JP2010130278A - 信号処理装置、スイッチング回路、及び半導体素子の特性の補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便なエキスパンダ回路を提供する。
【解決手段】ゲインを決定する抵抗を含む増幅回路１と、増幅回路の入力又は出力信号のレベルを検出するレベル検出回路２と、レベル検出回路により検出される信号レベルに基づいて前記抵抗の抵抗値を切り替える切替え回路３とを備えた信号処理装置において、切替え回路を、前記抵抗を形成する一部の抵抗と直列又は並列に接続され、前記信号レベルに応じたスイッチング動作により該一部の抵抗を有効又は無効とすることによって前記抵抗値の切替えを行う第１の半導体素子Ｔｒ１と、第１半導体素子に対して並列かつ逆極性で接続され、第１半導体素子と同じ動作特性を有し、前記信号レベルに応じてスイッチング動作する第２の半導体素子Ｔｒ２とを用いて構成するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅回路を備え、増幅信号のレベルに応じて該増幅回路のゲインを切り替える信号処理装置、該信号処理装置に用いることができるスイッチング回路、及び該回路において用いることができる半導体素子の特性の補正方法に関する。

従来、入力信号のレベルが所定の閾値を超えたかどうかに応じ、入力信号のレベル変化に対し、出力信号のレベル変化を伸張させたり、圧縮させたりすることによって音量感を変化させるようにしたオーディオ回路が知られている。この音量感を変化させる機能は、エキスパンダ回路により実現される。エキスパンダ回路は一般的に、ＩＣ回路として実現される。

エキスパンダ回路に関する技術は、たとえば、特許文献１において開示されている。この技術においては、増幅回路に入力される音声信号のレベルを検出し、検出結果に応じて増幅回路のゲインを変更するようにしている。
特開２００３−１５２４８４号公報

しかしながら、従来のエキスパンダ回路はＩＣ回路によって実現されており、複雑かつ高価である。

本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、簡便なエキスパンダ回路を提供することにある。

この目的を達成するための第１の発明に係る信号処理装置は、ゲインを決定する抵抗を含む増幅回路と、前記増幅回路の入力又は出力信号のレベルを検出するレベル検出回路と、前記レベル検出回路により検出される信号レベルに基づいて前記抵抗の抵抗値を切り替える切替え回路とを備え、前記切替え回路は、前記抵抗を形成する一部の抵抗と直列又は並列に接続され、前記信号レベルに応じたスイッチング動作により該一部の抵抗を有効又は無効とすることによって前記抵抗値の切替えを行う第１の半導体素子と、前記第１半導体素子に対して並列かつ逆極性で接続され、前記第１半導体素子と同じ動作特性を有し、前記信号レベルに応じてスイッチング動作する第２の半導体素子とを具備することを特徴とする。

第２の発明に係る信号処理装置は、第１発明において、前記第２半導体素子は、該第２半導体素子が存在しないとすれば前記出力信号において発生する歪成分を除去するものであることを特徴とする。

第３の発明に係る信号処理装置は、第１又は第２発明において、前記増幅回路は非反転増幅回路であり、前記抵抗は前記非反転増幅回路の反転入力端子及びグラウンド間に接続されるものであることを特徴とする。

第４の発明に係る信号処理装置は、第１〜第３のいずれかの発明において、前記第１半導体素子及び第２半導体素子はＮＰＮトランジスタであることを特徴とする。

第５の発明に係る信号処理装置は、第１〜第４のいずれかの発明において、前記レベル検出回路は、前記増幅回路の出力信号を直流に変換する回路を有することを特徴とする。

第６の発明に係る信号処理装置は、第１〜第５のいずれかの発明において、前記切替え回路による抵抗値の切替え機能を有効とするか又は無効とするかを設定するためのスイッチを有することを特徴とする。

第７の発明に係るスイッチング回路は、印加される電圧に応じて回路の接続及び切断を行う第１の半導体素子と、前記第１半導体素子に対して並列かつ逆極性で接続され、前記第１半導体素子と同じ動作特性を有し、前記電圧に応じて動作する第２の半導体素子とを具備することを特徴とする。

