JP2009268014A - Audio amplification device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、オーディオ用増幅装置に係り、さらに詳しくは、オーディオ信号を増幅し、伝送ラインを介してスピーカに伝送するオーディオ用増幅装置の改良に関する。 The present invention relates to an audio amplifying apparatus, and more particularly to an improvement of an audio amplifying apparatus that amplifies an audio signal and transmits the amplified audio signal to a speaker via a transmission line.
オーディオ用増幅装置と複数のスピーカとが伝送ラインを介して接続されて構成される音声放送システムとして、拡声システムが知られている。この拡声システムが、空港、学校、ショッピングモールなどの大規模施設に適用される場合、伝送ラインの長さが数kmに達することもある。このため、この様な拡声システムでは、伝送効率の良いハイインピーダンス伝送が採用されている。 A sound expansion system is known as an audio broadcasting system configured by connecting an audio amplifying device and a plurality of speakers via a transmission line. When this loudspeaker system is applied to a large-scale facility such as an airport, a school, or a shopping mall, the length of the transmission line may reach several kilometers. For this reason, such a loudspeaker system employs high-impedance transmission with good transmission efficiency.
この様なハイインピーダンス伝送には、高効率で高い出力が得られるスイッチングアンプが用いられることも多くなってきた。スイッチングアンプは、音声変調されたパルス信号に基づいて複数のスイッチング素子を高速にスイッチング動作させることによって、オーディオ信号を電力増幅するパワーアンプであり、デジタルアンプと呼ばれることもある(例えば、特許文献1)。 For such high-impedance transmission, a switching amplifier capable of obtaining a high output with high efficiency is often used. A switching amplifier is a power amplifier that amplifies an audio signal by causing a plurality of switching elements to perform high-speed switching operation based on an audio-modulated pulse signal, and is sometimes called a digital amplifier (for example, Patent Document 1). ).
通常、スイッチングアンプの出力は、高調波成分を除去するためのローパスフィルタ及び昇圧用の出力トランスを介してスピーカに供給される。一般に、トランスは、低域の周波数成分ほどインピーダンスが小さくなり、利得が低下するという性質を有している。周波数が低くなるに従ってインピーダンスが小さくなることから、この様なインピーダンス特性におけるカットオフ周波数よりも低い周波数成分を含むオーディオ信号が出力トランスに入力された場合、飽和してスイッチングアンプに過電流が流れてしまうことになる。このため、スイッチングアンプを用いてハイインピーダンス伝送するオーディオ用増幅装置では、低域の周波数成分をオーディオ信号から除去しなければならず、音質が劣化してしまうという問題があった。 Usually, the output of the switching amplifier is supplied to a speaker via a low-pass filter for removing harmonic components and an output transformer for boosting. In general, the transformer has a property that the impedance becomes smaller and the gain is lowered as the frequency component is lower. Since the impedance decreases as the frequency decreases, when an audio signal containing a frequency component lower than the cutoff frequency in such an impedance characteristic is input to the output transformer, saturation occurs and an overcurrent flows through the switching amplifier. Will end up. For this reason, in an audio amplifying apparatus that performs high-impedance transmission using a switching amplifier, a low-frequency component must be removed from the audio signal, resulting in a problem that sound quality deteriorates.
また、スイッチングアンプを用いたオーディオ信号の増幅では、ローパスフィルタを構成するコイルからの回生電流によって、スイッチングアンプを構成するコンデンサーが過充電される現象として、電源パンピング現象が従来から知られている。一般に、低域の周波数成分ほど一方のスイッチング素子がオンしている時間が長くなることから、電源パンピングによる過充電の度合いが大きくなる。このため、上述した様な従来のオーディオ用増幅装置では、音質を良くするためにより低域の周波数成分を含むオーディオ信号を増幅させようとすると、スイッチングアンプ内のコンデンサーの容量を増やさなければならず、装置が大きくなってしまうという問題もあった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、オーディオ信号を増幅し、伝送ラインを介してスピーカに伝送する際の音質劣化を抑制することができるオーディオ用増幅装置を提供することを目的とする。特に、スピーカから出力されるオーディオ信号の音質が低域除去によって劣化するのを抑制することができるオーディオ用増幅装置を提供することを目的とする。また、音質を劣化させることなく、装置を小型化することができるオーディオ用増幅装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an audio amplifier that can amplify an audio signal and suppress deterioration in sound quality when the audio signal is transmitted to a speaker via a transmission line. Objective. In particular, it is an object of the present invention to provide an audio amplifying apparatus that can suppress deterioration of the sound quality of an audio signal output from a speaker due to low-frequency removal. It is another object of the present invention to provide an audio amplifying device that can reduce the size of the device without deteriorating sound quality.
