JP2009135903A - 効率的な電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な時に増大された電力出力、及び効率的なオーディオ増幅装置又は方法を提供する。
【解決手段】Ｎ個の増幅器のための動的電源は、正電源レールを一時的にブーストする第１の電力ブースト回路と、負電源レールを一時的にブーストする第２の電力ブースト回路とを備える。制御回路は、増幅器出力信号レベルを監視し、電力ブースト増幅器に電力ブースト制御信号を提供する。当該電力ブースト制御信号は、正供給電圧を、Ｎ個の増幅器からの最高出力信号レベルと共に公称電圧レベルを上回って一時的に上昇させ、負供給電圧を、Ｎ個の増幅器からの最低出力信号レベルと共に公称電圧レベルを下回って低下させる。これらの電力ブースト回路は、それぞれ蓄電コンデンサに結合することができ、当該蓄電コンデンサから電流が引き込まれ、電力ブーストが提供される。非アクティブであるときに、蓄電コンデンサはそれぞれの電源レールから充電する。
【選択図】図１

Description

本発明の技術分野は、電力増幅に関し、より詳細には、オーディオ信号のような電子信号を増幅する装置及び方法に関する。

［関連出願情報］
本願は、２００７年１０月１６日に出願された米国特許仮出願第６０／９８０，３４４号の利益を主張し、当該特許文献は、本明細書において完全に述べられるように、参照により本明細書に援用される。

従来の電力増幅器では、利用可能な最大出力電力は、一般的に少なくとも２つの要因、すなわち、増幅器の出力において利用可能な電圧振幅、及び負荷インピーダンスによって制限されている。電圧振幅は、典型的にはそれ自体が増幅器レール電圧によって制限されている。たとえば、カーオーディオ増幅器の場合、レール電圧はカーバッテリの公称１４．４ボルトであり、したがって、増幅器は、電力レールまでの全体にわたって変動することができるとすると、７ボルトまでのピーク出力を供給することができるであろう。このピーク電圧は、８Ｏの負荷に約３ワットの電力を供給するのに十分であるに過ぎない。より大きな出力電力を得るために、負荷インピーダンスを低減することができる（たとえば、１Ｏの負荷は２５ワットの出力電力を可能にするであろう）が、配線において重大な損失に直面しないように、ケーブルをより厚く、またより重くする必要がある。

一般的に、増幅器上の負荷インピーダンスを低下させると、増幅器が供給しなければならない電流が増大し、増幅器歪みが増大すると共に、より高価な出力装置が必要となる。したがって、単に負荷インピーダンスを低下させることは、それ自体ではさらなる電力を提供することができない。したがって、たとえば、より高い負荷インピーダンスを利用することができるように、且つ／又はより高い電力を負荷に供給することができるように、増幅器から利用可能な電圧出力を増大させることが可能なことが有利であろう。

出力電圧を増大させる１つの技法が架橋として既知であり、それによって、２つの逆位相増幅器が、それらの出力間に結合されている負荷によって使用される。この手法は、利用可能な出力振幅を、且つ所与の負荷インピーダンスに対して２倍にすることができ、それによって出力電力が４倍になるであろう。たとえそうであっても、１Ｏの負荷に対して利用可能な最大電力は、上述した典型的な電力供給条件を使用して約１００ワットに限定され、依然として低インピーダンス負荷の問題を有するであろう。しかしながら、この単純な分析には、これらの条件下で、各増幅器が無架橋条件と比較して２倍の出力電流を供給しなければならないだけでなく、半分の実効負荷インピーダンスをも見込まなければならないという事実が隠されている。実際の適用では、増幅器はこの必要な電流を供給することができない場合がある。

より有効な比較は、所与の最大出力電流容量に関して達成することができる最大出力を計算することであり得る。したがって、架橋増幅器の場合、負荷インピーダンスは、単一の増幅器の例に関して使用される負荷インピーダンスの２倍になるであろう。負荷抵抗が２倍になると、負荷への電力は単一の増幅器の電力の２倍にしかならない。架橋増幅器の各半分によって見込まれる実効負荷インピーダンスは、ここでは単一の増幅器の例と同じであり、増幅器によって供給される負荷電流が同じであるとすると、増幅器歪みも同じである。

増幅器がオーディオ音響再生のためのスピーカ負荷を駆動している応用形態に関して、架橋増幅器は、それぞれがデュアル音声コイルスピーカの一対の音声コイルのうちの１つを駆動する２つの単一の増幅器に置換することができる。その結果、スピーカからの全出力レベルは、架橋増幅器と、２つの単一の増幅器とで同一となるであろう。

実効電力出力を増大させる別の技法は、増幅器に対する電源電圧を上昇させるスイッチング電源を採用することである。それによって増幅器出力電圧容量が増大し、所与の出力電流容量に関してより高い負荷インピーダンスを使用することが可能となる。この手法は負荷インピーダンスを低くする必要性を緩和することができる。しかしながら、スイッチング電源は典型的には、高周波数且つ高電力で動作すると共に、干渉を回避するために慎重に設計する必要がある。

たとえば、Philips Semiconductors（オランダ、アイントホーフェン所在）によって、そのＴＤＡ１５６０／１５６２製品において採用されている別の技法は、より高い出力電圧振幅を提供するために自身の供給電圧を調節する増幅器システムを含む。架橋増幅器が、より大きな出力電圧振幅が必要とされる場合に供給レベルを定常状態レベルの約２倍に上昇させる容量ブースタ回路と共に使用される。静止条件下では、架橋における各増幅器の出力は、バッテリ電圧の約半分である。架橋増幅器の一方の半分の出力が正供給レールに近づくと、ブースタ回路は供給電圧を上昇させ始め、それによって増幅器はクリップしない。しかしながら、それと同時に、架橋増幅器の他方の半分の出力が接地に近づく。出力が接地電位よりも低くなることはあり得ず、したがって増幅器システムは、実際の負に向かう出力と、所望の負に向かう出力との間の差を、架橋増幅器の他方の側における正に向かう出力に加える。この動作の結果、架橋増幅器の個々の各出力において大きく歪んだ波形が生じ得るが、２つの出力にわたって異なって測定される出力は、（補正回路の制限内で）概して線形である。ブースタ回路は、この変調された出力波形の上方に十分なヘッドルームを維持するように調整する。したがって、架橋増幅器出力は、バッテリ電圧の２倍に近いピーク出力電圧を与えるように十分に増大することができる。ただし、この技法は一般的に架橋増幅器モードにしか使用することができない。

上記の手法は増幅器の実効出力容量を増大させることができるが、依然として相当の制限を有する。したがって、上記の問題若しくは制限のうちの１つ若しくは複数を克服し、必要なときに増大された電力出力を提供し、且つ／又は他の利益及び利点を提供する、改善されたオーディオ増幅装置又は方法を提供することが有利であろう。架橋増幅器又はスイッチング電源を必要とすることなく増大された電力出力を提供する、効率的なオーディオ増幅装置又は方法を提供することがさらに有利であろう。

本明細書において開示される特定の実施の形態は概して、一態様において、増幅システムのための電力ブースト回路を対象とする。電力ブースト回路は、電源レールからの電源入力電圧信号を受信する増幅器からの出力信号を入力として受信する。電力ブースト回路は増幅器からの出力信号を追跡して、増幅器からの出力信号が所定の閾値内の電源レール電圧に近づくときに蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって、増幅器に電力供給する電源入力電圧信号を一時的にブーストする。電力ブースト回路は、電源入力電圧信号を、引き続き電源レール電圧を所定の閾値の量だけ上回ったままにすることができる。

別の態様において、増幅システムは、電力供給される増幅器からの出力信号を各々が入力として受信する第１の電力ブースト回路及び第２の電力ブースト回路を通じて、独立した正及び負の電源レールブースト容量を有する。上記第１の電力ブースト回路及び上記第２の電力ブースト回路が選択的に係合されて、それぞれ、上記増幅器からの出力信号が正電源レール又は負電源レールに近づくか又はそれを超えると、増幅器に対する正及び負の電源入力電圧レベルが一時的にブーストされる。

さらに別の態様において、電力を複数の増幅器に提供する動的増幅システムが、第１の電源レールに電気的に接続される第１の電力ブースト増幅器と、第２の電源レールに電気的に接続される第２の電力ブースト増幅器とを備える。電力ブースト制御回路が、複数の増幅器からの出力信号レベルを監視し、電力ブースト増幅器に電力ブースト制御信号を提供する。結果として、第１の電力ブースト増幅器は、第１の電源レールを、それらの複数の増幅器からの最高出力信号レベルと共に第１の公称電圧レベルを上回って一時的にブーストし、第２の電力ブースト増幅器は、第２の電源レールを、上記複数の増幅器からの最低出力信号レベルと共に第２の公称電圧レベルを下回って一時的に低下させる。特定の実施の形態では、第１の電力ブースト増幅器は、アクティブである場合に第１の蓄電コンデンサから電流を引き込んで、第１の電源レールを第１の公称電圧レベルを上回ってブーストすることができ、同様に、第２の電力ブースト増幅器は、アクティブである場合に第２の蓄電コンデンサから電流を引き込んで、第２の電源レールを第２の公称電圧レベルを下回って低下させることができる。