第８の発明に係る半導体素子の特性の補正方法は、印加される電圧に応じて回路の接続及び切断を行う第１の半導体素子の特性を補正する方法であって、前記第１半導体素子と同じ動作特性を有する第２の半導体素子を、前記第１半導体素子に対して並列かつ逆極性で接続し、前記電圧により動作させることを特徴とする。

本発明によれば、簡便で安価な信号処理装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るエキスパンダ回路の構成を示す回路図である。同図に示すように、このエキスパンダ回路は、エキスパンダ回路の入力端子及び出力端子間に接続された増幅回路１、増幅回路１が出力する出力信号Ｖｏのレベルを検出するレベル検出回路２、及び、レベル検出回路２による検出結果に基づいて増幅回路１のゲインを切り替えることにより増幅回路１の増幅度を伸張させるエキスパンダ機能を果たすゲイン切替え回路３を備える。

増幅回路１は、エキスパンダ回路の入力側に接続されたカップリングコンデンサＣ１、カップリングコンデンサＣ１の出力側に非反転入力端子が接続され、出力側がエキスパンダ回路の出力端子に接続されたオペアンプ１１、オペアンプ１１の出力端子及び反転入力端子間に接続された帰還抵抗Ｒ１、オペアンプ１１の反転入力端子及びグラウンド間に接続された接地抵抗Ｒ２、及びオペアンプ１１の非反転入力端子及びグラウンド間に接続された抵抗Ｒ５を備える。オペアンプ１１、帰還抵抗Ｒ１、及び接地抵抗Ｒ２は非反転増幅器を形成する。

レベル検出回路２は、オペアンプ１１の出力端子に一端が接続された抵抗Ｒ６、抵抗Ｒ６の他端にアノード側が接続されたダイオードＤ１、ダイオードＤ１のカソード側及びグラウンド間に接続された電解コンデンサＣ２、並びに、ダイオードＤ１のカソード側に一端が接続され、他端がゲイン切替え回路３に接続された抵抗Ｒ３を備える。レベル検出回路２は、出力信号ＶｏをダイオードＤ１で整流化し、抵抗Ｒ６及びコンデンサＣ２により平滑化して、直流電圧の信号Ｖｓに変換する機能を有する。信号Ｖｓは、出力信号Ｖｏのレベルを表すレベル検出信号として、抵抗Ｒ３を介して、ゲイン切替え回路３に供給される。

ゲイン切替え回路３は、ゲイン切替え回路３によるゲイン切替え機能（エキスパンダ機能）を有効又は無効にするためのスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ１のオン側端子及びオペアンプ１１の反転入力端子間に接続された抵抗Ｒ４、スイッチＳＷ１の共通端子にコレクタが接続され、エミッタがグラウンドに接続されたＮＰＮトランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ１のコレクタにエミッタが接続され、コレクタがグラウンドに接続されたＮＰＮトランジスタＴｒ２を備える。すなわち、トランジスタＴｒ２はトランジスタＴｒ１に対して並列に、かつ逆極性で接続される。スイッチＳＷ１のオフ側端子はグラウンドに接続される。トランジスタＴｒ１及びＴｒ２のベースには抵抗Ｒ３の出力側が接続され、レベル検出回路２からのレベル検出信号が入力される。トランジスタＴｒ１及びＴｒ２は同一の特性を有する。

この構成において、スイッチＳＷ１がオフ状態にあるとき、ゲイン切替え機能は無効とされる。すなわち、出力信号Ｖｏのレベルに応じて増幅回路１のゲインが切り替わることにより出力信号Ｖｏに対して伸張効果を付与する機能は行われない。この場合、出力信号Ｖｏのレベルに関係なく、増幅回路１は、抵抗Ｒ１及びＲ２で決まる一定のゲインＡ１で増幅を行う。

一方、スイッチＳＷ１がオン状態にある場合には、ゲイン切替え機能が有効となり、出力信号Ｖｏのレベルに応じた伸張効果の付与が行われる。すなわちこの場合、レベル検出回路２からのレベル検出信号が、トランジスタＴｒ１のベースに供給され、トランジスタＴｒ１のオン・オフ動作を制御する。このとき、レベル検出信号のレベルが所定値以下であれば、トランジスタＴｒ１はオフ状態となり、増幅回路１は、スイッチＳＷ１がオフ状態にある場合と同様に上述のゲインＡ１で増幅を行う。レベル検出信号のレベルが所定値を超えると、トランジスタＴｒ１がオン状態になり、抵抗Ｒ４が抵抗Ｒ２に対して並列に接続された状態となる。これにより、増幅回路１のゲインは、抵抗Ｒ１、Ｒ２、及びＲ４で決まるＡ２となる。したがって入力信号Ｖｉは、ゲインＡ２からゲインＡ１を差し引いたゲインＡ（＝Ａ２−Ａ１）だけ伸張されて増幅されることになる。