第1の本発明によるオーディオ用増幅装置は、オーディオ信号を増幅し、伝送ラインを介してスピーカに伝送するオーディオ用増幅装置であって、上記伝送ライン上のトランスのカットオフ周波数よりも低い周波数成分を上記オーディオ信号から除去する低域除去手段と、上記低域除去手段によって除去される周波数成分を上記オーディオ信号から基音として抽出し、周波数が上記基音の2以上の整数倍からなる倍音信号を生成する倍音生成手段と、上記低域除去手段による低域除去後のオーディオ信号及び上記倍音信号を合成してオーディオ合成信号を生成する合成信号生成手段と、上記オーディオ合成信号に基づいて、パルス変調信号を生成するパルス変調手段と、上記パルス変調信号に基づいて、上記オーディオ合成信号をスイッチング増幅し、上記伝送ラインに供給するスイッチングアンプとを備えて構成される。 An audio amplifying device according to a first aspect of the present invention is an audio amplifying device that amplifies an audio signal and transmits the amplified audio signal to a speaker via a transmission line, and has a frequency component lower than the cutoff frequency of the transformer on the transmission line. From the audio signal, and a frequency component removed by the low frequency removing means is extracted as a fundamental tone from the audio signal to generate a harmonic signal whose frequency is an integer multiple of 2 or more of the fundamental tone. Overtone generating means for combining, an audio signal after low-frequency removal by the low-frequency removing means, and a synthesized signal generating means for synthesizing the harmonic signal to generate an audio synthesized signal, and a pulse modulation signal based on the audio synthesized signal And a pulse modulation means for generating the audio synthesized signal based on the pulse modulated signal. Amplified, and provided with a switching amplifier for supplying to the transmission line.
このオーディオ用増幅装置では、低域除去手段によって伝送ライン上のトランスのカットオフ周波数よりも低い周波数成分が除去されたオーディオ信号がスイッチング増幅されて伝送ラインに供給されるので、上記トランスが飽和するのを防止することができる。その際、オーディオ信号から除去される周波数成分に対応して倍音信号が生成され、この倍音信号と低域除去後のオーディオ信号とを合成したオーディオ合成信号がスイッチング増幅される。この様な構成によれば、倍音信号及び低域除去後のオーディオ信号を合成したオーディオ合成信号がスイッチング増幅されて伝送ラインに供給されるので、スイッチング増幅前にオーディオ信号から除去された低域の周波数成分に対応する倍音信号をスピーカから出力することができる。その際、スピーカから出力されるオーディオ信号に基音となる周波数成分が含まれていなくても、その倍音が含まれていれば、人が出力音を聞いた際に基音も知覚されるので、スピーカから出力されるオーディオ信号の音質が低域除去によって劣化するのを抑制することができる。 In this audio amplifying device, the audio signal from which the frequency component lower than the cutoff frequency of the transformer on the transmission line is removed by the low-frequency removing means is switched and amplified and supplied to the transmission line, so that the transformer is saturated. Can be prevented. At that time, a harmonic signal is generated corresponding to the frequency component removed from the audio signal, and an audio synthesis signal obtained by synthesizing the harmonic signal and the audio signal after the low frequency band is switched and amplified. According to such a configuration, the audio synthesis signal obtained by synthesizing the harmonic signal and the audio signal after the low frequency band is switched and amplified and supplied to the transmission line, so that the low frequency band removed from the audio signal before the switching amplification is supplied. A harmonic signal corresponding to the frequency component can be output from the speaker. At that time, even if the audio signal output from the speaker does not contain a frequency component that is a fundamental tone, if the harmonic component is contained, the fundamental tone is also perceived when a person listens to the output tone. It is possible to suppress the deterioration of the sound quality of the audio signal output from the low frequency band removal.
また、音質を劣化させることなく低域の周波数成分を除去できるので、その様な周波数成分の除去帯域を高音側に広くすることによって、音質を劣化させることなく、スイッチングアンプを小型化することができる。なお、低域除去手段が低い周波数成分をオーディオ信号から除去する際のカットオフ周波数は、トランスのカットオフ周波数よりも高い場合や低い場合が考えられるが、ここでは、そのいずれの場合も含まれるものとする。 In addition, since low frequency components can be removed without degrading sound quality, the switching amplifier can be downsized without degrading sound quality by widening the removal band of such frequency components to the high sound side. it can. Note that the cut-off frequency when the low frequency removing means removes the low frequency component from the audio signal may be higher or lower than the cut-off frequency of the transformer, but here both cases are included. Shall.
第2の本発明によるオーディオ用増幅装置は、上記構成に加えて、上記トランスとして、上記スイッチングアンプの出力側に配置される絶縁用の出力トランスと、上記伝送ラインを介して上記スイッチングアンプから伝送された信号出力を降圧して上記スピーカに入力する降圧トランスとが上記伝送ライン上に配置され、上記低域除去手段が、上記出力トランスのカットオフ周波数及び上記降圧トランスのカットオフ周波数のうち、最も高いカットオフ周波数よりも低く、最も低いカットオフ周波数よりも高い周波数成分もオーディオ信号から除去するように構成される。この様な構成によれば、カットオフ周波数が最も高いトランスに合わせて周波数成分の除去が行われるので、カットオフ周波数の高いトランスを低い方に合わせて高性能化しなくても、オーディオ信号をハイインピーダンス伝送することができる。 In addition to the above configuration, the audio amplifying device according to the second aspect of the present invention transmits, as the transformer, an insulating output transformer disposed on the output side of the switching amplifier and the switching amplifier via the transmission line. A step-down transformer for stepping down the signal output and inputting the signal output to the speaker is disposed on the transmission line, and the low-frequency removing means includes a cutoff frequency of the output transformer and a cutoff frequency of the step-down transformer. A frequency component lower than the highest cutoff frequency and higher than the lowest cutoff frequency is also configured to be removed from the audio signal. According to such a configuration, frequency components are removed according to the transformer with the highest cut-off frequency, so that the audio signal can be high without having to improve the performance of the transformer with the high cut-off frequency to the lower one. Impedance can be transmitted.