さらなる実施の形態、変形形態、及び強化形態も本明細書に開示される。

本明細書に開示される特定の実施形態は概して、１つ又は複数の態様において、増幅器入力又は出力信号を追跡すると共に、増幅器出力信号の要求によって必要とされる場合に増幅器に電力供給する電源電圧信号を一時的にブーストする電力ブーストシステム又は回路を対象とする。これらの実施形態のうちのいくつかは、特定の面では、従来技術の制限を克服し、それによって、架橋増幅器構成を必ずしも使用することなく、又は高周波数スイッチング電源を必要とすることなく、たとえば供給電圧又はバッテリ電圧の３倍までのより大きなピークツーピーク電圧振幅を可能にするように設計される。これらの実施形態のうちのいくつかは、特にオーディオ信号増幅に関して、標準的な増幅器構成よりも優れた効率も提供し、それによって、ヒートシンク要件が低減される。高出力電圧振幅も、相対的に一般的な負荷インピーダンスが使用されることを可能にする。

本明細書に開示される実施形態は、さまざまな用途に採用することができ、出力電力の一時的なブーストを達成することが望ましい状況に特によく適することができる。特に、本明細書に記載されるさまざまな実施形態は、ほとんど公称電圧レールの範囲内で動作することができるが、場合によっては公称電圧レールを超えるピーク電圧振幅を必要とするオーディオ増幅システムによく適することができる。

図１は、本明細書に開示される１つ又は複数の実施形態による単一チャネル電力増幅システム１００のハイレベルの図である。図１は単一チャネル電力増幅器のみを示すが、その原理は、そのうちのいくつかが本明細書においてより詳細に後述される多チャネル増幅器にも同様に適用可能である。図１において、主増幅器１０４（「Ａ１」と示す）がソース信号（source signal：音源信号）を増幅する。主増幅器１０４は任意の従来の設計とすることができるが、好ましくは高い電源除去比（ＰＳＲＲ）を有する。この実施例における主増幅器１０４は任意選択で、従来の方法でカップリングコンデンサ１１５（「Ｃ３」）を通じてスピーカ１５０に接続される。主増幅器１０４は、ダイオード１２９（「Ｄ１」）を通じて電源ライン１２８（Ｖｓ＋）に、またダイオード１３９（「Ｄ２」）を通じて電源ライン１３８（Ｖｓ−）に結合される。ダイオード１２９及び１３９は好ましくはショットキータイプのダイオードであるか、又はそれと同様の特性を有し、それによって早いスイッチング時間を提供すると共に、電位ブーストレベルも最大化する。

正電力ブースト増幅器１２０（正供給電圧に関連するため一部では「Ｂ＋」と示す）が電源ライン１２８（Ｖｓ＋）に結合され、負電力ブースト増幅器１３０（負供給レールに関連するため一部では「Ｂ−」と示す）が電源ライン１３８（Ｖｓ−）に結合される。正電力ブースト増幅器１２０は、蓄電コンデンサ１２５（「Ｃ１」）を介して主増幅器１０４の電源入力１０７（図１においてＶｂｏｏｓｔ＋と示す）に結合され、負電力ブースト増幅器１３０は、蓄電コンデンサ１３５（「Ｃ２」）を介して主増幅器１０４の電源入力１０８（図１においてＶｂｏｏｓｔ−と示す）に結合される。オフセット信号入力１２１が電力ブースト増幅器１２０に結合され、オフセット信号入力１３１が電力ブースト増幅器１３０に結合される。オフセット信号１２１は、正電力ブースト増幅器１２０からの出力信号１２２が、そのブースト機能が非アクティブである場合にＶｓ−（負電源レール）にあるように提供され、オフセット信号１３１は、出力信号１３２が、そのブースト機能が非アクティブである場合に電圧レベルＶｓ＋（正電源レール）にあるように提供される。結果として、第１の蓄電コンデンサ１２５は、正ブースト機能が必要とされないときに通常フル充電され、その両端の（Ｖｓ＋−Ｖｓ−−ＶＤ１）の電圧を有し、ここでＶＤ１はＤ１の両端の電圧降下である。同様に、第２の蓄電コンデンサ１３５は、負ブースト機能が必要とされないときに通常フル充電され、その両端の（Ｖｓ＋−Ｖｓ−−ＶＤ２）の電圧を有し、ここでＶＤ２はＤ２の両端の電圧降下である。したがって、１４．４Ｖの電源の場合、蓄電コンデンサ１２５、１３５のそれぞれの両端の電圧は、典型的には約１３．９Ｖであろう。

動作時に、電力ブースト増幅器１２０及び１３０は、主増幅器１０４の出力を検知して、蓄電コンデンサ１２５（「Ｃ１」）及び１３５（「Ｃ２」）を介して主増幅器１０４の電源入力１０７、１０８を駆動する出力信号１２２、１３２を生成する。静止条件下では、電力供給される主増幅器１０４のＤＣ出力電圧は通常、正電源レールＶｓ＋と負電源レールＶｓ−との中間にある。主増幅器１０４の必要とされる出力が電源レールＶｓ＋及びＶｓ−によって課される制限を下回る場合、増幅システム１００は従来の増幅器として動作する。換言すれば、主増幅器１０４は、Ｄ１を介して正供給ライン１２８から電力を引き込み、またＤ２を介して負供給ライン１３８から電力を引き込み、ソース信号１０２は従来の方法で主増幅器１０４によって増幅される。

しかしながら、ソース信号１０２が、出力信号１０５が電源レール１２８（Ｖｓ＋）及び／又は１３８（Ｖｓ−）に近づくか又はそれを超えることを必要とする振幅に達する場合、増幅システム１００の動作は電力出力の増大を可能にするように変化する。主増幅器１０４は通常、ダイオードＤ１及びＤ２（１２９及び１３９）を介して電源レールＶｓ＋及びＶｓ−から電流を導出し、電力を負荷、すなわちスピーカ１５０に供給する。したがって、正電力ブースト増幅器１２０又は負電力ブースト増幅器１３０の効果を伴わない通常条件下の最大ピークツーピーク出力電圧は、式（Ｖｓ＋−Ｖｓ−）−（ＶＤ１＋ＶＤ２）によって通常与えられ、すなわち、最大ピークツーピーク出力電圧は、正電源レールからダイオード１２９によって引き起こされる電圧降下を差し引いた値と、負電源レールからダイオード１３９によって引き起こされる電圧降下を差し引いたと値の間の差である。増幅システム１００において、主増幅器１０４からの出力電圧が正供給レール又は負供給レールに近づくと、（信号の極性に応じて）電力ブースト増幅器１２０又は１３０が、必要に応じて電源入力（複数可）１０７及び／又は１０８を強制的に一時的に増大させ、主増幅器１０４がその出力信号１０５の振幅及びその全体の電力出力を増大させることが可能になる。

これより、最初に、ソース信号１０２が正であり、正電源入力１０７においてブーストを必要とする例を挙げて、増幅器システム１００の電力ブースト動作をより詳細に説明する。主増幅器１０４からの出力信号１０５が、Ｖｓ＋の特定の範囲（典型的には１．５ボルト）内の正供給レールＶｓ＋に近づくと、電力ブースト増幅器１２０（Ｂ＋）の出力１２２が、Ｖｓ−の電位にあるその静止状態から上昇し始める。その静止状態では、電力ブースト増幅器１２０は蓄電コンデンサ１２５（Ｃ１）を（Ｖｓ＋−ＶＤ１）の電圧まで充電し、ここでＶＤ１はダイオード１２９（Ｄ１）の両端の電圧降下である。主増幅器の出力信号１０５の上昇によって引き起こされる出力信号１２２の上昇は、蓄電コンデンサ１２５（Ｃ１）を介して主増幅器１０４の正電源入力１０７に伝達され、その電位が上昇する（Ｖｂｏｏｓｔ＋）。これが起こると、ダイオード１２９（Ｄ１）が遮断され、それによって、主増幅器１０４の正電源入力１０７は正電源レールＶｓ＋から分離され、代わりにその入力電流が、蓄電コンデンサ１２５（Ｃ１）を介して電力ブースト増幅器１２０（Ｂ＋）の出力から導出される。結果として、主電力増幅器の出力信号１０５は、もはや正電源レールＶｓ＋によって制限されない。

電力ブースト増幅器１２０（Ｂ＋）が、たとえば単位利得を有する場合、主増幅器１０４に対する正電源入力１０７の電圧レベルは、或る量のオフセットを伴うが主増幅器１０４の出力電圧を追跡し、それによって、主増幅器の出力１０５の電圧レベルとその供給電圧Ｖｂｏｏｓｔ＋との間の差が、相対的に一定に、たとえば約１．５ボルトに維持される。したがって、主増幅器１０４の出力１０５は、飽和及び／又はクリッピングを回避しながら正電源電圧Ｖｓ＋を超えて上昇することが可能となる。

この動作方法は、電力ブースト増幅器１２０の出力１２２が正レール電圧Ｖｓ＋に達しクリップするまで継続することができる。主増幅器の正電源入力１０７（Ｖｂｏｏｓｔ＋）はその場合それ以上は上昇せず、主増幅器１０４の出力１０５は、（２Ｖｓ＋−ＶＤ１）の最終電位において過度にクリップするまでわずかに高く上昇することしかできない。