なお、ダイオードＤ１のカソード電圧Ｖｓが所定の閾値Ｖｓｔｈを超えた場合にトランジスタＴｒ１がオン状態となり、ゲインＡ分の伸張を行う状態に移行するが、この閾値Ｖｓｔｈは抵抗Ｒ３により予め設定される。また、伸張を行う状態に移行するかどうかの動作感度は、抵抗Ｒ６及びコンデンサＣ２により定まる時定数として予め設定される。この動作感度の設定は、エキスパンダ回路の設計や製造に際し、抵抗Ｒ１、Ｒ２、及びＲ４による増幅回路１のゲインの設定、並びに抵抗Ｒ３による閾値Ｖｓｔｈの設定が確定した後に行われる。

図２はスイッチＳＷ１がオン状態にある場合の入力信号Ｖｉ及び出力信号Ｖｏの関係を示す。つまり、図中のグラフ曲線２１の傾きは、エキスパンダ回路のゲインを表わしている。図中の矢印Ｔで示した部分において、トランジスタＴｒ１のオン・オフ状態が切り替わり、ゲインが変化する。すなわち、入力信号Ｖｉが所定のレベルＶｔ以下の場合には、出力信号Ｖｏは上述の閾値Ｖｓｔｈに対応するレベル以下であり、増幅回路１は上述のゲインＡ１で増幅を行う。入力信号ＶｉがレベルＶｔを超えると、出力信号Ｖｏは閾値Ｖｓｔｈに対応するレベルを超え、増幅回路１は上述のゲインＡ２で増幅を行う。

このとき、トランジスタＴｒ２が存在しない場合には、矢印Ｔ部分では、図３において拡大して示すように、ゲインが非線形性を有する。この非線形性は、出力信号Ｖｏにおいて歪を生じさせる。この非線形性はトランジスタＴｒ１のオン・オフ状態が切り替わるときの活性領域での動作に起因して発生する。

本実施形態においては、かかる歪がトランジスタＴｒ２により改善される。すなわち、トランジスタＴｒ１に対して並列かつ逆極性で接続され、トランジスタＴｒ１と同一の特性を有するトランジスタＴｒ２が、同一のベース電圧により動作するので、レベルＶｔの近傍において、トランジスタＴｒ１を流れ、出力信号Ｖｏに歪を生じさせる電流成分が、トランジスタＴｒ２を逆方向に流れる電流により打ち消される。これにより、トランジスタＴｒ１におけるスイッチング時の特性が改善され、ゲインは線形性を確保する。したがって矢印Ｔ部分に対応する出力信号Ｖｏの歪が改善される。

なお、たとえば、抵抗Ｒ１、Ｒ３、及びＲ５の抵抗値を１０[ｋΩ]とし、抵抗Ｒ２の抵抗値を３．３[ｋΩ]とし、抵抗Ｒ４の抵抗値を１．５[ｋΩ]とするとともに、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２としてローム社製バイポーラトランジスタ２ＳＣ４０８１を用いることにより、好ましい伸張効果及び歪改善効果を得ることができる。このときたとえば、トランジスタＴｒ１のみの場合には１０％程度である出力信号Ｖｏの歪率を、トランジスタＴｒ２による補正効果によって１％以下に低減させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、エキスパンダ回路におけるゲインを決定する抵抗Ｒ２に対し、抵抗Ｒ４及びスイッチング機能を果たすトランジスタＴｒ１の直列回路を並列に設け、入力信号Ｖｉ（出力信号Ｖｏ）が所定レベルを超えた場合にトランジスタＴｒ１がオン状態となるようにしてゲインを変更するようにしたため、部品点数の少ない簡便な構成により、コストをかけずに、エキスパンダ回路を構成することができる。また、トランジスタＴｒ１に対し、同一特性のトランジスタＴｒ２を、並列に逆極性で接続し、同一のベース電圧により動作させるようにしたため、トランジスタＴｒ１のみの場合に生じる歪を改善することができる。

