JP2010157970A - 自励式ｄ級アンプ - Google Patents

Abstract

【課題】振幅の小さいトリガーパルスにもかかわらず、該トリガーパルスにより自励式Ｄ級アンプ２０を円滑に発振開始できるようにする。
【解決手段】トリガー発生回路２５が出力するトリガーパルスは、注入回路２４を経て比較器２３のオペアンプ５０の反転端子へ注入される。注入回路２４は、抵抗５３とコンデンサ５４及び抵抗５５の直列回路との並列回路を備える。コンデンサ５４及び抵抗５５の直列回路は、微分器を構成する。トリガー発生回路２５が発生する方形波状のトリガーパルスが立下がると、トリガーパルスの立下りに因る電圧レベル低下と立下りの微分に因る電圧レベル低下とが加算されて、比較器２３のオペアンプ５０の反転端子に印加される。これにより、抵抗６６の自励発振用帰還回路による自励式Ｄ級アンプ２０の出力側から入力側への帰還にもかかわらず、該反転端子を適切な期間、負のレベルに保持して、ＦＥＴ６４のオンを維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、オーディオ装置等に装備される自励式Ｄ級アンプに関する。

特許文献１は自励式Ｄ級アンプを開示する（特許文献１の図１，図２、図５及び図８）。該自励式Ｄ級アンプは、入力側から出力側へ順番に積分器、シュミットトリガー回路及びスイッチング段を備えるとともに、自励発振のためにスイッチング段の出力を積分器の入力側へ帰還させている。

図３は従来の自励式Ｄ級アンプ１２０を装備するオーディオ装置１００の主要部構成図である。図３のオーディオ装置１００において、後述する本発明の実施例のオーディオ装置１０（図１）の素子と同一の素子については、オーディオ装置１０の素子に付した符号と同一の符号で指示するとともに、それらの詳細については図１において後述することにし、オーディオ装置１００の構成の主要点について説明する。

トリガー発生回路２５は、自励式Ｄ級アンプ１２０への電力投入時に発振開始用のトリガーパルスを発生する。該トリガーパルスは、注入回路１２４の抵抗５３を経て比較器２３のオペアンプ５０の反転端子へ印加される。スイッチング段２６のＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）６３，６４は、そのオン、オフが相互に逆になるように制御され、発振開始時では、必ずＦＥＴ６４が先にオンになるように、仕組まれている。

スイッチ１７７は、ＬＣフィルタ３２とスピーカ３５との間に介在し、自励式Ｄ級アンプ１２０の発振開始時の所定期間だけ、オフへ切り替えられ、トリガーパルスに因る衝撃音がスピーカ３５から出力されるのを防止する。

図２（ａ），（ｂ）は自励式Ｄ級アンプ１２０におけるトリガーパルス注入点の電圧波形図である。自励式Ｄ級アンプ１２０では、トリガーパルス注入点は比較器２３の反転端子となっている。ＧＬはグランド線の電圧レベル、すなわち０Ｖのレベルを示している。図２は、自励式Ｄ級アンプ１２０の入力側及び接続側に何も接続しないで、すなわち、自励式Ｄ級アンプ１２０が単独で存在しかつ入力信号無しである場合の電圧波形を示している。

図２（ａ）は自励式Ｄ級アンプ１２０から自励発振用帰還回路としての抵抗６６を取り外した場合のトリガーパルス注入点の電圧波形であり、完全な方形波となっている。これに対し、図２（ｂ）は自励式Ｄ級アンプ１２０に抵抗６６が付いている場合のトリガーパルス注入点の電圧波形である。

トリガーパルスの立下りで、比較器２３の非反転端子がアース電圧未満になると、比較器２３の出力が高レベルになって、スイッチング段２６の−Ｖ側のＦＥＴ６４がオンになり、スイッチング段２６の出力がおおよそ−Ｖとなるとともに、自励式Ｄ級アンプ１２０の発振が開始されようとする。これに伴い、積分器２１のオペアンプ４１の反転端子が抵抗６６を介してスイッチング段２６の下降した出力電圧を供給される。従来の自励式Ｄ級アンプ１２０では、トリガーパルスの振幅が小さいと、図２（ｂ）のように、トリガーパルス注入点の電圧レベルは、十分に落ち込むより前に、抵抗６６を介して引き上げられてしまい、自励式Ｄ級アンプ１２０が発振開始できないことが起こる。

