JP2011172189A

JP2011172189A - 増幅回路

Info

Publication number: JP2011172189A
Application number: JP2010036532A
Authority: JP
Inventors: Katahito Kanetani; 賢仁金谷
Original assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Current assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-09-01
Also published as: US8159292B2; EP2360836A2; US20110204972A1

Abstract

【課題】入力レベルが通常レベルと、過大レベルの２つの出力を効果的に得る。
【解決手段】負帰還路を有するオペアンプ１４の負入力端に入力される入力信号を増幅して出力信号を出力する。オペアンプ１４の負入力端に入力される前記入力信号と前記負帰還路からの帰還信号を合わせた負入力端側信号と、前記オペアンプからの出力信号を重み付け加算し、合成信号を出力する信号合成手段（１８，２０，２２）を有し、オペアンプ１４の出力信号と、合成信号の２つの信号を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、負帰還路を有するオペアンプを利用した増幅回路に関する。

従来より、信号を増幅する増幅回路があり、各種の用途に利用されている。例えば、携帯電話機におけるマイクロフォン入力について、これを処理するオーディオ処理回路があり、マイクロフォン入力についてはプリアンプで第１段目の増幅を行う。

マイクロフォンにはエレクトレット・コンデンサ・マイクロフォン（ＥＣＭ）が使われることが多く、このマイクロフォン入力に対するプリアンプは、マイクロフォンに入力される小さな音から大きな音までをその強度に応じて電気信号として出力する。このようなプリアンプとしては、音圧レベル（ＳＰＬ：ＳｏｕｎｄＰｒｅｓｓｕｒｅＬｅｖｅｌ）において、１２０ｄＢＳＰＬの入力に対する出力をフルスケールとし、９４ｄＢＳＰＬに対するＳＮ比（信号対雑音比）を６０．５ｄＢ以下になるような性能としていた。

特開２００９−２３２２０１号公報

ここで、マイクロフォンからの入力信号が１２０ｄＢＳＰＬを超えた場合（入力レベルが過大な場合）には、プリアンプからの出力はフルスケールを超えることになり、その超えた部分がカットされることになる。このような大音量の場面は頻繁にある訳ではないが、そのような状況においても、歪みのないプリアンプ出力を得ることが、より好ましい。例えば、入力信号のレベルが１４０ｄＢＳＰＬとすると、従来のマイクロフォンからの入力レベルの最大値に比べ２０ｄＢ（１０倍）大きくなる。１２０ｄＢＳＰＬの入力信号の振幅（Ｖｐ−ｐ）が０．４４Ｖとすれば、１４０ｄＢでは入力信号の振幅は４．４Ｖになる。プリアンプを電圧入力型のオペアンプで構成し、電源が１．８Ｖの電池であったとすると、振幅４．４Ｖの入力信号を増幅することはできない。

このため、マイクロフォンからの入力信号をオペアンプの負入力端に入力する電流増幅タイプとする必要がある。この場合、通常レベルの入力用のオペアンプと、大レベルの入力用のオペアンプの２つを設け、それぞれの出力に通常入力用と、大入力用の出力信号を得ればよい。しかし、オペアンプを並列し、入力信号を分配すると、通常レベル用オペアンプの出力信号を十分精度のよいものとすることが難しくなる。オペアンプを直列し、１段目において大入力に対する出力を得、この大入力出力を増幅して通常レベル用出力を得ることも考えられるが、この場合にも通常レベル用出力の精度を十分なものに維持することが困難である。

本発明は、負入力端に入力される入力信号を増幅して出力信号を出力する負帰還路を有するオペアンプと、このオペアンプの負入力端に入力される前記入力信号と前記負帰還路からの帰還信号を合わせた負入力端側信号と、前記オペアンプからの出力信号を重み付け加算し、合成信号を出力する信号合成手段と、を有し、オペアンプの出力信号と、合成信号の２つの信号を得ることを特徴とする。

また、前記信号合成手段により、入力信号が大振幅であり、前記オペアンプの出力信号が出力上限値以上の部分がカットされ歪んでいるときに、入力信号の波形に対応した合成信号を得ることが好適である。

本発明によれば、過大入力用、通常入力用の２つの出力を効果的に得ることができる。

実施形態の構成を示す図である。各部の信号波形を示す図である。変形例の構成を示す図である。他の変形例の構成を示す図である。各部の信号波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る増幅回路の構成を示す図である。信号源１０およびコンデンサ１２は、エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォン（ＥＣＭ）の等価回路であり、それぞれ音圧によって発生する電圧信号およびマイクロフォンの容量に等しい。音圧により発生した電気信号は、電流信号としてオペアンプ１４の負入力端子に入力される。