主増幅器１０４からの出力１０５が他方の方向、すなわち負に変動する場合、同様の効果が負電力ブースト増幅器１３０（Ｂ−）、蓄電コンデンサ１３５（Ｃ２）、及びダイオード１３９（Ｄ２）によって生じる。これらの構成要素は正の供給構成要素と同様に動作するが、代わりに負電源入力１０８（Ｖｂｏｏｓｔ−）を負供給レールＶｓ−の電位未満にする。この動作方法は、負電力ブースト増幅器１３０の出力１３２が負レール電圧Ｖｓ−に達してクリップするまで継続することができる。主増幅器の負電源入力１０８（Ｖｂｏｏｓｔ−）はその場合それ以上は降下せず、主増幅器１０４の出力１０５は、（２Ｖｓ−＋ＶＤ２）の最終電位において過度にクリップするまでわずかに低く降下することしかできない。

したがって、正電源入力１０７を正供給レールＶｓ＋を上回ってブーストすると共に、負電源入力１０８を負供給レールＶｓ−を下回ってブーストすることによって、主増幅器１０４の正電源入力１０７及び負電源入力１０８の両方を独立してブーストすることができると見込むことができる。この効果は、主増幅器１０４に大きな電圧振幅容量を提供する。図１に従って構成される増幅システム１００は、架橋増幅器構成を有せずに、且つスイッチング電源を有せずに構築することができ、やはり依然として大きな電圧振幅容量を有することができる。

１４．４ボルトの電源から約４１ボルトのピークツーピークの電圧振幅に増大することは、８Ｏの負荷に、従来の増幅器の典型的な３．７ワット、又は架橋増幅器の約１５ワットと比較して、約２７ワットを供給することができることを意味する。比較のために、最大電流容量（典型的な設定の増幅システム１００では約２．６アンペア）を制限係数としてとると、従来の増幅器では３オームに対して１０ワットのみが、また架橋増幅器からは６オームに対して２０ワットが利用可能であるが、増幅器に呈される負荷インピーダンスが低下することに起因して歪みが増大するであろう。

実際のシステムでは、電力ブースト増幅器１２０、１３０がそれらのレール電圧まで完全に変動する能力には制限があり得る。しかしながら、慎重に設計することによって、特に本明細書において後述する技法に従って、このような制限を最小限に抑えることができる。

図１の増幅システム１００によって提供することができる別の利点は、電力散逸の低減である。主増幅器１０４は、その電力トランジスタの両端の電圧損失がより少ないため、同じ出力電力容量の従来の増幅器よりも、散逸する電力が一般的にはるかに少ない。したがって、主増幅器１０４の電力トランジスタは従来の増幅器よりも低い電圧及び／又は電力定格を有することができるが、依然として十分な出力電流を通すことが可能である。電力ブースト増幅器１２０、１３０に使用される電力トランジスタも、一般的に供給レール間の差（すなわち、Ｖｓ＋−Ｖｓ−）よりも大きな電圧を受けないため、低い電圧／電力定格を有する。増幅システム１００のさまざまな増幅器のピーク電力散逸は、時として比較的高くなり得るが、全体の電力散逸は、特に、入力ソース信号１０２が時として高出力電力を必要とするのみである設定では低く維持することができる。たとえば、オーディオ再生システムでは、電力ブースト増幅器１２０、１３０によって提供されるブーストモードは、典型的な状況では、オーディオ再生における平均信号レベルがピークレベルよりも著しく低いため、滅多に利用されないであろう。大抵の場合、電力ブースト増幅器１２０、１３０は実質的に電力を散逸せず、したがってそれらの平均電力散逸は低い。電力効率が良いことに加えて、電力ブースト増幅器１２０、１３０は、それらの平均電力散逸が低いため、必要とするヒートシンクがより小さいという利点も有する。

図１に示される増幅システム１００の原理を、２つ以上のチャネル及び／又は２つ以上の主増幅器を有するシステムに拡張することができる。多チャネルシステム又は多増幅器システムにおいて、１２０及び１３０のような電力ブースト増幅器を、チャネル及び／又は主増幅器ごとに設けることが可能であろう。代替的に、１２０及び１３０のような電力ブースト増幅器を、複数のチャネル及び／又は主増幅器の間で共有することが可能である。このタイプの一実施形態の一例を、いくらか単純化した形態で、図２に示す。

図２に示すように、多チャネル増幅システム２００は、この例では、電力供給される２つの主増幅器２０４、２５４（「Ａ１」及び「Ａ２」とも示す）と、図１のような２つの電力ブースト増幅器２２０、２３０とを備える。第１の電力ブースト増幅器２２０の出力が両方の主増幅器２０４、２５４の正電源入力に結合され、一方で、第２の電力ブースト増幅器２３０の出力が両方の主増幅器２０４、２５４の負電源入力に結合される。換言すれば、主増幅器２０４、２５４は共通の電源入力を有する。第１の主増幅器２０４は、第１の入力ソース信号２０２を増幅し、スピーカ２５０及びコントローラ２６０に提供される出力信号２０５を生成する。同様に、第２の主増幅器２５４は、第２の入力ソース信号２０３を増幅し、別のスピーカ２５１及びコントローラ２６０に提供される出力信号２５５を生成する。

動作時に、増幅システム２００は、図１の増幅システム１００と非常に類似した方法で機能する。しかしながら、ここでは２つの主増幅器２０４、２５４が存在するため、コントローラ２６０は、主増幅器２０４又は２５４のうちの、最大出力を必要とする方に応答し、それに基づいて、電力ブースト増幅器２２０、２３０に、必要な供給電圧を提供させる。コントローラ２６０は、増幅器出力信号２０５、２５５のうちのいずれか大きい方に応答し、２つの増幅器出力信号２０５、２５５のうちの大きい方を正の方向に制御ライン２６１を介して第１の電力ブースト増幅器２２０に提供し、２つの増幅器出力信号２０５、２５５のうちの大きい方を負の方向に制御ライン２６２を介して第２の電力ブースト増幅器２３０に提供する。したがって、正電源入力ブースト信号と負電源入力ブースト信号とは独立して駆動される。正電源入力ブースト信号及び負電源入力ブースト信号の両方は同時にアクティブにすることができる。

図２の増幅システム２００の動作のさらなる説明を、特定の一例によるさまざまな単純化された波形を示す図３を参照して行うことができる。図３において、「Ａ１」と示される実線の波形線は第１の主増幅器２０４からの出力信号２０５を表し、「Ａ２」と示される破線の波形線は第２の主増幅器２５４からの出力信号２５５を表す。Ｖｂｏｏｓｔ＋と示される実線は電源入力信号２０７を表し、Ｖｂｏｏｓｔ−と示される破線は電源入力信号２０８を表し、これらの信号の符号表記は図２と同じである。図３に示されるように、出力信号２０５、２５５のうちの一方の電圧レベルが、ＢＡＴ＋と示される正供給レール電圧に近づくと、正電源入力信号Ｖｂｏｏｓｔ＋はこれを追跡し、或るオフセット量だけ出力信号レベルの上方に留まる。実際の実施態様では、オフセットレベルの経時的ないくらかの垂下又は減退がある場合があり、本明細書に記載される後述の実施形態は、いかなる垂下又は減退の影響も緩和する技法を施されている。同様に、出力信号２０５、２５５のうちの一方の電圧レベルが、ＢＡＴ−と示される負電源レール電圧に近づくと、負電源入力信号Ｖｂｏｏｓｔ−はこれを追跡し、本明細書において後述するように潜在的な減退又は垂下を受ける可能性がある或るオフセット量だけ出力信号レベルの下方に留まる。図３に示されるように、所与の時点において最大の大きさを有する増幅器出力信号２０５、２５５は、ブースト信号が提供されるか否かを判断する。増幅器出力信号２０５と２５５とは所与の時点において異なる極性であることができるため、正電源レールのブースト信号及び負電源レールのブースト信号の両方を同時に生成することができる。

主増幅器２０４、２５４の両方に対する電源レベルは、最大出力を必要とする一方に基づいて判断されるため、時としてより高い電圧入力が主増幅器２０４、２５４のうちの一方に供給されると、およそ全体の効率に損失が生じる場合があり得る。およそ全体の効率に損失があるが、図２に示される増幅システム２００は、依然として効率の点で従来の増幅器を上回る大幅な改善である。

図４は、概して図２の原理に従うが、いくつかの追加の詳細を示す、増幅システム４００の別の実施形態を示す。図２において、「４ｘｘ」と符号付けされている構成要素は、図２において「２ｘｘ」と符号付けされている構成要素に対応する。しかしながら、図４は、蓄電コンデンサ４２５、４３５、ダイオード４２９、４３９、及びオフセット回路４２１、４３１も示している。これらは図１において図示及び説明されていると共に、図１に示されている構成要素と同じ目的を果たす。図４には示されていないが、図１と同様に、カップリングコンデンサを、出力信号４０５からスピーカ４５０へ、また出力信号４５５からスピーカ４５１へ提供することもできる。