なお、本発明は、上述実施形態に限定されることなく、適宜変形して実施することができる。たとえば、上述においては、増幅回路として非反転増幅回路を用いたが、これに限定されることはなく、ゲインが抵抗値により決定される増幅手段であれば、他の増幅回路たとえば反転増幅回路を用いるようにしてもよい。

また、上述においては、スイッチング機能を果たす素子としてＮＰＮトランジスタを用いたが、これに限定されることはなく、上述と同様にして同一特性のものにより歪を改善できるものであれば他の素子、たとえばＰＮＰトランジスタを用いるようにしてもよい。

また、上述においては、抵抗Ｒ２に対し、抵抗Ｒ４を並列に接続するかどうかをトランジスタＴｒ１で制御することによりエキスパンダ回路のゲインを切り替えるようにしているが、この代わりに、抵抗Ｒ２に対して直列に抵抗Ｒ４を接続し、抵抗Ｒ４をバイパスする回路の接続のオン・オフをトランジスタＴｒ１で制御することによりエキスパンダ回路のゲインを切り替えるようにしてもよい。

また、上述においては、出力信号Ｖｏのレベルに基づいてゲインを切り替えるようにしているが、この代わりに、入力信号Ｖｉのレベルに基づいてゲインを切り替えるようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係るエキスパンダ回路の構成を示す回路図である。 図１の回路におけるスイッチがオン状態にある場合の入力信号及び出力信号の関係を示す図である。 図１の回路のトランジスタＴｒ２が存在しない場合における図２の矢印Ｔ部分を拡大して示す図である。

符号の説明

１：増幅回路、２：レベル検出回路、３：ゲイン切替え回路、１１：オペアンプ、Ｃ１，Ｃ２：電解コンデンサ、Ｄ１：ダイオード、Ｒ１〜Ｒ６：抵抗、ＳＷ１：スイッチ、Ｔｒ１，Ｔｒ２：ＮＰＮトランジスタ。

Claims (8)

1. ゲインを決定する抵抗を含む増幅回路と、
   前記増幅回路の入力又は出力信号のレベルを検出するレベル検出回路と、
   前記レベル検出回路により検出される信号レベルに基づいて前記抵抗の抵抗値を切り替える切替え回路とを備え、
   前記切替え回路は、
   前記抵抗を形成する一部の抵抗と直列又は並列に接続され、前記信号レベルに応じたスイッチング動作により該一部の抵抗を有効又は無効とすることによって前記抵抗値の切替えを行う第１の半導体素子と、
   前記第１半導体素子に対して並列かつ逆極性で接続され、前記第１半導体素子と同じ動作特性を有し、前記信号レベルに応じてスイッチング動作する第２の半導体素子とを具備することを特徴とする信号処理装置。
2. 前記第２半導体素子は、該第２半導体素子が存在しないとすれば前記出力信号において発生する歪成分を除去するものであることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記増幅回路は非反転増幅回路であり、
   前記抵抗は前記非反転増幅回路の反転入力端子及びグラウンド間に接続されるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号処理装置。
4. 前記第１半導体素子及び第２半導体素子はＮＰＮトランジスタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の信号処理装置。
5. 前記レベル検出回路は、前記増幅回路の出力信号を直流に変換する回路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の信号処理装置。
6. 前記切替え回路による抵抗値の切替え機能を有効とするか又は無効とするかを設定するためのスイッチを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の信号処理装置。
7. 印加される電圧に応じて回路の接続及び切断を行う第１の半導体素子と、
   前記第１半導体素子に対して並列かつ逆極性で接続され、前記第１半導体素子と同じ動作特性を有し、前記電圧に応じて動作する第２の半導体素子とを具備することを特徴とするスイッチング回路。
8. 印加される電圧に応じて回路の接続及び切断を行う第１の半導体素子の特性を補正する方法であって、
   前記第１半導体素子と同じ動作特性を有する第２の半導体素子を、前記第１半導体素子に対して並列かつ逆極性で接続し、前記電圧により動作させることを特徴とする半導体素子の特性の補正方法。
   

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