これに対処するために、トリガーパルスの振幅を大きくすると、その影響が自励式Ｄ級アンプ１２０から出力され、衝撃音がスピーカ３５から出力されてしまう。これを回避するため、従来のオーディオ装置１００では、スイッチ１７７が、ＬＣフィルタ３２とスピーカ３５との間に介在して、自励式Ｄ級アンプ１２０の発振開始時の所定期間、オフに維持される。

特許文献１は、自励式Ｄ級アンプについて開示するものの、振幅の小さいトリガーパルスを使って、自励式Ｄ級アンプを確実に発振開始する手立てについては何も開示していない。

本発明の目的は、振幅の小さいトリガーパルスであっても、自励式Ｄ級アンプを円滑に発振開始することができる自励式Ｄ級アンプを提供することである。

本発明の自励式Ｄ級アンプによれば、積分器の出力と基準レベルとの二入力を比較してその比較結果を出力する比較器に対し、トリガーパルスとその微分値の加算値に係る電圧を該比較器の入力側に注入する。

本発明の自励式Ｄ級アンプは次のものを備える。
入力信号を積分する積分器、
前記積分器の出力と基準レベルとの二入力を比較してその比較結果を出力する比較器、
前記比較器の出力に基づき開閉してＰＷＭ信号を出力するスイッチング段、
前記スイッチング段の出力を前記積分器の入力側へ帰還させる自励発振用帰還回路、
発振開始用のトリガーパルスを生成するトリガーパルス生成回路、及び
前記トリガーパルスとその微分値との加算値に係る電圧を前記比較器の入力側に注入する注入回路。

本発明によれば、トリガーパルスとその微分値の加算値に係る電圧を比較器の入力側に注入することにより、振幅の小さいトリガーパルスであっても、発振開始時に本装置の入力側の電圧レベルを適切に維持して、発振開始を円滑化することができる。

自励式Ｄ級アンプを装備するオーディオ装置の主要部構成図である。 種々の条件下での自励式Ｄ級アンプのトリガーパルス注入点の電圧波形を示す図である。 従来の自励式Ｄ級アンプを装備するオーディオ装置の主要部構成図である。

図１において、オーディオ装置１０は自励式Ｄ級アンプ２０を装備している。再生信号生成部（図示せず）からの楽曲等のオーディオ信号は、オーディオ信号入力端子１１に供給され、コンデンサ１２及び抵抗１３を経て、自励式Ｄ級アンプ２０に供給される。自励式Ｄ級アンプ２０は、入力側から出力側へオーディオ信号の流れに沿って順番に積分器２１、発振周波数調整回路２２、比較器２３及びスイッチング段２６を有している。自励式Ｄ級アンプ２０は、その他に、注入回路２４、トリガー発生回路２５及び抵抗６６を有している。

積分器２１はオペアンプ４１、コンデンサ４２及び抵抗４３を有している。オペアンプ４１は、反転端子において抵抗１３からのオーディオ信号を供給され、非反転端子においてアースへ接続されている。コンデンサ４２と抵抗４３とは、相互に並列接続され、両端においてそれぞれオペアンプ４１の出力端子及び反転端子へ接続されている。

発振周波数調整回路２２は抵抗４６及びコンデンサ４７を有している。抵抗４６は、両端においてそれぞれオペアンプ４１の出力端子と比較器２３のオペアンプ５０の反転端子とへ接続され、コンデンサ４７は、両端において抵抗４６の比較器２３側の端子とアースとへ接続されている。自励式Ｄ級アンプ２０の発振周波数の調整は、コンデンサ４７の容量値を変更することにより行うことができる。

比較器２３はオペアンプ５０を有している。オペアンプ５０は、反転端子において発振周波数調整回路２２の出力を供給され、非反転端子においてアースへ接続されている。抵抗５９は、両端においてそれぞれ所定電圧＋Ｖの端子とオペアンプ５０の出力端子とへ接続されている。

注入回路２４は、抵抗５３、コンデンサ５４及び抵抗５５を有している。コンデンサ５４及び抵抗５５は、相互に直列に接続されるとともに、抵抗５３に並列接続される。抵抗５３は、両端においてそれぞれオペアンプ５０の反転端子及びトリガー発生回路２５の出力端子へ接続されている。