第3の本発明によるオーディオ用増幅装置は、上記構成に加えて、操作部からの入力信号に基づいて、ハイインピーダンス伝送及びローインピーダンス伝送のいずれかに動作モードを切り替える伝送モード切替手段を備え、上記パルス変調手段が、上記伝送モード切替手段によって選択された動作モードに基づいて、上記低域除去手段による低域除去前のオーディオ信号からパルス変調信号を生成し、上記スイッチングアンプが、当該パルス変調信号に基づいて、上記低域除去手段による低域除去前のオーディオ信号をスッチング増幅して上記伝送ラインに供給するように構成される。この様な構成によれば、伝送モード切替手段によって選択された動作モードに応じてパルス変調及びスイッチング増幅が行われるので、オペレータ操作によって動作モードがローインピーダンス伝送からハイインピーダンス伝送に切り替えられた際に、自動的に低域除去させてパルス変調及びスイッチング増幅を行わせることができる。 In addition to the above configuration, the audio amplifying device according to the third aspect of the present invention includes transmission mode switching means for switching the operation mode to either high impedance transmission or low impedance transmission based on an input signal from the operation unit, The pulse modulation means generates a pulse modulation signal from the audio signal before the low-frequency removal by the low-frequency removal means based on the operation mode selected by the transmission mode switching means, and the switching amplifier Based on the signal, the audio signal before the low-frequency removal by the low-frequency removing means is switched and amplified and supplied to the transmission line. According to such a configuration, since pulse modulation and switching amplification are performed according to the operation mode selected by the transmission mode switching means, when the operation mode is switched from low impedance transmission to high impedance transmission by an operator operation. The low frequency band can be automatically removed to perform pulse modulation and switching amplification.
本発明によるオーディオ用増幅装置によれば、オーディオ合成信号がスイッチング増幅されて伝送ラインに供給されるので、スイッチング増幅前にオーディオ信号から除去された低域の周波数成分に対応する倍音信号をスピーカから出力することができる。その際、スピーカから出力されるオーディオ信号に基音となる周波数成分が含まれていなくても、その倍音信号が含まれていれば、人が出力音を聞いた際に基音も知覚されるので、スピーカから出力されるオーディオ信号の音質が低域除去によって劣化するのを抑制することができる。従って、伝送ラインを介してスピーカに伝送する際の音質劣化を抑制することができる。また、音質を劣化させることなく低域の周波数成分を除去できるので、その様な周波数成分の除去帯域を高音側に広くすることによって、音質を劣化させることなく、スイッチングアンプを小型化することができ、装置の小型化を実現することができる。 According to the audio amplifying device of the present invention, since the audio composite signal is switched and amplified and supplied to the transmission line, the harmonic signal corresponding to the low frequency component removed from the audio signal before the switching amplification is output from the speaker. Can be output. At that time, even if the audio signal output from the speaker does not contain the fundamental frequency component, if the harmonic signal is included, the fundamental tone is also perceived when a person hears the output sound. It is possible to suppress deterioration of the sound quality of the audio signal output from the speaker due to the low frequency band removal. Therefore, it is possible to suppress deterioration in sound quality when transmitting to the speaker via the transmission line. In addition, since low frequency components can be removed without degrading sound quality, the switching amplifier can be downsized without degrading sound quality by widening the removal band of such frequency components to the high sound side. And downsizing of the apparatus can be realized.
実施の形態1.
<拡声システム>
図1は、本発明の実施の形態1によるオーディオ用増幅装置2を含む拡声システム100の概略構成の一例を示したシステム図である。この拡声システム100は、音源装置1、オーディオ用増幅装置2、出力トランス3、伝送ライン4及び音声出力ユニット5によって構成される。
Embodiment 1 FIG.
<Sound system>
FIG. 1 is a system diagram showing an example of a schematic configuration of a
音源装置1は、可聴周波数からなるオーディオ信号を生成する装置、例えば、20Hz〜20kHzの周波数成分を含むアナログオーディオ信号を生成するマイクロホンや録音再生装置である。この音源装置1で生成されたオーディオ信号は、オーディオ用増幅装置2において増幅された後、出力トランス3において昇圧され、伝送ライン4を介して音声出力ユニット5に供給される。 The sound source device 1 is a device that generates an audio signal having an audible frequency, for example, a microphone or a recording / reproducing device that generates an analog audio signal including a frequency component of 20 Hz to 20 kHz. The audio signal generated by the sound source device 1 is amplified by the audio amplifying device 2, boosted by the output transformer 3, and supplied to the audio output unit 5 through the transmission line 4.
伝送ライン4は、2本の配線ケーブルからなる伝送線路であり、複数の音声出力ユニット5が接続されている。 The transmission line 4 is a transmission line composed of two wiring cables, and a plurality of audio output units 5 are connected thereto.
出力トランス3は、1次側にオーディオ用増幅装置2が接続され、2次側に伝送ライン4を介して音声出力ユニット5が接続された絶縁トランスである。この場合、オーディオ用増幅装置2において増幅されたオーディオ増幅信号は、出力トランス3において、例えば、昇圧され、高電圧のオーディオ伝送信号として伝送ライン4へ送出される。オーディオ伝送信号としては、実効電圧100Vの信号を用いることができる。 The output transformer 3 is an insulating transformer in which the audio amplifying device 2 is connected to the primary side and the audio output unit 5 is connected to the secondary side via the transmission line 4. In this case, the audio amplified signal amplified in the audio amplifying device 2 is boosted, for example, in the output transformer 3 and sent to the transmission line 4 as a high-voltage audio transmission signal. As the audio transmission signal, a signal having an effective voltage of 100 V can be used.
