JP2009253709A

JP2009253709A - 信号増幅器

Info

Publication number: JP2009253709A
Application number: JP2008099865A
Authority: JP
Inventors: Ikuhiro Matsumoto; 郁広松本
Original assignee: Kenwood KK; Kenwood Engineering Corp
Current assignee: Kenwood KK; Kenwood Engineering Corp
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】
入力端子に漏れる比較的高周波のコモンモードノイズを効果的に低減可能な車載オーディオ機器等に使用される信号増幅器を提供する。
【解決手段】
入力端子１１のホットエンドに入力信号（オーディオ信号）を入力し、コールドエンドをグランド抵抗１６を介して接地する。入力端子１１のホットエンドを初段増幅器１０を構成する演算増幅器１４の入力端子に入力する。初段増幅器１０の演算増幅器１４の正負電源端子＋Ｖ及び−Ｖには、正負電源３０、３１が、インピーダンス素子（例えば、抵抗）４３、４４を介して接続される。更に、正負電源端子＋Ｖ及び−Ｖ間には、デカップリングキャパシタ４１、４２が直列接続され、その接続中点が入力端子１１のコールドエンドに接続されている。初段増幅器１０の後段に差動増幅器を構成する別の演算増幅器２０が接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は信号増幅器に関し、特に車載オーディオ等のオーディオ信号を低コモンモードノイズで所定レベルに増幅する信号増幅器に関する。

信号増幅器、特にオーディオ信号用増幅器にあっては、電源ノイズ等のコモンモードノイズに影響を受けることなく、希望するオーディオ信号（ノーマルモード）のみを所定レベルに増幅することが要求される。

特に、車載オーディオ機器は、エンジンのみならずエンジンコントロール装置を含む各種制御機器から発生するノイズが電源回路を介して侵入し得る。この場合には、車載オーディオ機器のパワーアンプ（電力増幅器）で増幅され、再生される音楽等に不愉快な雑音を生じることとなる。高音質の車載オーディオ機器を実現するには、オーディオ信号を増幅する信号増幅器のCMRR（Common Mode Rejection Ratio：コモンモード除去比）及びSVRR（Supply Voltage
Rejection Ratio：電源電圧変動除去比）を高くして、斯かるノイズを確実に除去することが要求される。

図３は、車載オーディオ機器の入力端に近い部分で使用される従来の信号増幅器（以下、アイソレーションアンプという）の典型的な回路図である。図３に示すアイソレーションアンプは、例えば初段（入力段）増幅器１０及び次段（後段又は出力段）増幅器２０を含む２段増幅器である。

初段増幅器１０は、増幅したいオーディオ信号が入力される入力端子（IN）１１、入力抵抗１２、カップリング用キャパシタ（コンデンサ）１３、演算増幅器（オペアンプ：第１の演算増幅器）１４及び帰還抵抗１５を含んでいる。この演算増幅器１４は、非反転入力端子（＋）、反転入力端子（−）、出力端子（OUT）及び正負動作電圧が供給される正電源端子（＋V）及び負電源端子（−V）を有する。

入力端子１１のホットエンドは、入力抵抗１２及びカップリング用キャパシタ１３の直列回路を介して演算増幅器１４の非反転入力端子（＋）に接続されている。一方、入力端子１１のコールドエンドは、グランド抵抗１６を介してグランド（アース）に接続されている。更に、演算増幅器１４の非反転入力端子（＋）は、抵抗１７を介して入力端子１１のコールドエンド（即ち、抵抗１６の非接地端）に接続されている。また、演算増幅器１４の反転入力端子（−）は、帰還抵抗１５を介してその出力端子に接続されると共に、抵抗１８及び可変抵抗１９の直列回路を介して入力端子１１のコールドエンドに接続されている。

次に、次段増幅器２０について説明する。次段増幅器２０は、抵抗２１、２２、２３及び２５と演算増幅器（第２の演算増幅器）２４とにより構成されている。初段増幅器１０の演算増幅器１４の出力端子及び演算増幅器２４の反転入力端子（−）間に入力抵抗２１が接続され、この反転入力端子（−）及び出力端子（OUT）間に帰還抵抗２５が接続されている。また、初段増幅器１０の入力端（IN）１１のコールドエンドと演算増幅器２４の非反転入力端子（＋）間に入力抵抗２２が接続され、この非反転入力端子（＋）とグランド（接地）間に抵抗２３が接続されている。また、この演算増幅器２４も、上述した演算増幅器１４と同様に、正負電源端子（＋V）及び（−V）を有する。