図１、図２及び図４、並びに本明細書の他の部分に示される増幅システムでは、電力ブースト増幅器Ｂ＋及びＢ−の利得を１に設定することができ、それによって、電力ブースト増幅器Ｂ＋又はＢ−が動作状態になると、主増幅器Ａ１（又は、多チャネルシステム若しくは多増幅器システムでは複数の主増幅器）の出力と、その供給端子との間の差（differential：微分）が概して一定に維持される。特定の増幅システムでは、より高い出力レベルにおいてより大きな電圧差を有し、たとえば、出力トランジスタの電流利得が最大化されるという利点を見出すことができる。したがって、本明細書において説明されるさまざまな実施形態における電力ブースト増幅器Ｂ＋及びＢ−の利得を１よりもわずかに大きく設定することができ、この場合、電圧差は主増幅器の出力信号レベルと共に増大する。電力ブースト増幅器Ｂ＋及びＢ−の利得を非線形にして、この効果を最大化することもでき、それによって、電力ブースト増幅器Ｂ＋及びＢ−が動作状態になる前に、主増幅器（複数可）Ａ１及び／又はＡ２が正電源レールＶｓ＋及び負電源レールＶｓ−付近まで変動することができ、したがって、高い電流を供給する必要がある場合に主増幅器（複数可）Ａ１及び／又はＡ２の両端に十分な差を確保しながら、主増幅器（複数可）Ａ１及び／又はＡ２の効率を最大化することができる。

上記で示したように、特定の状況において、さらに高い出力が必要とされ、それによって蓄電コンデンサからの電圧の減退又は垂下が顕著な影響を与え始める場合には、これまでに説明した増幅システム（複数可）の性能には限度があり得る。主増幅器（複数可）に対する電源レールがブーストされている場合、主増幅器（複数可）への電流は蓄電コンデンサ（図１におけるＣ１又はＣ２）のうちの一方を介して供給されている。電力ブーストを供給することによって、タップされている蓄電コンデンサに蓄積されている電荷が低減し、蓄電コンデンサの両端の電圧が低下する。電力ブーストがかなり長い時間期間にわたって必要とされる場合、電圧降下は、蓄積されているピーク電圧のかなりの割合になり、増幅器の出力容量が概して低減する。これによって、次いで低周波数信号の出力電圧振幅が低減する。蓄電コンデンサの両端の電圧降下が、電力ブースト増幅器Ｂ＋又はＢ−が場合によって正電圧供給レールＶｓ＋又は負電圧供給レールＶｓ−まで完全に変動する前に、主増幅器（たとえばＡ１）がクリップするほど十分である場合、主増幅器の出力は上昇を停止し、したがって電力ブースト増幅器Ｂ＋又はＢ−の出力も上昇を停止する。蓄電コンデンサの両端の電圧は、当該蓄電コンデンサから依然として電流が引き込まれている限り降下し続け、したがってＶｂｏｏｓｔ＋／−が降下し始め、それによって主増幅器の出力も降下し始める。この降下は電力ブースト増幅器Ｂ＋又はＢ−に通信され、出力電圧が急速に崩壊するのに伴って、正フィードバック動作が発生し得る。この状況は、たとえば、このような状況下で入力電圧を制限することができる適切な保護回路によって阻止することができる。

このような状況に対処する代替的な技法が、図５に示される。図５に示される実施形態において、「５ｘｘ」と符号付けされている構成要素は、概して図１において「１ｘｘ」と符号付けされている同じ構成要素に対応する。しかしながら、電力ブースト増幅器５２０及び５３０（すなわち、Ｂ＋及びＢ−）に適切な駆動信号を導出するために、主増幅器Ａ１（図５において５０４、また図１において１０４と示される）の出力を検知する代わりに、主増幅器５０４に対する入力ソース信号５０２が、好ましくは主増幅器５０４と同じ利得特性を有する利得ブロック５７０を介して代わりに検知され、利得ブロック５７０からの出力５７１が電力ブースト増幅器５２０、５３０への入力として提供される。この構成は蓄電コンデンサ５２５、５３５の両端の電圧の減退によって引き起こされる潜在的な正フィードバックループを遮断し、蓄電コンデンサ５２５又は５３５の両端の電圧が過度に降下する場合に出力が崩壊することを阻止する。主増幅器５０４の出力は依然としてクリップすることができるが、それは概して０への急速な降下ではなく、蓄電コンデンサ５２５又は５３５の放電に従う。図５においては利得ブロック５７０を別個のブロックとして示したが、個々の電力ブースト増幅器５２０及び５３０内に組み込むこともできる。

類似の方式を、たとえば図６に示すように多チャネルシステムに適用することもできる。図６に示される実施形態において、「６ｘｘ」と符号付けされている構成要素は、概して図４において「４ｘｘ」と符号付けされている同じ構成要素に対応する。しかしながら、図５の実施形態と同様に、電力ブースト増幅器６２０及び６３０（すなわち、Ｂ＋及びＢ−）に適切な駆動信号を導出するために、主増幅器Ａ１及びＡ２の出力を検知する代わりに、主増幅器６０４、６５４に対する入力ソース信号６０２、６０３が、利得ブロック６７０及び６８０を介して代わりに個々に検知され、利得ブロック６７０からの出力６７１、利得ブロック６８０からの出力６８１はコントローラ６６０に提供され、コントローラ６６０は適切な入力信号６６１、６６２を電力ブースト増幅器６２０、６３０に提供する。主増幅器Ａ１及びＡ２の出力を使用する図２及び図４の実施形態と同様に、入力ソース信号６０２、６０３から導出される、利得ブロックの出力信号６７１、６８１のうちの大きい方が電力ブースト増幅器６６１、６６２に沿って通される。利得ブロック６７０、６８０又はコントローラ６６０のいずれかがこの事実を考慮するとすると、主増幅器６０４、６５４は異なる利得を有することができる。

主増幅器Ａ１とほぼ同じになるように電力ブースト増幅器Ｂ＋及びＢ−の利得をマッチングする潜在的な必要性を回避しながら、上述の過負荷問題を回避するさらに別の技法が、図７Ａに示される。図７Ａに示される実施形態において、「７ｘｘ」と符号付けされている構成要素は、概して図５において「５ｘｘ」と符号付けされている同じ構成要素に対応する。図７Ａにおける増幅システム７００の手法の背後にある一般的な前提は、主増幅器７０４の出力電圧と、その供給電圧との間の差を直接検知すると共に、（少なくとも最も単純な実施態様において）この差を一定に維持するように電力ブースト増幅器７２０、７３０の出力を駆動することである。この目的のために、電力ブースト増幅器７２０、７３０は好ましくは高利得タイプの増幅器として実施され、主増幅器７０４の出力端子及び電源端子を負フィードバックループに組み込む。

この実施形態において、正供給電圧検知回路７２３が正供給電圧のレベルを検知し、負供給電圧検知回路７３３が負供給電圧のレベルを検知する。これらの値は通常の固定オフセットと組み合わされ、図７Ａに示す可変オフセット回路７２４、７３４によって反映される可変オフセット値に達する。主増幅器７０４の出力が電源レールからの所定の電圧差内に達すると、負フィードバックループが動作状態になる。低出力レベルでは、上記の実施形態のように、電力ブースト増幅器７２０は正供給レールＶｓ＋に維持され、電力ブースト増幅器７３０は負供給レールＶｓ−に維持され、主増幅器７０４は電源レールＶｓ＋及びＶｓ−から通常の増幅器として動作する。しかし、主増幅器７０４の出力が一定量の正供給レールＶｓ＋（たとえば１．５ボルト）内に達するとすぐに、フィードバックループは電力ブースト増幅器７２０の出力を正に駆動し始める（主増幅器７０４の出力が一定量の負供給レールＶｓ−内に達すると、同様の現象が他方の電力ブースト増幅器７３０に対して発生する）。この動作は、電源入力信号７０７すなわちＶｂｏｏｓｔ＋を、蓄電コンデンサ７２５を介して正方向に駆動し、したがって、主増幅器７０４の出力７０５とその正電源入力７０７との間の電圧差を低減するように働く。この効果は、次いで正の側の電力ブースト増幅器７２０への駆動信号を低減する。

上記の効果は、負フィードバックループの動作の結果として生じ、このループが安定であるように設計されるとすると、主増幅器７０４の出力７０５とその正供給電圧との間の差が基準レベルを下回ることを阻止するように動作する。主増幅器７０４の出力信号７０５の電圧レベルは、その入力に対して印加される信号によって、その動作の線形領域にある増幅器にとって通常であるように確定され、したがって、フィードバックループが動作可能になると、その動作は、電源電圧が主増幅器７０４の出力電圧を上回る所定のオフセット（たとえば１．５ボルト）で追跡することを可能にすることができる。結果として、主増幅器７０４はクリップせず、電力ブースト増幅器７２０、７３０がクリップしていない限り、負荷への増大する電圧を駆動し続ける。したがって、この効果は、増大した出力容量及び最大クリップレベル並びに主増幅器７０４の効率に関して上記の実施形態と同様であるが、電力ブースト増幅器７２０、７３０の利得を主増幅器７０４の利得とマッチングする必要がない。

