JP2009089340A - Production technology for negative impedance employing dc feedback circuit - Google Patents
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Description
本発明は電子音響装置および電子制御装置に関するものであり、特定的にはスピーカーおよび光学ピックアップの駆動時に発生する最低共振周波数を抑圧する為に必用な負性インピーダンス発生器および方法に関するものである。The present invention relates to an electroacoustic device and an electronic control device, and more particularly, to a negative impedance generator and method necessary for suppressing a minimum resonance frequency generated when a speaker and an optical pickup are driven.
スピーカーの最低共振周波数では駆動コンプライアンスが低下する事で電気インピーダンスが上昇しQポイントが発生する(図6)。最低共振周波数におけるインピーダンス上昇は定格8Ωのスピーカーの場合60Ω前後になる。スピーカーは一般的に定電圧駆動される事から最低共振周波数周辺の再生音圧は定格インピーダンス領域で発生する再生音圧の8分の1程度に減少する。At the lowest resonance frequency of the speaker, the drive impedance is lowered, so that the electrical impedance rises and Q point is generated (FIG. 6). The impedance rise at the lowest resonance frequency is around 60Ω for a speaker with a rating of 8Ω. Since the speaker is generally driven at a constant voltage, the reproduced sound pressure around the lowest resonance frequency is reduced to about one-eighth of the reproduced sound pressure generated in the rated impedance region.
入力音響信号の周波数特性を操作する事で最低共振周波数周辺での再生音圧低下を改善する方法としてトーンコントロール回路やイコライザーユニットが古くから使用されている。特殊な電力増幅器を使用する必要が無く利便性に長けるが音響信号が通過する増幅段数が増加する為、音質の変化や特性の劣化が発生する。更に入力音響信号の低音領域を増強する事からハウリングが発生する再生レベルと実使用再生レベルの差であるハウリングマージンが低下する事や最低共振周波数周辺のレベルを上昇させた事によるダイナミックレンジの低下を招く為、高忠実度再生では敬遠される傾向がある。A tone control circuit and an equalizer unit have been used for a long time as a method for improving the reproduction sound pressure drop around the lowest resonance frequency by manipulating the frequency characteristic of the input acoustic signal. Although it is not necessary to use a special power amplifier and it is convenient, the number of amplification stages through which the acoustic signal passes increases, so that the sound quality changes and the characteristics deteriorate. In addition, the bass range of the input sound signal is increased, so that the howling margin, which is the difference between the playback level at which howling occurs and the actual playback level, is reduced, and the dynamic range is reduced by increasing the level around the lowest resonance frequency. Therefore, the high fidelity reproduction tends to be avoided.
入力音響信号の周波数特性を操作せずに最低共振周波数周辺での再生音圧低下を改善する技術としてスピーカーの非直線動作をマイクロフォンやボイスコイル中に設けたセンサーコイルで検出し、増幅器に負帰還する事で特性改善を行うMFB方式(Motional Feed Back)が実用化され広く周知されている。As a technique to improve the reproduction sound pressure drop around the lowest resonance frequency without manipulating the frequency characteristics of the input acoustic signal, non-linear operation of the speaker is detected by a sensor coil provided in the microphone or voice coil, and negative feedback to the amplifier Thus, the MFB method (Motion Feed Back) for improving characteristics is put into practical use and widely known.
入力音響信号の周波数特性を操作せずに最低共振周波数周辺での再生音圧低下を改善する技術としてスピーカーを定電流駆動する事で特性改善を行う方法が広く周知されている。As a technique for improving the reproduction sound pressure drop around the lowest resonance frequency without manipulating the frequency characteristic of the input acoustic signal, a method of improving the characteristic by driving the speaker at a constant current is widely known.
最低共振周波数周辺での再生音圧低下を補償せず増幅器から見た負荷インピーダンスのみを補正する方式も考案され周知されている(図5)。A method of correcting only the load impedance viewed from the amplifier without compensating for a decrease in reproduced sound pressure around the lowest resonance frequency has been devised and well known (FIG. 5).