上述した初段増幅器１０及び次段増幅器２０の演算増幅器１４及び２４の動作電源電圧は、それぞれ正電源（＋Vcc）３０及び負電源（−Vcc）３１から供給される。そして、これら正負電源３０、３１間には大容量のキャパシタ３２、３３及び小容量のキャパシタ３４、３５の並列回路が接続され、それらの接続中点は、グランドに接続（接地）されている。

次に、図３に示すアイソレーションアンプの動作を説明する。入力段増幅器１０は、入力端子１１に入力された、即ち入力端子１１のホットエンド及びコールドエンド間の信号を、実質的に帰還抵抗１５と直列接続された抵抗１８及び可変抵抗１９の比である次式
（１＋Ｒ１５／（Ｒ１８＋Ｒ１９））
で決まる任意の増幅率（ゲイン）で増幅する。この増幅率は、例えば数倍乃至数１０倍程度の値に設定されるのが一般的である。

他方、次段増幅器２０は、初段増幅器１０の出力信号及びコモンモードノイズによって入力端子１１のコールドエンド側に現れる電圧を入力として、入力抵抗２１、２２、２３及び帰還抵抗２５と共に差動増幅器を構成する。この次段増幅器２０により、入力端子１１のコモンモードノイズを除去して、演算増幅器２４の出力端子（ＯＵＴ）から出力する。一般に、入力抵抗２１、２２、２３及び帰還抵抗２５には等しい抵抗値が使用され、差動増幅器としてのゲインは通常１である。

尚、アイソレーションアンプに関連する従来技術は、幾つかの技術文献に開示されている。多段増幅器のグランド（コモン）間の電位差によるノイズを低減する音響機器の雑音除去装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、複数の個別トランジスタにより構成されるグランドアイソレーションアンプが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
実開平１−８１０２０号公報実開昭６２−１９３３１５号公報

図３に示す如き従来の信号増幅器は、理想状態ではコモンモードノイズを除去可能である。しかし、コモンモードノイズの周波数が高くなると、コモンモードノイズがノーマルモード側に漏れ、この漏れたコモンモードノイズは初段増幅器のゲインにより、例えば数１０倍に増幅されるが、次段増幅器で除去されることはない。従って、ＣＭＲＲの悪化、即ちコモンモードノイズを除去することができないという課題を有する。また、上述した特許文献１及び２に開示された増幅器でも、本発明が意図する如き高いコモンモードノイズ除去効果が期待できない。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、簡単な構成で、高いコモンモードノイズが除去可能な信号増幅器を提供することを主たる目的とする。

上述した目的を実現するために本発明の信号増幅器は、次の如き特徴的な構成を採用している。
（１）本発明の信号増幅器は、入力端子のコールドエンド側に抵抗を介して接地するグランド抵抗と、
前記入力端子のコールドエンド側を基準として前記入力端子のホットエンド側の信号を増幅する第１の演算増幅器と、
前記入力端子のコールドエンド側の信号及び前記第１の演算増幅器の出力を入力とする差動増幅器を構成する第２の演算増幅器とを備え、
前記第１の演算増幅器の正負電源端子が、それぞれインピーダンス素子を介して正負電源に接続されると共に、デカップリングキャパシタを介して前記入力端子のコールドエンド側に接続されるグランドアイソレーション型の信号増幅器。
（２）前記正負電源から前記第１の演算増幅器の正負電源端子間に接続される前記インピーダンス素子は、抵抗である上記（１）の信号増幅器。
（３）前記入力信号はオーディオ信号であり、車載オーディオ機器に使用される上記（１）又は（２）の信号増幅器。

上述の如き特徴的な構成を採用する本発明の信号増幅器は、次の如き特有の効果を奏する。即ち、従来の信号増幅器を僅かな変更により、コモンモードノイズを確実に除去することが可能である。また、ノーマルモード側に漏れたコモンモードノイズを初段の増幅器により高いゲインで増幅して次段の増幅器へ入力されることがないので、信号増幅器全体として優れた（高い）コモンモードノイズの除去が可能である。更に、従来の信号増幅器に対して付加される素子は僅かであり且つ初段増幅器及び次段増幅器に共通の電源回路が使用可能であるので、優れた信号増幅器が安価に実現可能である。

以下、本発明による信号増幅器の好適な実施の形態の構成及び動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明による信号増幅器の基本原理を説明するための概略回路図である。信号増幅器は、多数市販され入手が容易且つ安価である演算増幅器により構成されるのが一般的であるので、その場合について説明する。