トリガー発生回路２５は、自励式Ｄ級アンプ２０への給電開始に伴い、自励式Ｄ級アンプ２０の発振開始用のトリガーパルスを発生する。トリガーパルスは、例えば後述の図２（ａ）で示す方形波である。

スイッチング段２６は、所定電圧端子＋Ｖ，−Ｖ間に相互に直列接続されたＦＥＴ６３，６４を有し、ＦＥＴ６３とＦＥＴ６４との接続端子は、スイッチング段２６の出力端子であり、かつ自励式Ｄ級アンプ２０の出力端子でもある。ＦＥＴ６３，６４は、自励式Ｄ級アンプ２０の発振中、比較器２３の出力に基づきそれらのゲート電圧を制御されて、オン、オフを切り替えられる。ＦＥＴ６３，６４は、同時にオン又はオフになることはなく、必ず一方がオンであれば、他方がオフになる。また、自励式Ｄ級アンプ２０の発振開始時は、−Ｖ側のＦＥＴ６４がオンになるように仕組まれている。

抵抗６６は、両端においてそれぞれスイッチング段２６の出力端子と積分器２１のオペアンプ４１の反転端子とへ接続され、自励式Ｄ級アンプ２０の自励発振用帰還回路を構成する。

ＬＣフィルタ３２はコイル６８及びコンデンサ６９を有している。コイル６８はスイッチング段２６の出力端子とスピーカ３５との間に介在する。コンデンサ６９は、コイル６８とスピーカ３５との接続点をアースへ接続する。抵抗７３は、両端においてコイル６８のスピーカ３５側の端子と積分器２１のオペアンプ４１の反転端子とへ接続され、帰還回路を構成する。図３の従来のオーディオ装置１００では、スイッチ１７７がＬＣフィルタ３２とスピーカ３５との間に介在するが、オーディオ装置１０では、スイッチ１７７が省略されている。

自励式Ｄ級アンプ２０の発振開始時の作用について説明する前に、自励式Ｄ級アンプ２０が発振開始した後のオーディオ装置１０の作用について説明する。なお、自励式Ｄ級アンプ２０の発振期間におけるオーディオ装置１０の作用は従来のオーディオ装置１００の作用と同一であるので、説明は概略的に行う。積分器２１のオペアンプ４１の反転端子には、自励発振用帰還回路としての抵抗６６を介して自励式Ｄ級アンプ２０の出力が帰還される。自励式Ｄ級アンプ２０の出力が＋Ｖ及び−Ｖである各期間では、すなわち、＋Ｖ側のＦＥＴ６３及び−Ｖ側のＦＥＴ６４がそれぞれオンである期間では、積分器２１の出力レベルはそれぞれ漸減及び漸増し、これにより、積分器２１の出力は三角波となる。

オーディオ信号入力端子１１のオーディオ信号レベルが高いときほど、三角波の下降速度が増大し、上昇速度が減少する。逆に、オーディオ信号入力端子１１のオーディオ信号レベルが低いときほど、三角波の下降速度が減少し、上昇速度が増大する。

比較器２３は、発振周波数調整回路２２を介して供給される積分器２１からの三角波をオペアンプ５０の反転端子に供給され、反転端子のレベルがアース電圧以上である期間では、出力電圧レベルをアース電圧に落として、＋Ｖ側のＦＥＴ６３をオンへ切り替え、また、反転端子のレベルがアース電圧未満である期間では、出力電圧レベルを＋Ｖへ上昇させて、−Ｖ側のＦＥＴ６４をオンへ切り替える。こうして、積分器２１が出力する三角波の下降速度が大きくかつ上昇速度が小さいときほど、すなわち、オーディオ信号入力端子１１のオーディオ信号レベルが高いときほど、自励式Ｄ級アンプ２０の出力にはパルス幅の大きいＰＷＭ（Pulse Wide Modulation：パルス幅変調）信号が生成される。

自励式Ｄ級アンプ２０のＰＷＭ信号は、ＬＣフィルタ３２において高周波成分を除去されてから、スピーカ３５へ供給され、音として出力される。抵抗７３は、ＬＣフィルタ３２の出力を自励式Ｄ級アンプ２０のオペアンプ４１の反転端子へ負帰還させて、自励式Ｄ級アンプ２０のダンピンクファクタの性能を高めるとともに、スピーカ３５へのオーディオ信号の振幅増大を適当に抑えて、スピーカ３５へのオーディオ信号がコイル６８により歪むのを防止する。