光学ディスク式再生機器および記録再生機器に使用される光学ピックアップ中のアクチュエーターもスピーカーと類似構造の為、最低共振周波数によるQポイントが発生する。Since the actuator in the optical pickup used in the optical disk type reproducing apparatus and recording / reproducing apparatus has a similar structure to the speaker, a Q point is generated at the lowest resonance frequency.
Qポイントによるトレーサビリティー低下はサーボループ中で抑圧可能な範囲であるが高速アクセスや高密度記録再生の為にディスクを高速回転させた場合に発生する見かけ上のQポイント周波数低下や可動部の支持に金属製の板バネを使用したアクチュエーター(通称:マイクロn軸)を使用した場合にはトレーサビリティー低下が無視出来なくなる事から低域等価補正を行なう。Traceability degradation due to Q point is within the range that can be suppressed in the servo loop, but apparent Q point frequency degradation and support of moving parts that occur when the disk is rotated at high speed for high-speed access and high-density recording / reproduction. When an actuator using a metal leaf spring (common name: micro n-axis) is used, the low-frequency equivalent correction is performed because the traceability degradation cannot be ignored.
サーボループの直線性から考えた場合、エラー信号の駆動回路はリニアな特性が最良であって等価補正の為の周波数強調は過渡的な過大エラー信号入力時におけるサーボループの非直線応答量(駆動回路の出力が歪む事)を上昇させサーボループの収束時間を長くしてしまう、この低域等価補正の悪影響はディジタル信号処理による補正であっても同様である。又、マイクロn軸構造以外のアクチュエーターにおいてもQポイントの抑圧はトレーサビリティーの一層の向上に繋がるものである。Considering the linearity of the servo loop, the error signal drive circuit has the best linear characteristics, and the frequency enhancement for equivalent correction is the nonlinear response amount of the servo loop (drive) when a transient excessive error signal is input. The adverse effect of this low-frequency equivalent correction, which increases the output time of the circuit and lengthens the convergence time of the servo loop, is similar to the correction by digital signal processing. Further, even in actuators other than the micro n-axis structure, suppression of the Q point leads to further improvement of traceability.
この為、一部メーカーのアクチュエーター駆動ICにおいては負荷の定電流駆動を行なうものが発表されている。しかし駆動ICの出力ラインが高抵抗となる事から安定度に問題があり一般的な駆動回路はスピーカーの場合と同様に定電圧駆動が主流となっている。スピーカーにおける定電流増幅器の使用も同様で古くから検討されているが制動率の低下や安定度の問題等から一般化していない。For this reason, some of the actuator drive ICs of some manufacturers have been announced to perform constant current drive of the load. However, since the output line of the driving IC has a high resistance, there is a problem in stability, and a general driving circuit is mainly driven at a constant voltage as in the case of a speaker. The use of a constant current amplifier in a speaker is also the same, and has been studied for a long time, but it has not been generalized due to problems such as a decrease in braking rate and stability.
負性インピーダンスとは発振回路等に用いられる概念で負荷抵抗値と駆動電流値が比例関係となる様に制御する事で生成するインピーダンス成分である。The negative impedance is a concept used in an oscillation circuit or the like, and is an impedance component generated by controlling the load resistance value and the drive current value to have a proportional relationship.
音響用増幅器において高い制動率は性能を表す一つの目安とされている。しかし定電流増幅器を使用した場合の制動率は、その動作上きわめて低くなる。MFB増幅器の場合は、定電圧増幅器に専用回路を付加する形で実現する事が一般的であり、この場合、制動率は向上するが通常の定電圧増幅器に比較して回路の規模が大きくなり安定度の点でも不利になる。In an acoustic amplifier, a high braking rate is regarded as a measure of performance. However, the braking rate when the constant current amplifier is used is extremely low in its operation. In the case of an MFB amplifier, it is common to implement it by adding a dedicated circuit to the constant voltage amplifier. In this case, although the braking rate is improved, the circuit scale becomes larger than that of a normal constant voltage amplifier. It is also disadvantageous in terms of stability.