理想的には、電力ブースト増幅器７２０、７３０の利得は、電圧差が一定レベルに維持されるべきである場合、無限であろう。しかしながら、これは実際的ではなく、有限の利得によって、電圧差は大きな電圧振幅で低減することになる。このような状況は、典型的には所望のものと反対である。そうではなく、多くの場合、電圧差を高出力レベルで増大させることが好ましい。このような効果は、図７Ａの増幅システム７００をわずかに変更することによって達成することができる。上記で説明したように、図７Ａに示されるシステム７００は、主増幅器７０４の出力とその供給端子との間の差を検知し、この差が一定の基準レベルを下回ることを阻止するように動作する。一定の基準レベルの代わりに、この基準が、可変オフセット回路７２４、７３４において実施されるように、出力レベルに比例して増大するようにされるとすると、この効果は電力ブースト増幅器７２０、７３０の有限の利得に起因する誤りをオフセットされなければならないであろう。比例定数が適切に選択される場合、有限利得の効果を正確に相殺することができ、それによって、フィードバックループが動作すると、主増幅器７０４の出力７０５とその電源端子との間の差が一定の電圧に維持される。比例定数がこの量よりも高い場合、電圧差は、電力ブースト増幅器１２０及び１３０（Ｂ＋及びＢ−）が１よりも大きな利得を与えられていた図１の実施形態の元の変形形態によって得られる特性を模倣する出力レベルで増大する。

図７Ａに関して説明されたフィードバック構成は、蓄電コンデンサ電圧の垂下によって直面する潜在的な問題も克服する。蓄電コンデンサ７２５、７３５はフィードバックループ内に閉じ込められているため、垂下は最初は何の影響も有しない。電力ブースト増幅器７２０又は７３０が自動的により強く駆動されてこの垂下を補償する。電力ブースト増幅器７２０又は７３０がその供給レールで飽和すると、この補正はもはや行われず、主増幅器７０４の出力はクリップまで駆動されるが、一般的に出力レベルの壊滅的崩壊は生じない。

図７Ａの技法は、たとえば図８Ａに示される多チャネル構成に拡張することができ、ここでも、２つ以上の主増幅器が１組の電力ブースト増幅器Ｂ＋／Ｂ−から電力供給される。図８に示す実施形態において、「８ｘｘ」と符号付けされている構成要素は、概して図６において「６ｘｘ」と符号付けされている同じ構成要素に対応する。図７Ａのように、１つの増幅器の出力及び供給電圧端子を検知して電圧差を駆動するのではなく、供給電圧と、コントローラ８６０によって決定される、図８Ａの主増幅器８０４、８５４のいずれかの最大出力との差が使用されて、フィードバックループが駆動される。このようにして、電源電圧が、主増幅器８０４、８５４のいずれもがクリップすることが阻止されるほど常に十分に大きいことを確実にすることができる。上記のように、本明細書において説明される他の多チャネル実施形態では、出力電圧がより低い複数の主増幅器は、結局は必要な供給電圧を超え、したがってそれらの効率はいくらか劣るおそれがあるが、これは許容可能なトレードオフを超えることが多い。

図７Ａ及び図８Ａに関して説明したフィードバック手法の変形形態を採用して、それによって、主増幅器（複数可）の供給電圧と出力との間の差を検知するのではなく、供給電圧と、増幅器（複数可）に対する入力が適切に増幅されたものと間の差を代わりに使用してフィードバックループを駆動することもできる（図７Ａを変更したものに対応する図７Ｂ、及び図８Ａを変更したものに対応する図８Ｂを参照されたい）。したがって、図７Ｂにおいて、電力増幅器７９０は、入力信号７０２を増幅する利得Ｇを有する利得段７７０を備え、増幅された入力信号７７１が、主増幅器出力７０５ではなく電力ブースト増幅器７２０、７３０に提供される。同様に、図８Ｂにおいて、電力増幅器８９０は、入力信号８０２を増幅する利得係数Ｇ１を有する利得段８７０と、入力信号８０３を増幅する利得係数Ｇ２を有する利得段８８０とを備え、増幅された入力信号８７１及び８８１が、上述のように動作するコントローラ８６０に提供される。このような手法は、特定の態様ではいくらかより複雑である場合があるが、増幅器のタイプによってはフィードバックループの安定化をより容易にすることができる。

図９は、依然として１組の電力ブースト増幅器９２０、９３０を使用する、Ｎ個の増幅器９０４ａ．．．９０４ｎの一般的な事例に拡張した図８Ｂのフィードバック制御手法を採用する一実施形態を示す。図９において、「９ｘｘ」と符号付けされている構成要素は、概して図８において「８ｘｘ」と符号付けされている同じ構成要素に対応する（ただし、追加の参照符号「ａ」．．．「ｎ」で符号付けされている重複する構成要素を有する）。図９における増幅システムは、図８Ｂのように２つの増幅器からの最大出力を得るのではなく、さまざまな増幅器出力９０５ａ．．ｎからの最大正電圧値（the largest positive magnitude voltage）（「最良のＮ」）、及び、さまざまな増幅器出力９０５ａ．．ｎからの最大負電圧値（「最小のＮ」）を求め、これらの値（図９においてＶ_{ＮＨＩＧＨ}及びＶ_ＮＬＯＷと示す）を電力ブースト増幅器９２０、９３０に提供する比較器制御回路９６０を備える。図９における主増幅器９０４ａ．．．ｎのいずれかの正又は負の供給電圧と、最大正／負出力との差は、フィードバックループを駆動するのに使用される。このようにして、電源電圧が、主増幅器９０４ａ．．．ｎのいずれもがクリップすることが回避されるほど常に十分に大きいことを確実にすることができる。

上記のように、本明細書において説明される他の多チャネル実施形態では、出力電圧がより低い複数の主増幅器９０４は、典型的には結局、必要な供給電圧を超え、したがってそれらの効率はいくらか劣るおそれがあるが、これは許容可能なトレードオフであることが多い。また、図９は入力検知を使用する一例を示すが、Ｎ個の増幅器の一般的な事例への拡張は、出力検知手法にも等しく適用される。

図１０は、電力増幅器回路の一実施形態の詳細な回路図である。ここで、主増幅器１００４（この例ではＦＥＴ）が、必要に応じて、正供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ＋）１００７を出力する正電力ブースト増幅器１０２０、及び負供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ−）１００８を出力する負電力ブースト増幅器１０３０によって電力供給される。主増幅器１００４、正電力ブースト増幅器１０２０、及び負電力ブースト増幅器１０３０は、概して図７に示される主増幅器７０４（Ａ１）、及び電力ブースト増幅器７２０（Ｂ＋）、７３０（Ｂ−）に類似であり、同様の目的を果たす。正電力ブースト増幅器１０２０は、主増幅器１００４の出力１００５から導出される入力信号（Ｖｉｎ（＋））１０９１を受信し、負電力ブースト増幅器１０３０は、同様に主増幅器１００４の出力１００５から導出される入力信号（Ｖｉｎ（−））１０９２を受信する。正電力ブースト増幅器１０２０は、正ブースト電圧検知ライン１０２１上の正供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ＋）１００７を検知し、蓄電コンデンサ１０２５によって提供されるブーストの量を制御する正レールブースト制御信号１０９３を生成する。同様に、負電力ブースト増幅器１０３０は、負ブースト電圧検知ライン１０３１上の負供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ−）１００８を検知し、蓄電コンデンサ１０３５によって提供されるブーストの量を制御する負レールブースト制御信号１０９４を生成する。詳細な挿入図１０９０は、本明細書において開示される上記の実施形態に関連して上述したダイオード１０２９、１０３９と共に、蓄電コンデンサ１０２５に印加される正レールブースト制御信号１０９３と、蓄電コンデンサ１０３５に印加される負レールブースト制御信号１０９４とを示す。当該挿入図は、正ブースト電圧検知ライン１０２１を導出するのに使用される検知抵抗器Ｒ７４、及び、負ブースト電圧検知ライン１０３１を導出するのに使用される検知抵抗器Ｒ７５も示す。

図１０の回路の動作は、それによって負電力ブースト増幅器１０３０が類似の様式で動作することが理解される、図１２における関連グラフと共に、図１０における正電力ブースト増幅器１０２０の特定の詳細を示す図１１を参照してより深く説明することができる。図１１は、図１０のブースタ増幅器を駆動するように設計される出力検知回路を包括的に示し、一方で図１２は、回路のさまざまな点、及びさまざまな時点における特定の電圧波形を示す。図１１において、トランジスタＱ５及び抵抗器Ｒ５、Ｒ６は、ノードＶ５への、ライン１０２１上で検知される正供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ＋）１００７からの公称上一定の電圧差を維持する、一般的に「増幅ダイオード」電圧基準１１２５と呼ばれるものを形成する。抵抗器Ｒ４及びＲ７８は、この電圧基準１１２５に対するバイアス電流を提供するが、ノードＶ２における検知されたブースト電圧（Ｖｓｅｎｓｅ＋）の成分も計算に入れる。したがって、トランジスタＱ４のエミッタ電圧は、固定成分にＶｂｏｏｓｔ＋に比例する所定の成分を加算した値を有するＶｂｏｏｓｔ＋を下回る電圧に維持される。トランジスタＱ４のエミッタは、ダイオードＤ３及び抵抗器Ｒ１を介して増幅器出力１００５に接続される。トランジスタＱ４のコレクタは、ブースト増幅器（たとえば、図７の増幅器７２０（Ｂ＋））の入力に接続される。