音声出力ユニット5は、マッチングトランス6及びスピーカ7からなるハイインピーダンス用の拡声装置である。マッチングトランス6は、伝送ライン4を介してオーディオ用増幅装置2からハイインピーダンス伝送された信号出力を降圧してスピーカ7に入力する降圧トランスである。スピーカ7は、伝送ライン4に並列に接続されている。つまり、オーディオ用増幅装置2とスピーカ7との間の伝送ライン4上には、絶縁用の出力トランス3と、降圧用のマッチングトランス6とが配置されている。 The audio output unit 5 is a high impedance loudspeaker device including a matching transformer 6 and a speaker 7. The matching transformer 6 is a step-down transformer that steps down the signal output transmitted from the audio amplifying apparatus 2 through the transmission line 4 and inputs the signal output to the speaker 7. The speaker 7 is connected to the transmission line 4 in parallel. That is, on the transmission line 4 between the audio amplifying device 2 and the speaker 7, the insulating output transformer 3 and the step-down matching transformer 6 are arranged.
伝送ライン4に送出されたオーディオ信号は、伝送ライン4上のスピーカ7に供給され、各スピーカ7から同一音声が出力される。 The audio signal sent to the transmission line 4 is supplied to the speaker 7 on the transmission line 4, and the same sound is output from each speaker 7.
スピーカ7は、入力インピーダンスが4〜8Ω程度であるのに対し、音声出力ユニット5は、マッチングトランス6の介在によって入力インピーダンスが高くなっており、例えば、1kΩ以上の入力インピーダンスを有する場合もある。 The speaker 7 has an input impedance of about 4 to 8Ω, whereas the audio output unit 5 has a high input impedance due to the interposition of the matching transformer 6, and may have an input impedance of 1 kΩ or more, for example.
この拡声システム100では、オーディオ用増幅装置2から出力されるオーディオ増幅信号をより高電圧の信号に変換して伝送している。このような伝送方式は、ハイインピーダンス伝送と呼ばれている。ハイインピーダンス伝送では、オーディオ信号をそのまま伝送する場合に比べて、伝送損失を小さくすることができる。例えば、空港、学校、ショッピングモールなどの大規模施設の構内放送システムの場合、伝送ライン4の長さが数kmにも達し、その伝送損失を無視することができない。ハイインピーダンス伝送は、このような大規模施設の拡声システムの伝送方式として好適である。
In this
また、ハイインピーダンス伝送で用いられる音声出力ユニット5は、その入力インピーダンスが高いため、同一の伝送ライン4に多くの音声出力ユニット5を並列接続することができる。 Moreover, since the audio output unit 5 used for high impedance transmission has a high input impedance, many audio output units 5 can be connected in parallel to the same transmission line 4.
さらに、出力トランス3として絶縁トランスを用いれば、オーディオ用増幅装置2及び音声出力ユニット5を電気的に絶縁することができる。このため、出力トランス3及び音声出力ユニット5間で伝送ライン4の地絡や、伝送ライン4への落雷などが発生しても、オーディオ用増幅装置2はその影響を受けにくく、伝送ライン4が屋外に敷設される拡声システムに好適である。 Furthermore, if an insulating transformer is used as the output transformer 3, the audio amplifying device 2 and the audio output unit 5 can be electrically insulated. For this reason, even if a ground fault of the transmission line 4 or a lightning strike to the transmission line 4 occurs between the output transformer 3 and the audio output unit 5, the audio amplifying device 2 is not easily affected by the transmission line 4. It is suitable for a loudspeaker system laid outdoors.
<オーディオ用増幅装置>
図2は、図1の拡声システム100におけるオーディオ用増幅装置2の一構成例を示したブロック図である。このオーディオ用増幅装置2は、入力端子10、ローカットフィルタ11、倍音生成部12、合成信号生成部13、パルス変調部14、スイッチングアンプ15a、ローパスフィルタ16及び出力端子17により構成される。
<Amplifier for audio>
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the audio amplifying apparatus 2 in the
音源装置1で生成されたオーディオ信号は、入力端子10を介して入力され、スイッチングアンプ15aによって増幅された後、出力端子17から出力トランス3へ出力される。
The audio signal generated by the sound source device 1 is input via the
ローカットフィルタ11は、伝送ライン4上のトランスが飽和するのを防止するための帯域制限手段であり、入力端子10に入力されたオーディオ信号について、所定の周波数よりも低い周波数成分を除去し、高い周波数成分をそのまま通過させるハイパスフィルタとなっている。このローカットフィルタ11のカットオフ周波数は、伝送ライン4上のトランスのカットオフ周波数よりも高い場合と、低い場合とが考えられるが、ここでは、両カットオフ周波数が概ね一致しているものとする。すなわち、このローカットフィルタ11では、伝送ライン4上のトランスのカットオフ周波数よりも低い周波数成分をオーディオ信号から全て除去するとともに、高い周波数成分をそのまま通過させる動作が行われる。
The
また、このローカットフィルタ11のカットオフ周波数は、出力トランス3のカットオフ周波数及びマッチングトランス6のカットオフ周波数のうち、最も高いカットオフ周波数に応じて、定められる。すなわち、このローカットフィルタ11では、出力トランス3のカットオフ周波数及びマッチングトランス6のカットオフ周波数のうち、最も高いカットオフ周波数よりも低く、最も低いカットオフ周波数よりも高い周波数成分もオーディオ信号から除去される。
The cut-off frequency of the
ローカットフィルタ11によって通過帯域が制限されたオーディオ信号は、合成信号生成部13へ出力される。
The audio signal whose pass band is limited by the