光学ピックアップのアクチュエーターではトレーサビリティーを向上する為にQポイントの抑圧は重要であるが定電流増幅器やMFBを使用した場合にはスピーカーのQポイント抑圧時と同様の問題が生じる。低域等価補正もスピーカーにおけるトーンコントロール回路やイコライザーユニットの使用と同様にサーボループでのダイナミックレンジの低下を招いてしまう。In an optical pickup actuator, suppression of the Q point is important in order to improve traceability. However, when a constant current amplifier or MFB is used, a problem similar to that at the time of suppression of the Q point of the speaker occurs. Similar to the use of a tone control circuit or an equalizer unit in a speaker, the low-frequency equivalent correction also causes a decrease in the dynamic range in the servo loop.
本発明は一般的に用いられる高負帰還型の定電圧電力増幅器と、出力オフセット電圧除去の為に利用される直流帰還回路の定数を再検討する事で定電圧増幅器の特徴である高い制動率を低下させずにスピーカーや光学ピックアップのQポイント周辺の電力変換効率低下を補償する事を基本とする。The present invention is a high-feedback constant voltage power amplifier that is generally used and a high braking rate that is a feature of the constant voltage amplifier by reexamining the constants of the DC feedback circuit used for removing the output offset voltage. The basic principle is to compensate for a decrease in power conversion efficiency around the Q point of the speaker or optical pickup without lowering.
発展形態としてオーバーオール負帰還を行なわない定電圧電力増幅器やディジタル増幅器、アクチュエーター駆動ICにおいても同様の補償結果を実現するものであり、重低音再生が可能な高品位音響増幅器や高トレーサビリティーを有する光学ディスク式再生機器および記録再生機器を安価に提供するものである。As an advanced form, the same compensation results can be achieved even in constant voltage power amplifiers, digital amplifiers, and actuator drive ICs that do not perform overall negative feedback. High-quality acoustic amplifiers capable of reproducing deep bass and high-traceability optics Disc-type playback equipment and recording / playback equipment are provided at low cost.
従来の技術によるスピーカーの最低共振周波数周辺における再生音圧低下を補償する手段としては定電流増幅器の使用、MFBの使用、トーンコントロール回路やイコライザーユニットの使用が一般的である。As means for compensating for a decrease in reproduced sound pressure around the lowest resonance frequency of a speaker according to a conventional technique, use of a constant current amplifier, use of MFB, use of a tone control circuit and an equalizer unit are generally used.
定電流増幅器の使用で得られる再生音圧は定電圧増幅器の逆特性となる為、最低共振周波数における再生音圧の低下が補償出来ても総合的な再生周波数特性はスピーカー設計時に期待した特性とならず、この為に周波数特性補償用の専用イコライザーを兼用する事が一般的である。又、定電圧増幅器に比較し制動率が極端に低下する事から聴感上も違和感が多いと言われている。The reproduction sound pressure obtained by using the constant current amplifier is the reverse characteristic of the constant voltage amplifier. Therefore, even if the decrease in the reproduction sound pressure at the lowest resonance frequency can be compensated, the total reproduction frequency characteristic is the characteristic expected when designing the speaker. For this purpose, it is common to use a dedicated equalizer for frequency characteristic compensation. In addition, it is said that there is much discomfort in terms of hearing because the braking rate is extremely lower than that of a constant voltage amplifier.
MFBの利用はサブウーハーを中心に普及しているが構成が複雑になる事や、やはり聴感上の違和感があり専用のイコライザーを兼用する事が一般的である。以上の問題は光学ピックアップのアクチュエーターを駆動する場合も全く同様である。Although the use of MFB is prevalent mainly in subwoofers, it is common that the structure becomes complicated and that there is also a sense of incongruity in hearing and that a dedicated equalizer is also used. The above problem is exactly the same when the actuator of the optical pickup is driven.