自励式Ｄ級アンプ２０の発振開始時の作用について説明する。図２（ａ），（ｃ）〜（ｅ）はオーディオ装置１０から自励式Ｄ級アンプ２０のみを取り出して、各種条件下で自励式Ｄ級アンプ２０を作動させた場合のトリガーパルス注入点の電圧波形を示している。なお、トリガーパルス注入点とは、比較器２３の発振周波数調整回路２２側の端子、すなわち比較器２３のオペアンプ５０の反転端子である。ｔ１，ｔ２はトリガー発生回路２５が発生したトリガーパルスの立上がり時刻及び立下り時刻を示している。ＧＬは、グランド線の電圧、すなわちアース電圧のレベルを示している。図２（ｂ）については、従来の自励式Ｄ級アンプ１２０（図３）に関連して前述したとおりである。

図２（ａ）は、注入回路２４においてコンデンサ５４及び抵抗５５がなく、すなわち抵抗５３のみが存在し（注入回路２４に代えて図３の従来の注入回路１２４を使用した場合と同じ。）、かつ自励発振用帰還回路としての抵抗６６を取り外した場合のトリガーパルス注入点の電圧波形である。この場合、トリガーパルス注入点の電圧波形は、トリガー発生回路２５の出力電圧の波形に一致する。すなわち、このトリガーパルスは方形波となっている。

図２（ｃ）は、注入回路２４から抵抗５３を削除し、すなわち注入回路２４にコンデンサ５４及び抵抗５５のみが存在し、かつ自励式Ｄ級アンプ２０から自励発振用帰還回路としての抵抗６６を取り外した場合のトリガーパルス注入点の電圧波形である。この場合、トリガーパルス注入点の電圧波形はトリガー発生回路２５の発生したトリガーパルスの微分波形に一致する。

図２（ｄ）は、自励式Ｄ級アンプ２０から自励発振用帰還回路としての抵抗６６を取り外した場合のトリガーパルス注入点の電圧波形である。この場合、トリガーパルス注入点の電圧波形は図２（ａ）の電圧波形と図２（ｃ）の電圧波形とを重畳した電圧波形となる。

図２（ｅ）は、自励発振用帰還回路としての抵抗６６を付けたときの、すなわち自励式Ｄ級アンプ２０が完全な状態にあるときのトリガーパルス注入点の電圧波形である。自励式Ｄ級アンプ１２０（図３）に関連して前述したように、微分器としてのコンデンサ５４及び抵抗５５が無く、抵抗５３のみの従来の注入回路１２４（図３）の場合では、図２（ｂ）を参照して前述したように、ｔ２において、比較器２３の反転端子がアース電圧以下になると、スイッチング段２６の−Ｖ側のＦＥＴ６４がオンになり、これに伴い、スイッチング段２６の出力電圧が−Ｖ近辺へ下降し、これが自励発振用帰還回路としての抵抗６６を介して積分器２１のオペアンプ４１の反転端子へ伝わって、トリガーパルス注入点の電圧を直ちに押し上げてしまい、すなわちオペアンプ５０の反転端子がアース電圧未満になることは瞬間的なものとなってしまい、結果、自励式Ｄ級アンプ１２０は発振開始することが困難になる。

これに対して、自励式Ｄ級アンプ２０では、注入回路２４が、トリガーパルスの波形とその微分電圧の波形とが重畳された電圧波形を時刻ｔ２以降の適当な期間、トリガーパルス注入点に印加するので、−Ｖ側のＦＥＴ６４が発振開始時に十分な期間、オンに維持される。結果、トリガーパルス注入点がアース電圧レベル未満になるや、一瞬にしてアース電圧レベル以上に引っ張られる事態は阻止され。こうして、図４（ｅ）示すように、自励式Ｄ級アンプ２０が円滑に発振開始する。

オーディオ装置１０では、自励式Ｄ級アンプ２０の発振開始用のトリガーパルスは、その振幅が小さくても、自励式Ｄ級アンプ２０を円滑に発振開始することができるので、スイッチ１７７（図３）を省略しても、トリガーパルスの印加に伴うスピーカ３５からの衝撃音の出力を防止することができる。