倍音生成部12は、聴覚におけるミッシングファンダメンタル現象を利用するために、入力端子10に入力されたオーディオ信号に基づいて倍音信号を生成し、合成信号生成部13へ出力する動作を行っている。ミッシングファンダメンタル現象とは、スピーカ7から出力されるオーディオ信号に基音となる周波数成分が含まれていなくても、その倍音が含まれていれば、人が出力音を聞いた際に基音も知覚されるという知覚現象のことである。
The
具体的には、ローカットフィルタ11によって除去される周波数成分をオーディオ信号から基音として抽出し、周波数が基音の2以上の整数倍からなる音声信号として倍音信号を生成する動作が行われる。
Specifically, the frequency component removed by the
倍音生成部12によって生成される倍音信号には、ローカットフィルタ11が低域除去する際のカットオフ周波数よりも低い周波数成分を含む場合が考えられるが、ここでは、その様な周波数成分は、ハイパスフィルタによって除去してから出力されるものとする。
The harmonic signal generated by the
合成信号生成部13は、ローカットフィルタ11による低域除去後のオーディオ信号と、倍音生成部12によって生成された倍音信号とを合成してオーディオ合成信号を生成し、パルス変調部14へ出力する動作を行っている。
The synthesized
パルス変調部14は、合成信号生成部13からのオーディオ合成信号に基づいて、パルス変調信号を生成し、スイッチングアンプ15aへ出力する動作を行っている。例えば、入力されたオーディオ信号をPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)信号に変換して出力される。
The
スイッチングアンプ15aは、パルス変調部14から供給されるパルス変調信号に基づいて、オーディオ合成信号をスイッチング増幅し、オーディオ増幅信号として伝送ライン4に供給するD級増幅器である。オーディオ増幅信号は、ローパスフィルタ16を介して出力端子17に供給され、出力トランス3へ出力される。
The switching
D級増幅では、オーディオ合成信号によって音声変調されたパルス信号に基づいて、MOS−FETなどの半導体スイッチング素子を高速にスイッチング動作させることにより、オーディオ合成信号が電力増幅される。 In the class D amplification, the audio composite signal is power-amplified by switching a semiconductor switching element such as a MOS-FET at high speed based on the pulse signal that is voice-modulated by the audio composite signal.
ローパスフィルタ16は、コイル及びコンデンサーからなる高調波除去用の帯域制限手段であり、スイッチングアンプ15aの出力について、所定の周波数よりも高い周波数成分を除去して出力している。
The low-
<出力トランスの周波数特性>
図3は、図1の拡声システム100における出力トランス3の周波数特性A1の一例を示した図である。出力トランス3としては、可聴帯域内における特定の周波数fa、例えば、fa=1kHz付近の周波数成分に対して、一定のインピーダンス(入力インピーダンス)z1を有するトランスが用いられる。
<Frequency characteristics of output transformer>
FIG. 3 is a diagram showing an example of the frequency characteristic A1 of the output transformer 3 in the
一般に、トランスは、周波数faよりも周波数が高くなるほど、インピーダンスも大きくなる。一方、周波数faよりも周波数が低くなるほど、インピーダンスも小さくなり、ゲインが下がる性質を有している。周波数ゼロでは、インピーダンスもゼロに限りなく近づく。 Generally, the transformer has a higher impedance as the frequency becomes higher than the frequency fa. On the other hand, as the frequency becomes lower than the frequency fa, the impedance becomes smaller and the gain decreases. At zero frequency, the impedance approaches zero as much as possible.
出力トランス3のカットオフ周波数fcは、この様なトランスの性質に基づいて、周波数faよりも低い周波数域内に定められる。例えば、カットオフ周波数fcは、ゲインが周波数faに比べて3dB程度低下する周波数として、50〜100Hz程度に定められる。 The cut-off frequency fc of the output transformer 3 is determined within a frequency range lower than the frequency fa based on such a property of the transformer. For example, the cut-off frequency fc is set to about 50 to 100 Hz as a frequency at which the gain is reduced by about 3 dB compared to the frequency fa.
一般に、出力トランス3は、カットオフ周波数fcよりも低い周波数成分を含むオーディオ信号が入力されると、飽和し、スイッチングアンプ15aに過電流が流れることとなる。このため、拡声システム100には、低域除去用のローカットフィルタ11が設けられているが、オーディオ信号からカットオフ周波数fcよりも低い周波数成分が除去されることから、ローカットフィルタ11を設けない場合に比べて音質が劣化することとなる。そこで、より低域の周波数成分も減衰させずに2次側へ伝送するために、トランスのコアを大きくしてカットオフ周波数を低くすることが考えられる。しかしながら、この方法では、トランスが巨大化し、製造コストが増大してしまう。
In general, when an audio signal including a frequency component lower than the cutoff frequency fc is input to the output transformer 3, the output transformer 3 is saturated and an overcurrent flows through the switching
これに対し、本実施の形態では、オーディオ信号から除去される周波数成分に対応して倍音信号を生成し、この倍音信号と低域除去後のオーディオ信号とを合成したオーディオ合成信号をスイッチング増幅させることによって、トランスが飽和するのを防止しつつ、音質劣化の抑制を図っている。 On the other hand, in the present embodiment, a harmonic signal is generated corresponding to the frequency component removed from the audio signal, and an audio synthesized signal obtained by synthesizing the harmonic signal and the audio signal after the low frequency band is switched and amplified. This prevents the transformer from being saturated and suppresses the deterioration of sound quality.