本発明ではオーバーオール負帰還を使用した差動増幅器が本質的に内包している位相回転の問題を積極的に利用する事で定電圧増幅器の特徴である広帯域、高制動率を維持しながらスピーカーや光学ピックアップの最低共振周波数周辺における再生音圧低下、駆動力低下を効果的に補償している。又、オーバーオール負帰還を行なわない定電圧電力増幅器やディジタル増幅器では移相器(21)の利用により最低共振周波数周辺での位相遅れを90度前後に設定する事で同様の効果を実現している。The present invention actively utilizes the phase rotation problem inherent in the differential amplifier using the overall negative feedback, thereby maintaining the wideband and high braking rate characteristic of the constant voltage amplifier, The reproduction sound pressure drop and the driving force drop in the vicinity of the lowest resonance frequency of the optical pickup are effectively compensated. Further, in a constant voltage power amplifier or digital amplifier that does not perform overall negative feedback, the same effect is realized by setting the phase delay around the lowest resonance frequency to around 90 degrees by using the phase shifter (21). .
あらゆる応用における基本構成は図1であり最良の形態となる。回路2、回路3が十分な裸利得を持ち十分に安定な設計であれば、あらゆるスピーカー駆動回路に利用可能である。従来回路の定数変更のみで新たな回路動作を追加している為、安価で小型に実現可能であるが高品位な重低音再生を極めて安定に実現可能な事から映画館や劇場での業務用機器への利用を期待するものである。The basic configuration for all applications is shown in FIG. 1 and is the best mode. If the circuit 2 and the
アクチュエーター駆動ICは設計時に駆動ICのゲインが決定される事が多く、この事から使用するアクチュエーター駆動ICによって位相回転量が一定とならない。従って光学ピックアップの駆動時には実測によって図13か図14の使用を判断する。光学ピックアップへの応用ではディフェクトやリードインでのトレーサビリティー向上が大きく、結果としてシステムの高効率化が可能である為、あらゆる光学ディスク式再生機器および記録再生機器への応用を期待するものである。The actuator drive IC often determines the gain of the drive IC at the time of design. Therefore, the amount of phase rotation is not fixed by the actuator drive IC used. Therefore, the use of FIG. 13 or FIG. 14 is determined by actual measurement when the optical pickup is driven. In application to optical pickup, the traceability improvement at defect and lead-in is great, and as a result, the system can be made highly efficient, so it is expected to be applied to all optical disc type reproduction equipment and recording / reproduction equipment. .
図1の例では回路2での位相反転を補償する位相反転器(1)、駆動電力を発生させる反転型定電圧電力増幅器(2)、電力増幅器で発生する出力オフセット電圧を除去する反転積分型直流帰還回路(3)で構成される。反転型定電圧電力増幅器(2)は裸利得が十分大きな差動増幅器として設計し、かつ図4の容量性負荷補償回路(11)や誘導性負荷補償回路(12)を用いずに容量性負荷や誘導性負荷を安定に駆動可能な位相余裕度を有した回路構成とし、オーバーオール負帰還の使用で利得を設定する。In the example of FIG. 1, a phase inverter (1) that compensates for phase inversion in the circuit 2, an inversion type constant voltage power amplifier (2) that generates drive power, and an inversion integration type that eliminates an output offset voltage generated in the power amplifier. It consists of a DC feedback circuit (3). The inverting constant voltage power amplifier (2) is designed as a differential amplifier having a sufficiently large bare gain, and does not use the capacitive load compensation circuit (11) or the inductive load compensation circuit (12) shown in FIG. And a circuit configuration having a phase margin capable of stably driving an inductive load, and a gain is set by using an overall negative feedback.
安定に設計され、オーバーオール負帰還を使用した差動増幅器では出力電流と出力電圧の位相差を吸収し出力電圧を入力電圧と同位相となる様に制御する。現実の差動増幅器では回路構成に伴う位相余裕度や利得余裕度の問題から誘導性負荷や容量性負荷を駆動する場合は、その値に応じて増幅器の位相余裕範囲内で位相差が発生する事になる。A differential amplifier that is designed stably and that uses overall negative feedback absorbs the phase difference between the output current and the output voltage and controls the output voltage to be in phase with the input voltage. In actual differential amplifiers, when inductive or capacitive loads are driven due to problems of phase margin and gain margin associated with the circuit configuration, a phase difference occurs within the amplifier's phase margin range depending on the value. It will be a thing.