最初に、静止条件下で、検知されたブースト電圧（Ｖｓｅｎｓｅ＋）１０２１がダイオード１０２９（図１０の挿入図１０９０を参照されたい）を介して電源ソース電圧Ｖｓ＋を下回るダイオード電圧降下に維持され、一方でダイオードＤ３は逆バイアスされる。この時点では、正電力ブースト増幅器１０２０をその線形領域にただ維持してその応答時間を加速するのに十分であるが、電力ブースト増幅器１０２０の出力が、（入力電圧が増大するのに従う、経時的な正電力ブースト増幅器１０２０の出力を反映する図１２における波形１２１０によって示される）負供給ソース電圧Ｖｓ−に非常に近接するほど十分に小さい、小さな電流のみが、抵抗器Ｒ３を介してトランジスタＱ４を通じて流れる。図１２における波形１２２０によって示されるように、ソース信号の入力電圧が上昇すると、主増幅器１００４の出力電圧も、図１２における波形１２５０によって示されるように、図１２における時点ｔ１において開始して、Ｖｂｏｏｓｔ＋に向かって正方向に上昇する。最初に、ダイオードＤ３が依然として逆バイアスされている間は、回路の状態は変化しない。しかしながら、主増幅器１００４の出力電圧が、トランジスタＱ４のエミッタにおける電圧を超えて１つのダイオード電圧降下を上昇させると（図１２における時点ｔ２において起こる）、主増幅器１００４は、トランジスタＱ４を通る電流を駆動してノードＶ８（図１１）における電圧を増大させ、したがって、再び図１２における波形１２１０によって示されるように、正電力ブースト増幅器１０２０の出力を上昇させる。

ノードＶ８における電圧増大は、蓄電コンデンサ１０２５を通じて正供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ＋）に伝達され、これは図１２における波形１２６０によって示される。Ｖｂｏｏｓｔ＋の上昇はダイオード１０２９を逆バイアスし、それによって、主増幅器１００４への正供給レールが現在ブーストされている。このＶｂｏｏｓｔ＋の上昇は、トランジスタＱ４のエミッタ電圧を、図１２における波形１２３０によって示されるように、トランジスタＱ５並びに抵抗器Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７８及びＲ４（すなわち増幅ダイオード電圧基準１１２５及びＶｂｏｏｓｔ＋の可変成分）の動作に起因して上昇させ、したがって、ダイオードＤ３及び抵抗器Ｒ１を通る電流が低減される。これは、負フィードバック動作を構成し、このループが安定であり、且つループを回っての利得が十分に高いとすると、ループの動作は、以下のように数学的に記述される、トランジスタＱ４のエミッタと、或るレベルのＶｂｏｏｓｔ＋との間の電圧差を維持することができる。

Ｖｄｉｆｆ＝（Ｖｂｏｏｓｔ＋）・Ｒ７８／（Ｒ４＋Ｒ７８）＋Ｖｒｅｆ（Ｒ４／［Ｒ４＋Ｒ７８］）＋Ｖｂｅ４
式中、ＶｒｅｆはノードＶ５における電圧を示し、Ｖｂｅ４はトランジスタＱ４のベース−エミッタ間電圧を示す。ループ利得が高い場合、Ｒ１を通る電流は相対的に小さく、したがって、電力ブースト増幅器１０２０の出力は、Ｖｂｏｏｓｔ＋を、ほぼ主増幅器の出力電圧１００５の上方（Ｖｄｉｆｆ−Ｖｄ３）に維持するように推移し、ここでＶｄ３は図１１におけるダイオードＤ３の両端の電圧降下である。

したがって、低い出力電圧では、主増幅器１００４は通常の増幅器として動作するが、所定の閾値をわたるとすぐに、正電力ブースト増幅器１０２０が動作状態になって、主増幅器１００４がクリップするのを阻止すると共に、その正電源レール電圧をブーストし、したがってその出力容量が増大する。負電力ブースト増幅器１０３０は相補的な様式で動作する。

特定の回路要素の例示的な値が図１１に示されているが、これらの値は例示のみを目的とするものであり、いかなる様態においても限定されることを意図するものではないことは理解されたい。さらに、電力ブースト増幅器１０２０、１０３０の追加の詳細は、それらが概して、当業者には明らかであろう既知の技法に基づくものであり、したがって、代替的な増幅器の設計を使用すること、並びに／又は、具体的な用途及びシステムパラメータに応じて電力ブースト増幅器１０２０、１０３０のさまざまな特徴を変更若しくは最適化することは、それ自体が当業者の認識範囲内にあると考えられるため、深くは説明しない。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、電力レールブースト回路を含む電力増幅器の別の実施形態を示す詳細な回路図である。図１３Ａは、たとえば、オーディオ増幅システム又は他の用途に使用することができる電力増幅器１３０４を示す。電力増幅器１３０４は、本明細書において上述した主増幅器と概して類似している。当該電力増幅器１３０４は、好ましくは電流ダンピング出力設計を採用し、低静止電力に最適化される。当該電力増幅器１３０４は、好ましくはＢ級増幅器として動作する。電力増幅器１３０４は、増幅される入力ソース信号１３０２を受信し、増幅された信号１３０５を出力し、当該信号１３０５は、図１３Ｂにおける電力ブースト増幅器１３２０、１３３０によって使用されて、さらなる出力電力が必要な場合にブーストされた電源レール１３０７、１３０８が生成される。

図１３Ｂにおける回路はＨ級電源を構成する。この特定の例において、システムは単一の公称２８ボルトＤＣ入力電圧で動作する（ただし、±１４ボルトＤＣ入力で等価に動作することができる）。図１３Ｂにおける回路は、完全にアクティブである場合、±４０ボルトの電源レールを生成し、図１３Ａに示すタイプのいくつかの増幅器に電力供給するのに使用することができる。図１３Ｂの回路の動作は、図１０及び図１１のものと概して類似している。しかしながら、いくつかの相違がある。図１３Ｂにおいて、入力ソース信号１３０２を受信すると共に、増幅された出力信号１３０５を生成する増幅器１３０４が示されている。増幅器１３０５は図１３Ａの主増幅器の、図７Ｂにおける利得ブロックＧ（７２０）と同様に、周波数応答は一致するが、利得が低減している類似物である。正電源ブースト回路１３２０及び負電源ブースト回路１３３０は、共に増幅された出力信号１３０５を受信すると共に、それに応答して、必要に応じて、ライン１３０７、１３０８上のブーストされた電源を提供する電力ブースト制御信号１３９３、１３９４をそれぞれ出力する。すべて上述の実施形態と概して同様に、正電力ブースト制御信号１３９３は、（物理的には２つのコンデンサＣ３８とＣ４０との組合せである）蓄電コンデンサ１３２５を駆動し、一方で負電力ブースト制御信号１３９４は、（同様に物理的には２つのコンデンサＣ４１とＣ４２との組合せである）蓄電コンデンサ１３３５を駆動する。

ここで、正電力ブースト回路１３２０に特に焦点を当てると、トランジスタＱ４は図１０及び図１１に同様に示された構成要素と同じ一般的な目的を果たす。図１１のフィードバック構成に加えて、正電力ブースト回路１３２０は、トランジスタＱ２５及び関連回路をも使用して、正供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ＋）１３０７を検知すると共に、利得を利得ブロック１３０４の出力をマッチングするように設定し、それによって、その出力振幅を低減することができる。負電力ブースト回路１３３０及び負供給電圧信号（Ｖｂｏｏｓｔ−）１３０８に関して類似の動作が行われる。

図１３Ｂにおける電力ブースト回路を使用して図１３Ａに示すタイプの複数の増幅器に電力供給することができる。電力ブースト回路はこれらの増幅器、すなわち出力段に対して遠隔に配置することもでき、それによって配置オプションの柔軟性が増す。

上記のように、特定の回路要素の例示的な値が図１３Ａ及び図１３Ｂに示されているが、これらの値は例示のみを目的とするものであり、いかなる様態においても限定することを意図するものではないことは理解されたい。さらに、電力ブースト回路１３２０、１３３０内の増幅器回路の詳細の深い説明は、そのような詳細が当業者の認識範囲内にあると考えられ、電力ブースト回路１３２０、１３３０の基本動作を理解するのに必要ではないため、必要とは考えられない。

電圧ブースト方式の１つの潜在的な欠点は、ブースト段階が終了すると、ブースト増幅器が蓄電コンデンサを再充電してブースト段階中に失われた電荷を補充しようと試みることである。これが起こると、コンデンサへの電流の大きな初期サージが起こる可能性があり、これによって、電源ライン上で電圧スパイクが生じる可能性があり、次いで、電圧スパイクは潜在的に増幅器に結合して歪みを引き起こす可能性がある。この潜在的な問題を回避するために、ブースト増幅器電流出力容量を制限してあらゆるこのようなスパイクの危険性を低減することができる。電流制限レベルは、好ましくは、蓄電コンデンサを依然として適切に十分早く充電することができるように設定される。

この手法をさらに拡張して、電圧制御式電流制限動作を採用することによって充電電流プロファイルを成形することができる。この事例では、増幅器出力電圧レベルを使用して、増幅器が最初にブースト段階を出るときに、充電電流が公称レベルで設定されるように、電流制限を制御することができる。増幅器出力がその静止状態に戻るにつれて、充電電流が増大する。このようにして、充電電流プロファイルが散開して、供給ライン上で起こる重大なスパイクが少なくなる。

