も、可聴帯域を超える過大な高域成分が、スピーカを破損させたり、電力増幅部の出力段のトランジスタ（バイポーラトランジスタ又はMOS-FET）における貫通電流（縦電流）を増加させて、出力段のトランジスタを熱破壊させることを防止することができる。

本願発明の実施形態であるパワーアンプのブロック構成図である。 図１に示された信号処理部の実行する信号処理アルゴリズム及び電力増幅部の内部構成を示すブロック図である。 図２に示した高域制限部が実行する信号処理アルゴリズムの詳細を示すブロック構成図である。 図３に示した高域制限部におけるレベル制御部の入出力特性を示す説明図である。 図３に示した高域制限部の動作例を示すグラフである。

符号の説明

１…ソース、２…パワーアンプ（音響信号用電力増幅装置）、３…スピーカ、４…波形入力部（入力手段）、５…信号処理部、７…電力増幅部、
２１…特性調整部、２６…高域制限部、３９，４２…入力信号追従型電源、
５１…ハイパスフィルタ、５２…ローパスフィルタ、５３…レベル制御部、５４…加算器（混合手段）、５５…整流部、５６…追従信号生成部、５７…ゲイン生成部
４０，４３…出力トランジスタ、３７…正電源、３８…負電源

Claims (2)

1. 音響信号を入力する入力手段と、
   該入力手段が入力した音響信号を入力し、カットオフ周波数が可聴帯域の上限以上の設定値に固定されて周波数特性がクロスオーバするハイパスフィルタ及びローパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタから出力される信号を入力し、該信号のレベルをゲイン制御信号に応じて制御するレベル制御手段と、
   前記ハイパスフィルタから出力される信号を入力して整流する整流手段と、
   該整流手段から出力される信号に追従し、該信号の立ち上がりへの追従速度に比べて該信号の立ち下がりへの追従速度が遅い追従信号を生成する追従信号生成手段と、
   前記追従信号生成手段から出力される追従信号を入力し、該追従信号が、固定設定された閾値を超えたとき、前記レベル制御手段が出力する信号のレベルが所定値を超えないように前記ゲイン制御信号を生成するゲイン生成手段と、
   前記レベル制御手段から出力される信号と前記ローパスフィルタから出力される信号とを混合する混合手段と、
   該混合手段が出力する信号を入力して電力増幅する電力増幅手段、
   を備えたことを特徴とする音響信号用電力増幅装置。
2. 前記電力増幅手段は、当該電力増幅手段が入力した信号に追従して出力トランジスタに供給する電源電圧を制御する入力信号追従型電源を有するものである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響信号用電力増幅装置。

Images