反転型定電圧電力増幅器(2)として確認実験に使用した回路を図11に示す。この回路を用いて負荷5と5Aを駆動した場合、最低共振周波数周辺の駆動電流の振幅と位相は図7の様になり純抵抗負荷である負荷5Aに比較しスピーカーの簡略等価回路である負荷5では電流と電圧の積である再生電力が低下する事が確認出来る。FIG. 11 shows a circuit used for the confirmation experiment as the inverting constant voltage power amplifier (2). When the
出力オフセット電圧を除去する反転積分型直流帰還回路(3)の遮断周波数は一般的に下限可聴音とされる20Hzよりも十分に低い周波数(通常1Hz以下)に設定する。図2の回路構成において反転積分型直流帰還回路(3)の遮断周波数をスピーカーの最低共振周波数周辺に設定した場合のD点とC点間の電圧位相は図8の様になる。従って同条件時の図1では帰還経路が閉じている為、A点とB点間の電圧位相は図9の様に同位相状態と等価となり正帰還が成立する。The cutoff frequency of the inverting integration type DC feedback circuit (3) for removing the output offset voltage is set to a frequency (usually 1 Hz or less) sufficiently lower than 20 Hz, which is generally regarded as the lower limit audible sound. The voltage phase between point D and point C when the cutoff frequency of the inverting integral type DC feedback circuit (3) is set around the lowest resonance frequency of the speaker in the circuit configuration of FIG. 2 is as shown in FIG. Therefore, since the feedback path is closed in FIG. 1 under the same conditions, the voltage phase between the point A and the point B is equivalent to the same phase state as shown in FIG. 9, and positive feedback is established.
通常R1、R2は直流帰還の収束を安定化する分圧器を構成する。回路3の裸利得が十分に大きな場合は回路2の利得の逆数以下を分圧値とする事が一般的である。図1ではR1、R2で正帰還量の調整を兼用している。Usually, R1 and R2 constitute a voltage divider that stabilizes the convergence of the DC feedback. When the bare gain of the
正帰還が成立する周波数は回路3の遮断周波数以上であり、その時の正帰還成分は図8の様に10dB程度減衰する。従って正帰還量は1未満となり図1の回路構成は発振せずに定電流増幅器(図10)と類似の動作をする事が理解出来る。The frequency at which the positive feedback is established is equal to or higher than the cutoff frequency of the
光学ピックアップのアクチュエーターを駆動する場合は、図13、図14の回路を用いる事でQポイントの低下が可能になる。アクチュエーター駆動ICは設計時に駆動ICのゲインが決定される事が多く、製品により位相回転量が異なるのでサーボループを切断した状態(サーボがロックした状態では位相回転が吸収される為)でQポイントを駆動し、出力電圧が90度以上遅れる場合は図13、出力電圧が90度未満の遅れとなる場合は図14を使用する。When driving the actuator of the optical pickup, the Q point can be lowered by using the circuits of FIGS. Actuator drive IC often determines the gain of the drive IC at the time of design, and the amount of phase rotation varies depending on the product, so the Q loop is in a state where the servo loop is disconnected (the phase rotation is absorbed when the servo is locked) When the output voltage is delayed by 90 degrees or more, FIG. 13 is used, and when the output voltage is delayed by less than 90 degrees, FIG. 14 is used.