この概念をさらに拡張すると、蓄電コンデンサの充電を、増幅器出力が反対の電圧レールに近づき始めるまで遅延させることができる。これは、コンデンサの充電に起因する、たとえば正レール上のあらゆるスパイクが、Ｂ級又はＡＢ級の増幅器の振幅の正の半分が遮断されるまで生じないことを確実にするのを助ける。したがって、増幅器を通じて出力に結合する任意の正レールのスパイクの尤度が低減し、それによって、歪みが低下するであろう。

電圧制御式電流制限回路１４００の一実施形態の一例を、図１４に示す。この回路を図１３Ａ及び図１３Ｂに示す増幅器構成に加えることによって、正レール蓄電コンデンサに対する電流制限が可能になり、同様の（相補的な）回路を負ブースタ回路に使用することができる。端子Ｖｃｉ（１４０２）は、増幅器出力電圧を検知し、この情報を使用して、トランジスタＱ１とＱ２とから成る差動増幅器１４０５に流れる電流を変更する。電力増幅器がブーストモードにある場合、トランジスタＱ１は遮断されるように構成され、次いで、最大電流がトランジスタＱ２を通じて流れ、したがって図１３ＢのトランジスタＱ５がオン状態にバイアスされる。電力増幅器は、最初にブーストモードでなくなるとき、構成要素の値を適切に選択することによってこの条件が依然として適用されるように構成される。したがって、トランジスタＱ５は、正レールブースタが蓄電コンデンサを再充電するのを阻止する。電力増幅器の出力電圧が一定の閾値を超えてさらに降下すると、電流がトランジスタＱ２から逸れ始め、したがって図１３ＢのトランジスタＱ５が部分的にオフになり、制限された充電電流を蓄電コンデンサに提供することが可能となる。この閾値は、電流制限動作のプロファイルを調整することができるように、構成要素の値を適切に選択することによって調整することができる。

本明細書において説明したさまざまな電力ブースト回路は、オーディオ増幅システムに有用な用途を見出すことができるが、それらはこのような用途に決して限定されない。そうではなく、それらはさまざまな異なる状況又は環境に採用することができ、たとえば一時的な電力ブーストが必要な何処にも使用することができる。

本発明の好ましい実施形態を本明細書において説明してきたが、本発明の概念及び範囲内に留まる多くの変形形態が可能である。このような変形形態は、当業者には本明細書及び図面を検討すれば明らかになるであろう。したがって、本発明は任意の添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内を除いて限定されないものとする。

本明細書において開示される１つ又は複数の実施形態による電力レールブースト回路を備える単一チャネル電力増幅器の図である。 本明細書において開示されるさまざまな実施形態による電力レールブースト回路を備える２チャネル電力増幅器の図である。 図２の電力増幅器の動作の一例に関する波形を示すグラフである。 図２に示されるか又は図２に関連して検討されるさまざまな原理による、電力レールブースト回路を備える特定の電力増幅器のより詳細な図である。 電力レールブースト回路を備える単一チャネル電力増幅器の別の実施形態の図である。 電力レールブースト回路を備える２チャネル電力増幅器の一実施形態の図である。 電力レールブースト回路を備え、減退又は垂下を調整する単一チャネル電力増幅器の別の実施形態の図である。 フィードバックループを駆動するために、供給電圧と主増幅器入力を増幅したものとの間の差を検知する回路を備える、図７Ａの増幅器の変形形態を示す図である。 電力レールブースト回路を備え、減退又は垂下を調整する２チャネル電力増幅器の図である。 フィードバックループを駆動するために、供給電圧と主増幅器入力を増幅したものとの間の差を検知する回路を備える、図８Ａの増幅器の変形形態を示す図である。 本明細書において開示される１つ又は複数の実施形態による電力レールブースト回路を備えるＮチャネル電力増幅器の一実施形態の図である。 電力レールブースト回路を備える電力増幅器の特定の一実施形態の詳細な回路図である。 図１０からの正レールブースタの一部を示す回路概略図である。 特定の電圧波形の一例、並びに図１０及び図１１の電力ブースト回路の動作に関連する関係を示すグラフである。 電力レールブースト回路を備える電力増幅器の一実施形態の詳細な回路図である。 電力レールブースト回路を備える電力増幅器の一実施形態の詳細な回路図である。 本明細書において開示されているさまざまな電力ブースト回路に関連して使用することができる電圧制御式電流制限回路の一例を示す回路図である。

Claims (28)