<ミッシングファンダメンタル現象>
図4(a)及び(b)は、図1の拡声システム100における動作の一例を示した図であり、オーディオ信号の周波数特性が示されている。図4(a)には、横軸を周波数f(Hz)、縦軸を信号強度として、マイクロホンで集音されたオーディオ信号の強度が周波数成分f1〜f4についてそれぞれ示されている。図4(b)には、カットオフ周波数fcよりも低い周波数成分f1を除去するとともに、除去帯域内の周波数成分f1を基音とする倍音成分f2〜f4が付加されたオーディオ信号が示されている。
<Missing fundamental phenomenon>
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing an example of the operation in the
一般に、自然界で発生する音には、その倍音成分が含まれている。例えば、周波数成分f1=50Hzを基音とすれば、周波数が基音の2倍(100Hz)からなる2倍音成分f2、3倍(150Hz)からなる3倍音声分f3、4倍(200Hz)からなる4倍音成分f4などが含まれている。 In general, a sound generated in nature includes its overtone component. For example, assuming that the frequency component f 1 = 50 Hz is a fundamental tone, the frequency is a second harmonic component f 2 consisting of twice the fundamental tone (100 Hz), a triple voice component f 3 consisting of 3 times (150 Hz), f 3 , and 4 times (200 Hz). such as 4 harmonics f 4 consisting contains.
このため、人は、仮に、基音成分f1がオーディオ信号に含まれていなかったり、成分を減らしたとしても、複数の倍音成分f2〜f4が含まれていれば、この様な音を聞いた際に、基音も知覚するというのがミッシングファンダメンタル現象である。 For this reason, even if the fundamental component f 1 is not included in the audio signal, or if the component is reduced, a person can generate such a sound if a plurality of overtone components f 2 to f 4 are included. It is the missing fundamental phenomenon that the fundamental tone is also perceived when listening.
本実施の形態では、ローカットフィルタ11によってオーディオ信号から除去される周波数成分に対応して倍音信号を生成し、この倍音信号を低域除去後のオーディオ信号に付加することによって、スピーカ7から出力されるオーディオ信号の音質が低域除去によって劣化するのを防止している。
In the present embodiment, a harmonic overtone signal is generated corresponding to the frequency component removed from the audio signal by the
<スイッチングアンプの回路構成>
図5は、図2のオーディオ用増幅装置2の構成例を示した回路図であり、ハーフブリッジ型のスイッチングアンプ15aが示されている。このスイッチングアンプ15aは、直流電源+Vccから電圧が印加されるコンデンサーC1及びトランジスタT1と、+Vccとは逆極性の直流電源−Vccから電圧が印加されるコンデンサーC2及びトランジスタT2と、トランジスタT1及びT2を駆動するゲート駆動回路22とによって構成される。
<Circuit configuration of switching amplifier>
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of the audio amplifying device 2 of FIG. 2, and shows a half-bridge
パルス変調部14から入力端子21に入力されたパルス変調信号は、ゲート駆動回路22に供給される。ゲート駆動回路22は、このパルス変調信号に基づいてトランジスタT1及びT2を制御し、各トランジスタT1,T2のゲートを交互にオンすることによって、出力端子23から電力増幅後のオーディオ増幅信号が出力される。
The pulse modulation signal input from the
トランジスタT1及びT2は、いずれもMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化物による電界効果トランジスタ)であり、ここでは、nチャネルMOSFETが用いられている。 The transistors T1 and T2 are both MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), and here, n-channel MOSFETs are used.
トランジスタT1は、ソース電極が直流電源+Vccに接続され、ドレイン電極が出力端子23に接続されている。トランジスタT2は、ソース電極が出力端子23に接続され、ドレイン電極が直流電源−Vccに接続されている。
The transistor T1 has a source electrode connected to the DC power source + Vcc and a drain electrode connected to the
図6は、図2のオーディオ用増幅装置2の他の構成例を示した回路図であり、フルブリッジ型のスイッチングアンプ15bが示されている。このスイッチングアンプ15bは、直流電源Vccから電圧が印加されるコンデンサーC及びブリッジ回路と、ブリッジ回路内のトランジスタT11及びT22を駆動するゲート駆動回路22aと、ブリッジ回路内のトランジスタT12及びT21を駆動するゲート駆動回路22bとによって構成される。
FIG. 6 is a circuit diagram showing another configuration example of the audio amplifying device 2 of FIG. 2, in which a full-bridge
パルス変調部14から入力端子21に入力されたパルス変調信号は、ゲート駆動回路22a及び22bに供給される。ゲート駆動回路22aは、このパルス変調信号に基づいてトランジスタT11及びT22を制御し、各トランジスタT11,T22のゲートを交互にオンする。また、ゲート駆動回路22bは、パルス変調信号に基づいてトランジスタT12及びT21を制御し、各トランジスタT12,T21のゲートを交互にオンする。
The pulse modulation signal input from the
ゲート駆動回路22a,22bが互いに同期してトランジスタT11〜T22をオンすることによって、出力端子23から電力増幅後のオーディオ増幅信号が出力される。例えば、トランジスタT11及びT12と、トランジスタT21及びT22とが交互にオンされる。
The
一般に、スイッチングアンプ15a,15bを用いたオーディオ信号の増幅では、ローパスフィルタ16内のコイル、出力トランス3、音声出力ユニット5内のマッチングトランス6及びスピーカ7などからの回生電流によって、コンデンサーC1,C2,Cが過充電されるいわゆる電源パンピング現象が発生する。コンデンサーの過充電は、低域の周波数成分ほど一方のスイッチング素子がオンしている時間が長くなることから、その度合いも大きくなる。このため、音質を良くするためにより低域の周波数成分を含むオーディオ信号を増幅させようとすると、ローカットフィルタ11における周波数成分の通過帯域を低音側に広くしてスイッチングアンプ内のコンデンサーの容量を増やさなければならなかった。
In general, in audio signal amplification using the
これに対して、本実施の形態では、音質を劣化させることなく低域の周波数成分を除去できるので、スイッチングアンプ内のコンデンサーの容量を増大させることなく、音質を向上させることができる。従って、従来よりもスイッチングアンプを小型化することができる。 On the other hand, in this embodiment, since the low frequency component can be removed without deteriorating the sound quality, the sound quality can be improved without increasing the capacity of the capacitor in the switching amplifier. Therefore, the switching amplifier can be made smaller than before.