光学ピックアップは過渡的に直流からのサーボ帯域が必用となる事あり直流帰還回路によりリードインやフォーカスジャンプが不能となる場合があるので図13、図14では回路23によって直流帰還を停止可能な構成としている。回路24は駆動ICで多くの場合は単電源動作であるが正負電源動作表記とする事で図面全体を簡易なものとしている。回路25は回路3の出力とエラー信号の干渉を低減する加算抵抗、回路26は光学ピックアップの簡易表現である。スピーカー駆動時の実施例は図1、図12であり光学ピックアップ駆動時の実施例は図13、図14である。The optical pickup may require a servo band from DC transiently, and lead-in and focus jump may be disabled by the DC feedback circuit. Therefore, in FIG. 13 and FIG. 14, the
又、請求項2、請求項4の様に制動率を可変する事による音質制御はダンピングファクター・コントロールの名で市販製品に採用され愛好家の間では周知の効果であり、請求項7、請求項8の様なサーボ回路における動作電流が音響回路や映像回路に影響を与える事実も愛好家の間では周知されている。サーボ回路による音質への影響としては艶やかさや粘り感の変化が、映像への変化としては色のりの良さや画面の歪みが知られている。Further, the sound quality control by varying the braking rate as in claims 2 and 4 is adopted in a commercial product under the name of damping factor control, and is a well-known effect among enthusiasts. The fact that the operating current in the servo circuit as in Item 8 affects the audio circuit and the video circuit is also well known among enthusiasts. Changes in glossiness and stickiness are known as the influence on the sound quality by the servo circuit, and good color and distortion of the screen are known as changes in the image.
本発明はスピーカーの最低共振周波数で発生するQポイント周辺の電力変換効率低下を補償する為の技術として開発し、その発展形態として光学ピックアップへの応用を確認したものである。The present invention has been developed as a technique for compensating for a decrease in power conversion efficiency around the Q point generated at the lowest resonance frequency of a speaker, and its application to an optical pickup has been confirmed as its development form.
しかし光学ピックアップへの応用確認において直流帰還を遮断制御する事でQポイント周辺の電力変換効率低下を補償しながらも直流帰還回路遮断周波数以下の帯域幅を有する信号を安定に負荷へ供給可能な事を確認した。However, it is possible to stably supply a signal having a bandwidth equal to or lower than the cutoff frequency of the DC feedback circuit to the load while compensating for a decrease in power conversion efficiency around the Q point by controlling cutoff of the DC feedback in application confirmation to the optical pickup. It was confirmed.
従ってあらゆる誘導性負荷の高効率駆動、とりわけロボット制御や電磁ソレノイド制御への有効利用が可能と思われる。Therefore, it seems possible to use it effectively for high-efficiency driving of all inductive loads, especially for robot control and electromagnetic solenoid control.
1 位相反転器
2 反転型定電圧電力増幅器(パワーアンプ)
3 反転積分型直流帰還回路
4 スピーカー端子
5 スピーカー簡略等価回路
5A 純抵抗負荷
6 位相反転器のブロック図表記
7 反転型定電圧電力増幅器(パワーアンプ)のブロック図表記
8 スピーカー端子のブロック図表記
9 スピーカー簡略等価回路のブロック図表記
10 反転積分型直流帰還回路のブロック図表記
11 容量性負荷補償回路
12 誘導性負荷補償回路
13 最低共振周波数インピーダンス補正回路
14 回路5の最低共振周波数を図2に入力時、回路5Aに流れる電流波形
15 回路5の最低共振周波数を図1に入力時、回路5に流れる電流波形
16 図2、C点の波形
17 図2、D点の波形
18 回路5の最低共振周波数を図1に入力時のA点波形
19 回路5の最低共振周波数を図1に入力時のB点波形
20 電流検出抵抗
21 移相器
22 ディジタル増幅器等オーバーオール負帰還を行わない定電圧増幅器
23 直流帰還ON/OFFによるサーボループの有効帯域切り替え回路
24 アクチュエーター駆動IC(パワードライバーIC)
25 エラー信号の干渉を低減する加算抵抗
26 光学ピックアップ
A 回路5の最低共振周波数を図1に入力時の回路3出力
B 回路5の最低共振周波数を図1に入力時の回路2出力
C 回路5の最低共振周波数を図2に入力時の回路2出力
D 回路5の最低共振周波数を図2に入力時の回路3出力
R1 直流帰還回路の接地抵抗
R2 直流帰還回路の帰還抵抗
R3 スピーカーの純抵抗成分
R4 スピーカーの定格インピーダンス値1 Phase inverter 2 Inverted constant voltage power amplifier (power amplifier)
3 Inverting Integral Type DC Feedback Circuit 4
25
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