1. 増幅システムであって、
   増幅器からの出力信号を入力として受信する少なくとも１つの電力ブースト回路であって、前記増幅器は電源レールからの電源入力電圧信号を受信する、少なくとも１つの電力ブースト回路と、
   蓄電コンデンサ（reservoir capacitor）とを備え、
   前記少なくとも１つの電力ブースト回路は、前記増幅器からの前記出力信号を追跡し、該増幅器からの該出力信号が所定の閾値内の前記電源レール電圧に近づくときに、前記蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって、前記増幅器に電力供給する（feeding）前記電源入力電圧信号を一時的にブーストする増幅システム。
2. 前記少なくとも１つの電力ブースト回路は、前記出力信号が前記電源レール電圧のレベルから前記所定の閾値を差し引いた値を超えている限り、前記電源入力電圧信号を、前記増幅器からの前記出力信号を超える所定のレベルに維持し、該所定のレベルは前記所定の閾値の量に近似的に等しい請求項１に記載の増幅システム。
3. 前記所定のレベルは公称上は一定であるが、前記蓄電コンデンサから電流が引き込まれると減退する請求項２に記載の増幅システム。
4. 前記蓄電コンデンサはダイオードを介して前記電源レールに結合され、該ダイオードは、前記増幅器の前記出力信号が前記電源レール電圧のレベルから前記所定の閾値を差し引いた値を超えない場合に、前記蓄電コンデンサが充電されることを可能にする請求項２に記載の増幅システム。
5. 前記ダイオードはショットキーダイオードを含む請求項４に記載の増幅システム。
6. 前記増幅システムは、前記増幅器によって受信されるソース入力信号に接続される利得段をさらに備え、該利得段は或る動作範囲にわたって前記増幅器の利得特性にマッチングする利得特性を有し、前記増幅器の前記出力信号を示す出力を前記電力ブースト回路に提供し、それによって、該電力ブースト回路が前記増幅器の前記出力信号を間接的に追跡することが可能となる請求項１に記載の増幅システム。
7. 前記増幅器に電力供給するブーストされた前記電源入力電圧信号を監視する電圧検知回路と、該電圧検知回路に応答し、可変フィードバック信号を前記電力ブースト回路内に射出する可変オフセット回路であって、前記可変フィードバック信号の大きさは前記電源入力電圧信号の大きさに比例する、可変オフセット回路とをさらに備える請求項１に記載の増幅システム。
8. 前記電力ブースト回路は、ブーストされた前記電源入力電圧信号に対応するフィードバック信号を受信し、前記電源入力電圧信号が増大するにつれて増大する可変利得係数をその電力ブースト機能に適用する請求項１に記載の増幅システム。
9. 独立した正及び負の電源レールブースティングを有する増幅システムであって、
   増幅器からの出力信号を入力として受信する第１の電力ブースト回路と、
   前記増幅器からの前記出力信号を入力として受信する第２の電力ブースト回路とを備え、
   前記第１の電力ブースト回路及び前記第２の電力ブースト回路は選択的に係合されて、それぞれ、前記増幅器からの前記出力信号が正電源レール若しくは負電源レールに近づくか又は該正電源レール若しくは該負電源レールを超えると、前記増幅器に対する正電源入力電圧レベル及び負電源入力電圧レベルを一時的にブーストする増幅システム。
10. 前記第１の電力ブースト回路は、前記正電源レール付近の前記増幅器からの前記出力信号の軌跡と該正電源レールを超える該増幅器からの該出力信号の軌跡とを動的に追跡することによって前記増幅器に対する前記正電源入力電圧レベルをブーストし、前記第２の電力ブースト回路は、前記負電源レール付近の前記増幅器からの前記出力信号の軌跡と該負電源レールを超える該増幅器からの該出力信号の軌跡とを動的に追跡することによって前記増幅器に対する前記負電源入力電圧レベルをブーストする請求項９に記載の増幅システム。
11. 前記増幅システムは、
    第１の蓄電コンデンサと、
    第２の蓄電コンデンサとをさらに備え、
    前記第１の電力ブースト回路は、前記増幅器からの前記出力信号が前記正電源レールのレベルから所定の正レール閾値を差し引いた値を超える場合に前記第１の蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって前記増幅器に対する前記正電源入力電圧レベルをブーストし、
    前記第２の電力ブースト回路は、前記増幅器からの前記出力信号が前記負電源レールのレベルから所定の負レール閾値を差し引いた値を超える場合に前記第２の蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって前記増幅器に対する前記負電源入力電圧レベルをブーストする請求項１０に記載の増幅システム。
12. 前記所定の正レール閾値及び前記所定の負レール閾値は同じ値を有する請求項１１に記載の増幅システム。
13. 前記第１の蓄電コンデンサは第１のダイオードを介して前記正電源レールに結合され、前記第２の蓄電コンデンサは第２のダイオードを介して前記負電源レールに結合される請求項１１に記載の増幅システム。
14. 前記第１のダイオードは、前記増幅器からの前記出力信号が前記正電源レールから前記所定の正レール閾値を差し引いた値を下回ったままである場合には順バイアスのままであり、それによって前記第１の蓄電コンデンサを充電することが可能となり、前記出力信号が前記正電源レールのレベルから前記所定の正レール閾値を差し引いた値を超える場合には逆バイアスとなり、
    前記第２のダイオードは、前記増幅器からの前記出力信号が前記負電源レールから前記所定の負レール閾値を差し引いた値を上回ったままである場合には順バイアスのままであり、それによって前記第２の蓄電コンデンサを充電することが可能となり、前記出力信号が前記負電源レールのレベルから前記所定の負レール閾値を差し引いた値を超える場合には逆バイアスとなる請求項１１に記載の増幅システム。
15. 前記第１の電力ブースト回路は、ブーストされた前記正電源入力電圧に対応する第１のフィードバック信号を受信し、前記正電源入力電圧信号の大きさが増大するにつれて増大する第１の可変利得係数をその電力ブースト機能に適用し、前記第２の電力ブースト回路は、ブーストされた前記負電源入力電圧に対応する第２のフィードバック信号を受信し、前記負電源入力電圧信号の大きさが増大するにつれて増大する第２の可変利得係数をその電力ブースト機能に適用する請求項９に記載の増幅システム。
16. 動的増幅システムであって、
    第１の電源レールに電気的に接続される第１の電力ブースト増幅器であって、該第１の電源レールは、それぞれが出力信号を提供する複数の増幅器に第１の公称電圧レベルで電力を提供する、第１の電力ブースト増幅器と、
    第２の電源レールに電気的に接続される第２の電力ブースト増幅器であって、該第２の電源レールは、前記複数の増幅器に第２の公称電圧レベルで電力を提供する、第２の電力ブースト増幅器と、
    電力ブースト制御回路であって、前記複数の増幅器からの出力信号レベルを監視すると共に、電力ブースト信号を前記第１の電力ブースト増幅器及び前記第２の電力ブースト増幅器に提供するように動作可能であり、それによって、前記第１の電力ブースト増幅器は、前記第１の電源レールを、前記複数の増幅器からの最高出力信号レベルと共に前記第１の公称電圧レベルを上回って一時的にブーストし、前記第２の電力ブースト増幅器は、前記第２の電源レールを、前記複数の増幅器からの最低出力信号レベルと共に前記第２の公称電圧レベルを下回って一時的に低下させる、電力ブースト制御回路とを備える動的増幅システム。
17. 前記電力ブーストコントローラは、前記最高出力信号レベルが第１の所定のマージン内の前記第１の公称電圧レベルに近づくときに、前記第１の電力ブースト増幅器に、前記第１の電源レールを前記第１の公称電圧レベルを超えて上昇させると共に、前記最低出力信号レベルが第２の所定のマージン内の前記第２の公称電圧レベルに近づくときに、前記第２の電力ブースト増幅器に、前記第２の電源レールを前記第２の通常電圧レベルを下回って低下させる請求項１６に記載の動的電源。
18. 前記第１の公称電圧レベル及び前記第２の公称電圧レベルは同じ大きさを有するが反対の極性であり、前記第１の所定のマージン及び前記第２の所定のマージンは同じ大きさを有する請求項１７に記載の動的電源。
19. 前記電力ブーストコントローラは、前記第１の電力ブースト増幅器がアクティブである場合に、該第１の電力ブースト増幅器に、前記第１の電源レールを、前記複数の増幅器からの前記最高出力信号レベルを近似的に前記第１の所定のマージンだけ超えたままにさせると共に、前記第２の電力ブースト増幅器がアクティブである場合に、該第２の電力ブースト増幅器に、前記第２の電源レールを、前記複数の増幅器からの前記最低出力信号レベルを近似的に前記第２の所定のマージンだけ下回ったままにさせるように動作可能である請求項１７に記載の動的電源。
20. 前記動的電源は、
    第１の蓄電コンデンサと、
    第２の蓄電コンデンサとをさらに備え、
    前記第１の電力ブースト回路は、アクティブである場合に前記第１の蓄電コンデンサから電流を引き込んで前記第１の電源レールを前記第１の公称電圧レベルを超えてブーストし、
    前記第２の電力ブースト回路は、アクティブである場合に前記第２の蓄電コンデンサから電流を引き込んで前記第２の電源レールを前記第２の公称電圧レベルを下回って低下させる請求項１６に記載の動的電源。
21. 前記第１の蓄電コンデンサは第１のダイオードを介して前記第１の電源レールに結合され、それによって、前記複数の増幅器に対する電力をアクティブにブーストしない場合に、前記第１の蓄電コンデンサを充電することが可能となり、前記第２の蓄電コンデンサは第２のダイオードを介して前記第２の電源レールに結合され、それによって、前記複数の増幅器に対する電力をアクティブにブーストしない場合に、前記第２の蓄電コンデンサを充電することが可能となる請求項２０に記載の動的電源。
22. 複数の増幅器に電力を供給する方法であって、
    第１の基線供給電圧レベル及び第２の基線供給電圧レベルで前記複数の増幅器に電力を供給し、
    前記複数の増幅器のそれぞれからの出力信号を監視し、
    前記複数の増幅器のうちのいずれかからの前記出力信号が第１の所定のマージン内の前記第１の基線供給電圧レベルに近づくときに、該第１の基線供給電圧レベルを増大させ、それによって、該第１の基線供給電圧レベルは、前記複数の増幅器のそれぞれからの前記出力信号のレベルを常に上回ったままであり、
    前記複数の増幅器のうちのいずれかからの前記出力信号が第２の所定のマージン内の前記第２の基線供給電圧レベルに近づくときに、該第２の基線供給電圧レベルを低減させ、それによって、該第２の基線供給電圧レベルは、前記複数の増幅器のそれぞれからの前記出力信号のレベルを常に下回ったままである電力供給方法。
23. 前記第１の基線供給電圧レベルは正であり、前記第２の基線供給電圧レベルは負であり、該第１の基線供給電圧レベル及び該第２の基線供給電圧レベルは同じ大きさを有する請求項２２に記載の電力供給方法。
24. 前記第１の基線供給電圧レベルは、前記複数の増幅器からの最大正出力信号が前記第１の基線供給電圧レベルから前記第１の所定のマージンを差し引いた値を超える場合には、前記最大正出力信号を追跡するように増大されるが、そこから前記第１の所定のマージンだけオフセットされ、前記第２の基線供給電圧レベルは、前記複数の増幅器からの最大負出力信号が前記第２の基線供給電圧レベルから前記第２の所定のマージンを差し引いた値を超える場合には、前記最大負出力信号を追跡するように低減されるが、そこから前記第２の所定のマージンだけオフセットされる請求項２２に記載の電力供給方法。
25. 前記第１の基線供給電圧レベルを増大させるステップと、前記第２の基線供給電圧レベルを低減するステップとは独立して実施され、それによって、前記第１の基線供給電圧レベル又は前記第２の基線供給電圧レベルのうちの一方のみを所与の時点においてブーストすることができる請求項２４に記載の電力供給方法。
26. 前記第１の基線供給電圧レベルは、該第１の基線供給電圧レベルがアクティブにブーストされない場合に充電する第１の蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって増大され、前記第２の基線供給電圧レベルは、該第２の基線供給電圧レベルがアクティブにブーストされない場合に充電する第２の蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって低減される請求項２２に記載の電力供給方法。
27. オンデマンド電源であって、
    第１の電力ブースト増幅器と、
    第２の電力ブースト増幅器と、
    少なくとも第１の電力供給される増幅器及び第２の電力供給される増幅器から出力信号を受信するコントローラであって、該コントローラは、第１の制御信号を前記第１の電力ブースト増幅器に、また第２の制御信号を前記第２の電力ブースト増幅器に提供し、それによって、前記第１の電力供給される増幅器及び前記第２の電力供給される増幅器に対する電力供給信号に関連付けられる第１の電力供給レベルは、前記出力信号のいずれかが該第１の電力供給レベルに近づくか又は該第１の電力供給レベルを超えるときに、動的に第１の最小マージンだけ前記第１の電力供給される増幅器及び前記第２の電力供給される増幅器からの前記出力信号のレベルを上回ったままにされ、前記第１の電力供給される増幅器及び前記第２の電力供給される増幅器に対する電力供給信号に関連付けられる第２の電力供給レベルは、前記出力信号のいずれかが該第２の電力供給レベルに近づくか又は該第２の電力供給レベルを超えるときに、動的に第２の最小マージンだけ前記第１の電力供給される増幅器及び前記第２の電力供給される増幅器からの前記出力信号のレベルを下回ったままにされるコントローラとを備えるオンデマンド電源。
28. 前記オンデマンド電源は、
    第１の蓄電コンデンサと、
    第２の蓄電コンデンサとをさらに備え、
    前記第１の電力供給レベルは前記第１の蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって一時的にブーストされ、前記第２の電力供給レベルは前記第２の蓄電コンデンサから電流を引き込むことによって一時的にブーストされる請求項２７に記載のオンデマンド電源。

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