ハーフブリッジ型のスイッチングアンプ15aは、フルブリッジ型のスイッチングアンプ15bに比べて、過充電防止のためにコンデンサーの容量を大きくする必要があるが、トランジスタの数を少なくすることができる。従って、同じ周波数特性であれば、ハーフブリッジ型のスイッチングアンプ15aの方が、フルブリッジ型よりも小型化及び低コスト化することができる。なお、フルブリッジ型のスイッチングアンプ15bでは、単一電源なので、回生電流はすぐに消費され、ハーフブリッジ型のような片側過充電は起こりにくい。
The half-bridge
本実施の形態によれば、伝送ライン4上の出力トランス3のカットオフ周波数fcよりも低い周波数成分を除去したオーディオ信号がスイッチング増幅されて伝送ライン4に供給されるので、出力トランス3が飽和するのを防止することができる。その際、オーディオ信号から除去される周波数成分に対応して倍音信号が生成され、この倍音信号と低域除去後のオーディオ信号とを合成したオーディオ合成信号がスイッチング増幅される。 According to the present embodiment, since the audio signal from which the frequency component lower than the cutoff frequency fc of the output transformer 3 on the transmission line 4 is removed is amplified by switching and supplied to the transmission line 4, the output transformer 3 is saturated. Can be prevented. At that time, a harmonic signal is generated corresponding to the frequency component removed from the audio signal, and an audio synthesis signal obtained by synthesizing the harmonic signal and the audio signal after the low frequency band is switched and amplified.
この様に構成することにより、倍音信号及び低域除去後のオーディオ信号を合成したオーディオ合成信号がスイッチング増幅されて伝送ライン4に供給されるので、スイッチング増幅前にオーディオ信号から除去された低域の周波数成分に対応する倍音信号をスピーカ7から出力することができる。その際、スピーカ7から出力されるオーディオ信号に基音となる周波数成分が含まれていなくても、その倍音が含まれていれば、人が出力音を聞いた際に基音も知覚されるので、スピーカ7から出力されるオーディオ信号の音質が低域除去によって劣化するのを抑制することができる。 With this configuration, an audio synthesis signal obtained by synthesizing the overtone signal and the audio signal after low-frequency band removal is switching-amplified and supplied to the transmission line 4, so that the low-frequency band removed from the audio signal before switching amplification. Overtone signals corresponding to the frequency components of can be output from the speaker 7. At that time, even if the audio signal output from the speaker 7 does not include a frequency component serving as a fundamental tone, if the harmonic component is included, the fundamental tone is also perceived when a person listens to the output sound. It is possible to suppress deterioration of the sound quality of the audio signal output from the speaker 7 due to the low-frequency removal.
また、音質を劣化させることなく低域の周波数成分を除去できるので、その様な周波数成分の除去帯域を高音側に広くすることによって、音質を劣化させることなく、スイッチングアンプ15a,15bを小型化することができる。
Further, since low frequency components can be removed without deteriorating sound quality, the switching
実施の形態2.
実施の形態1では、オーディオ信号を増幅して複数のスピーカ7にハイインピーダンス伝送する際の音質劣化を抑制する場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、ハイインピーダンス伝送とローインピーダンス伝送とが切替可能なオーディオ用増幅装置について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the example in which the audio quality is amplified and transmitted to the plurality of speakers 7 at high impedance and the deterioration of sound quality is suppressed has been described. On the other hand, in the present embodiment, an audio amplifying apparatus capable of switching between high impedance transmission and low impedance transmission will be described.