本発明の自励式Ｄ級アンプ（以下、「本装置」という。）と自励式Ｄ級アンプ２０との対応関係について説明する。本装置は、スピーカ等の放音器を装備するあらゆる装置、例えば、楽曲の再生装置（携帯型、据置型又は車載型）、ラジオやテレビ等のチューナ、無線機、携帯電話機、及びパソコンに装備することができる。

本装置は、積分器、比較器、スイッチング段、自励発振用帰還回路、トリガーパルス生成回路及び注入回路を備える。積分器、比較器、スイッチング段、自励発振用帰還回路、トリガーパルス生成回路及び注入回路の具体例はそれぞれ自励式Ｄ級アンプ２０の積分器２１、比較器２３、スイッチング段２６、抵抗６６、トリガー発生回路２５及び注入回路２４である。

本装置において、積分器は入力信号を積分し、比較器は、積分器の出力と基準レベルとの二入力を比較して、その比較結果を出力し、スイッチング段は、比較器の出力に基づき開閉してＰＷＭ信号を出力し、自励発振用帰還回路は、スイッチング段の出力を積分器の入力側へ帰還させ、トリガーパルス生成回路は、発振開始用のトリガーパルスを生成し、注入回路は、トリガーパルスとその微分値との加算値に係る電圧を比較器の入力側に注入する。

本装置の一例としての自励式Ｄ級アンプ２０では、方形波のトリガーパルスの立下りをトリガーとして使用しているが、本装置では、トリガーパルスの立上がりをトリガーとして使用してもよい。ただし、その場合には、例えばオペアンプ５０の反転端子及び非反転端子をそれぞれアース及び抵抗４６へ接続する等、すなわち正側と負側との接続入れ替え等の設計事項の範囲内での変更が必要となる。自励式Ｄ級アンプ２０を装備するオーディオ装置１０は、スイッチ１７７（図３）を省略しているが、本装置を装備するオーディオ装置は、スイッチ１７７があってもよいとする。例えば、スイッチ１７７は、衝撃音防止用としてではなく、ミュート用として、すなわちミュート時に開位置へ切り替えられるように、配置しておくこともできる。

本装置の注入回路は、例えば、抵抗器と微分器との並列回路から成り、両端においてトリガーパルス生成回路の出力端と比較器の積分器側入力端とに接続されている。比較器が、積分器の出力と比較する基準レベルとは例えばアース電圧に係る電圧である。

自励式Ｄ級アンプ２０では、トリガーパルスとその微分値との加算値に係る電圧を比較器２３の積分器２１側の入力端へ注入しているが、本装置の注入回路は、該加算値を反転させてから、比較器の基準レベル側（比較器２３のアース側入力端に対応する。）へ注入してもよい。

さらに、本装置の注入回路は、トリガーパルスは比較器の積分器側入力端へ、また、トリガーパルスの微分値の反転波形を比較器の基準レベル側入力端へそれぞれ注入したり、または、その逆に、トリガーパルスは逆転させてから、比較器の基準側入力端へ、また、トリガーパルスの微分値を比較器の積分器側入力端へそれぞれ注入したりしてもよい。この場合も、実質的には、トリガーパルスとその微分値との加算値に係る電圧を比較器の入力側に注入するのと同一である。

２０：自励式Ｄ級アンプ、２１：積分器、２３：比較器、２４：注入回路、２５：トリガー発生回路（トリガーパルス生成回路）、２６：スイッチング回路（スイッチング段）。

特開２００７−２８４６６号公報

Claims (2)

1. 入力信号を積分する積分器、
   前記積分器の出力と基準レベルとの二入力を比較してその比較結果を出力する比較器、
   前記比較器の出力に基づき開閉してＰＷＭ信号を出力するスイッチング段、
   前記スイッチング段の出力を前記積分器の入力側へ帰還させる自励発振用帰還回路、
   発振開始用のトリガーパルスを生成するトリガーパルス生成回路、及び
   前記トリガーパルスとその微分値との加算値に係る電圧を前記比較器の入力側に注入する注入回路、
   を備えることを特徴とする自励式Ｄ級アンプ。
2. 前記注入回路は、抵抗器と微分器との並列回路から成り、両端において前記トリガーパルス生成回路の出力端と前記比較器の積分器側入力端とに接続されていることを特徴とする請求項１記載の自励式Ｄ級アンプ。

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