図１（Ａ）に示す如く、演算増幅器ＯＰは、１対の入力端子、即ち反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）と出力端子（ＯＵＴ）を有する。演算増幅器ＯＰの各入力端子に入力抵抗R1及びR2が接続され、反転入力端子（−）と出力端子ＯＵＴ間に帰還抵抗Ｒｆが接続されている。そして、この演算増幅器ＯＰには正負電源Ｖから動作電圧が供給される。図１（Ａ）は、入力抵抗Ｒ１及びＲ２の入力端とグランド間にコモンモード信号源ｅ１が入力されると共に、正負電源Ｖの接続中点とグランド間に電源変動用の信号源ｅ２が接続されている場合を示す。

ＣＭＲＲ（コモンモード除去比）は、図１（Ａ）の電源変動用信号源ｅ２を０Ｖに固定して、コモンモード信号源ｅ１のみに信号を加えたときの出力端子（ＯＵＴ）に出力される信号レベルを調べることで測定される。演算増幅器ＯＰが理想的な動作なら何も出力されないが、現実の演算増幅器では、コモンモード信号源ｅ１と同じ周波数の信号が出力されてしまう。この出力をコモンモードノイズの漏れと称し、周波数が高くなるほど大きくなり、高音域では無視できないレベルとなる。

一方、ＳＶＲＲ（電源電圧変動除去比）の一部の測定は、図１（Ａ）のコモンモード信号源ｅ１を０Ｖに固定して、電源変動用信号源ｅ２のみに信号を加えて測定される。この測定は、信号源ｅ２の電圧を基準に見ると、ＣＭＲＲの測定と全く同等の測定になっている。つまり、コモンモードノイズの漏れは、電源電圧の変動に関連していることが分かる。

ここで、コモンモード信号源ｅ１及びｅ２の両方が同一である場合を考えてみる。図１（Ａ）の信号源ｅ１及びｅ２を同じ電圧の信号源ｅ０に変えると、図１（Ｂ）のようになる。図１（Ｂ）で信号源ｅ０の電圧を基準に見ると、演算増幅器ＯＰに変動要素はなく、何も出力されないことになる。従って、演算増幅器ＯＰの電源電圧をコモンモードノイズと同じ電圧で変動させると、コモンモードノイズの漏れを排除できることになる。

次に、図２を参照して本発明による信号増幅器の好適な実施の形態である車載オーディオ機器の信号増幅器の具体例について説明する。尚、図２の信号増幅器は、説明の便宜上、上述した図３の信号増幅器と対応部分には、同様の参照符号を使用している。即ち、図２に示す本発明による信号増幅器の実施の形態は、図３に示す信号増幅器と同様に、初段増幅器１０及び次段増幅器２０により構成されている。

初段増幅器１０は、増幅される入力信号が印加される入力端子１１、入力抵抗１２、カップリングキャパシタ１３、演算増幅器（第１の演算増幅器）１４及び帰還抵抗１５を含んでいる。入力端子１１のホットエンドは、入力抵抗１２及びカップリングキャパシタ１３の直列回路を介して演算増幅器１４の非反転入力端子（＋）に接続され、入力端子１１のコールドエンドは、グランド抵抗１６を介してグランドに接続（接地）されている。演算増幅器１４の反転入力端子（−）は、帰還抵抗１５を介して出力端子ＯＵＴに接続されると共に抵抗１８及び可変抵抗１９の直列回路を介して入力端子１１のコールドエンド（即ち、グランド抵抗１６の非接地端）に接続されている。また、演算増幅器１４の非反転入力端子（＋）と入力端子１１のコールドエンド間には別の抵抗１７が接続されている。

次に、次段増幅器２０は、抵抗２１、２２、２３及び２５と演算増幅器（第２の演算増幅器）２４を有する。そして、演算増幅器２４の反転入力端子（−）は、入力抵抗２１を介して初段増幅器１０の演算増幅器１４の出力端子ＯＵＴに接続されると共に帰還抵抗２５を介して演算増幅器２４の出力端子ＯＵＴに接続されている。また、演算増幅器２４の非反転入力端子（＋）は、入力抵抗２２を介して入力端子１１のコールドエンドに接続されると共に抵抗２３を介してグランドに接続されている。

更に、次段増幅器２０の演算増幅器２４の１対の電源端子＋Ｖ及びーＶには、夫々正負電源３０、３１から正負の動作電圧が供給されている。そして、正負電源３０、３１間には、キャパシタ３２〜３５が接続され、これらの接続中点は、グランドに接続されている。