図7は、本発明の実施の形態2によるオーディオ用増幅装置30の一構成例を示したブロック図である。このオーディオ用増幅装置30は、図2のオーディオ用増幅装置2と比較すれば、操作部31、伝送モード切替部32及びリレースイッチ33を備えている点で異なる。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of the
伝送モード切替部32は、操作部31からの入力信号に基づいて、リレースイッチ33、パルス変調部14及びスイッチングアンプ34を制御し、ハイインピーダンス伝送と、ローインピーダンス伝送とのいずれかに動作モードを切り替える動作を行っている。
The transmission
リレースイッチ33は、入力端子10に入力されたオーディオ信号をそのままパルス変調部14に伝送するためのスイッチである。
The
パルス変調部14では、伝送モード切替部32によって選択された動作モードに基づいて、ローカットフィルタ11による低域除去前のオーディオ信号からパルス変調信号を生成する動作が行われる。すなわち、ローインピーダンス伝送時には、合成信号生成部13からのオーディオ合成信号に代えて、リレースイッチ33を介して入力端子10から伝送されたオーディオ信号に基づいて、パルス変調信号が生成される。
In the
スイッチングアンプ34では、当該パルス変調信号に基づいて、ローカットフィルタ11による低域除去前のオーディオ信号をスッチング増幅して伝送ライン4に供給する動作が行われる。
The switching
本実施の形態によれば、伝送モード切替部32によって選択された動作モードに応じてパルス変調及びスイッチング増幅が行われるので、オペレータによる操作部31の操作によって動作モードがローインピーダンス伝送からハイインピーダンス伝送に切り替えられた際に、自動的に低域除去させてパルス変調及びスイッチング増幅を行わせることができる。
According to the present embodiment, since pulse modulation and switching amplification are performed according to the operation mode selected by the transmission
1 音源装置
2 オーディオ用増幅装置
3 出力トランス
4 伝送ライン
5 音声出力ユニット
6 マッチングトランス
7 スピーカ
10 入力端子
11 ローカットフィルタ
12 倍音生成部
13 合成信号生成部
14 パルス変調部
15a スイッチングアンプ
16 ローパスフィルタ
17 出力端子
21 入力端子
22 ゲート駆動回路
23 出力端子
30 オーディオ用増幅装置
31 操作部
32 伝送モード切替部
33 リレースイッチ
C,C1,C2 コンデンサー
T1,T2,T11〜T22 トランジスタ
100 拡声システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sound source device 2 Audio amplifier 3 Output transformer 4 Transmission line 5 Audio output unit 6 Matching transformer 7
Claims (3)
上記伝送ライン上のトランスのカットオフ周波数よりも低い周波数成分を上記オーディオ信号から除去する低域除去手段と、
上記低域除去手段によって除去される周波数成分を上記オーディオ信号から基音として抽出し、周波数が上記基音の2以上の整数倍からなる倍音信号を生成する倍音生成手段と、
上記低域除去手段による低域除去後のオーディオ信号及び上記倍音信号を合成してオーディオ合成信号を生成する合成信号生成手段と、
上記オーディオ合成信号に基づいて、パルス変調信号を生成するパルス変調手段と、
上記パルス変調信号に基づいて、上記オーディオ合成信号をスイッチング増幅し、上記伝送ラインに供給するスイッチングアンプとを備えたことを特徴とするオーディオ用増幅装置。 In an audio amplifying apparatus that amplifies an audio signal and transmits it to a speaker via a transmission line,
Low frequency removing means for removing a frequency component lower than the cutoff frequency of the transformer on the transmission line from the audio signal;
Overtone generating means for extracting a frequency component removed by the low frequency removing means as a fundamental sound from the audio signal, and generating a harmonic signal whose frequency is an integer multiple of 2 or more of the fundamental sound;
A synthesized signal generating means for generating an audio synthesized signal by synthesizing the audio signal after the low frequency removal by the low frequency removing means and the harmonic signal;
Pulse modulation means for generating a pulse modulation signal based on the audio synthesis signal;
An audio amplifying apparatus comprising: a switching amplifier that switches and amplifies the audio composite signal based on the pulse modulation signal and supplies the signal to the transmission line.
上記低域除去手段が、上記出力トランスのカットオフ周波数及び上記降圧トランスのカットオフ周波数のうち、最も高いカットオフ周波数よりも低く、最も低いカットオフ周波数よりも高い周波数成分もオーディオ信号から除去することを特徴とする請求項1に記載のオーディオ用増幅装置。 The transformer includes an output transformer for insulation disposed on the output side of the switching amplifier, and a step-down transformer that steps down a signal output transmitted from the switching amplifier via the transmission line and inputs the signal output to the speaker. Placed on the transmission line,
The low-frequency removing means removes a frequency component lower than the highest cutoff frequency and higher than the lowest cutoff frequency from the audio signal among the cutoff frequency of the output transformer and the cutoff frequency of the step-down transformer. The audio amplifying device according to claim 1, wherein:
上記パルス変調手段が、上記伝送モード切替手段によって選択された動作モードに基づいて、上記低域除去手段による低域除去前のオーディオ信号からパルス変調信号を生成し、
上記スイッチングアンプが、当該パルス変調信号に基づいて、上記低域除去手段による低域除去前のオーディオ信号をスッチング増幅して上記伝送ラインに供給することを特徴とする請求項1に記載のオーディオ用増幅装置。 Based on the input signal from the operation unit, equipped with transmission mode switching means for switching the operation mode to either high impedance transmission or low impedance transmission,
Based on the operation mode selected by the transmission mode switching means, the pulse modulation means generates a pulse modulation signal from the audio signal before the low-frequency removal by the low-frequency removal means,
2. The audio amplifier according to claim 1, wherein the switching amplifier switches and amplifies the audio signal before the low-frequency removal by the low-frequency removal means based on the pulse modulation signal and supplies the signal to the transmission line. Amplification equipment.
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