図２の信号増幅器のうち上述した回路部分は、図３に示す従来の信号増幅器の回路部分と同一である。しかし、図２に示す本発明の信号増幅器は、以下の点で図３の信号増幅器と異なる。即ち、初段増幅器１０の演算増幅器１４の正負電源端子＋Ｖ及びーＶには、正負電源３０、３１が直接接続されることなく、それぞれインピーダンス素子（例えば、抵抗）４３、４４を介して接続される。更に、これら正負電源端子＋Ｖ及びーＶ間には、キャパシタ（デカップリングキャパシタ）４１及び４２が直列接続され、その接続中点Ｊが入力端子１１のコールドエンドに接続されている。

換言すると、図２に示す本発明の信号増幅回路は、１対のキャパシタ４１−４２及び１対のインピーダンス素子（抵抗）４３−４４を付加した点で、図３に示す従来の信号増幅回路と異なる。

斯かる構成素子の付加及び回路構成の変更により、初段増幅器１０の入力端子１１のコールドエンドに現れるコモンモードノイズは、キャパシタ（デカップリングキャパシタ）４１、４２を介して演算増幅器１４の正負電源の中点にも供給される。その結果、図１（Ｂ）の増幅回路に示す如く、コモンモードノイズの漏れが初段増幅器１０から出力されず、増幅率（ゲイン）で増幅されることもない。

但し、上述した初段増幅器１０の説明は、コモンモードノイズを基準に見た場合の説明であって、次段増幅器２０側から見ると初段増幅器１０全体がコモンモードノイズに合わせて変動していることになる。ここで、次段増幅器２０には固定の正負電源３０、３１が直接接続されている。つまり、次段増幅器２０側でコモンモードノイズの漏れが発生することになる。

しかしながら、上述の如く次段増幅器２０のゲインは通常１であり、ゲインが数倍乃至数１０倍程度の初段増幅器１０とは大きく異なる。次段増幅器２０で漏れるコモンモードノイズが数倍乃至数１０倍されることはなく、換言すると、従来の信号増幅回路に対して、コモンモードノイズの漏れのレベルは、相対的に数分の１乃至数１０分の１に低減されることになる。このように、図２に示す本発明の実施の形態の信号増幅器によると、コモンモードノイズを効率的に低減することが可能である。

本発明の信号増幅器を、車載オーディオ機器に適用すると、エンジンやエンジンコントロール装置等からの大きなノイズが電源回路を介して侵入するような場合でも、ノイズを確実に除去（大幅に低減）可能であり、高音質の車載オーディオ機器が得られる。

尚、抵抗４３、４４の付加により初段増幅器１０の演算増幅器１４の電源電流が流れて電力を消費する。しかし、初段増幅器１０の消費電流は少ないので、特に問題とならない。即ち、これらの抵抗４３、４４の抵抗値を適宜選定することにより、消費電力の増加を最小限に抑えることが可能である。また、抵抗４３、４４に代えてインダクタを使用すれば、実質的な電力消費は生じない。

以上、本発明による信号増幅器を、好適な実施の形態に基づいて詳述した。しかし、斯かる実施の形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨や精神を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明による信号増幅器の基本原理を説明する回路図である。本発明による信号増幅器の好適な実施の形態の回路図である。従来の信号増幅器の回路図である。

符号の説明

１０初段増幅器
１１入力端子
１２、２１、２２入力抵抗
１４演算増幅器（第１の演算増幅器）
１５、２５帰還抵抗
２０次段増幅器（差動増幅器）
２４演算増幅器（第２の演算増幅器）
３０、３１電源
１３カップリングキャパシタ
４１、４２デカップリングキャパシタ
４３、４４インピーダンス素子（抵抗）

Claims

入力端子のコールドエンド側に抵抗を介して接地するグランド抵抗と、
前記入力端子のコールドエンド側を基準として前記入力端子のホットエンド側の信号を増幅する第１の演算増幅器と、
前記入力端子のコールドエンド側の信号及び前記第１の演算増幅器の出力を入力とする差動増幅器を構成する第２の演算増幅器とを備え、
前記第１の演算増幅器の正負電源端子が、それぞれインピーダンス素子を介して正負電源に接続されると共に、デカップリングキャパシタを介して前記入力端子のコールドエンド側に接続されることを特徴とするグランドアイソレーション型の信号増幅器。
前記正負電源から前記第１の演算増幅器の正負電源端子間に接続される前記インピーダンス素子は、抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の信号増幅器。
前記入力信号はオーディオ信号であり、車載オーディオ機器に使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号増幅器。