このオペアンプ１４の出力端は、コンデンサ１６を介し、オペアンプ１４の負入力端に接続されており、負帰還が掛かっている。また、オペアンプ１４の正入力端には、一定の基準電圧Ｖｒｅｆが供給されている。従って、負入力端の電圧は正入力端に仮想短絡され、信号源１０からの入力信号はコンデンサ１２とコンデンサ１６の容量値（インピーダンス）の比に基づいて増幅されて、オペアンプ１４の出力に現れる。このオペアンプ１４の出力が通常レベル系出力になる。すなわち、１２０ｄＢＳＰＬの入力に対する出力をフルスケールとし、９４ｄＢＳＰＬに対するＳＮ比を６０．５ｄＢ以下になるような性能を有する増幅器として機能する。

そして、オペアンプ１４の負入力端には、係数Ｋ１を乗算する乗算器１８が接続され、オペアンプ１４の出力端には、係数Ｋ２を乗算する乗算器２０が接続されており、乗算器１８，２０の両出力が加算器２２において加算される。すなわち、オペアンプ１４の負入力端に現れる信号と、オペアンプ１４の出力端に現れる信号が、加算器２２で重み付け加算され、その結果の信号が過大レベル系の出力信号（合成信号）となる。

この増幅器の動作について、図２に基づいて説明する。信号源１０から出力される入力信号は、入力されてくる音に応じて変化するものであるが、回路の処理対象として考えれば、図２に示すように振幅が変化する交流信号として表すことができる。この入力信号は、コンデンサ１２を介しオペアンプ１４の負入力端に入力されるが、オペアンプ１４の負入力端は正入力端と仮想短絡しており、基本的に電圧Ｖｒｅｆの一定値となるように出力信号が制御される。従って、上述のように、コンデンサ１２，１６の容量値の比に基づいて増幅された信号がオペアンプ１４の出力に得られる。

例えば、コンデンサ１２の容量値をＣｉ、コンデンサ１６の容量値をＣｆとすると、オペアンプ１４のゲインｇ１は、ｇ１＝−Ｃｉ／Ｃｆと表される。

一方、入力信号のレベル（Ｖｐ−ｐ）が大きすぎると、オペアンプ１４は所期の動作を行うことができなくなる。このため、オペアンプ１４の出力は最大レベルが限定され、図２のｂに示すようにサチュレートし、所定値を超えた部分がカットされる。このような出力信号になると、入力信号との差成分が生じ、オペアンプ１４の負入力端電圧は、図２のａに示すように、カットされた成分に対応した波形が現れる。なお、この負入力端の波形は、コンデンサ１２，１６の容量値の比に応じたものになるはずであるが、負入力端には、通常寄生容量がある。正常動作時には、負入力端電圧が固定されるため、寄生容量の影響は受けないが、大レベル入力時には、出力端の信号と、入力信号の差に応じた電圧が負入力端に現れるのであり、負入力端の信号の大きさは寄生容量の影響を受ける。寄生容量の容量値をＣｐとした場合、入力信号に対する負入力端の信号のゲインｇ２は、ｇ２＝Ｃｉ／(Ｃｉ+Ｃｐ+Ｃｆ)で表される。

このように、出力端における信号がクリップされた場合に、ここで除去された信号に対応する信号がオペアンプ１４の負入力端に図２のａのように現れることになる。そこで、乗算器１８，２０において、適切な係数Ｋ１，Ｋ２を乗算して加算器２２で加算することで、図２のｃに表されるような入力信号に応じた信号を得ることができる。

上述のように、図２においてｂに示すオペアンプ１４の出力信号のゲインはｇ１であり、ａに示す入力端における信号のゲインｇ２であり、Ｋ１・ｇ１＝Ｋ２・ｇ２になると共に、出力の振幅が入力信号の音圧レベルが１４０ｄＢＳＰＬの時にフルスケールになるようＫ１，Ｋ２の値を決定すればよい。実際には、回路の各種特性の影響もあるため、回路の特性を測定して、Ｋ１，Ｋ２を決定するとよい。また、Ｋ１，Ｋ２を事後調整可能にしておき、出力波形を検出して、Ｋ１，Ｋ２を調整できるようにすることも好適である。

このように、本実施形態の回路によれば、１つの通常レベル計のオペアンプ１４を用いて、過大レベル系の出力も得ることができる。また、過大レベル系の出力取り出しは、基本的に電圧を取り出すだけでよいため、通常レベル系のオペアンプ１４については従来通りの構成で所期の性能を得ることができる。過大レベル系出力において電流能力を付与するためには、出力経路にバッファアンプなどを設ければよい。

図３には、変形例が示されている。この例では、オペアンプ１４の帰還路に設けたコンデンサ１６を２つのコンデンサ１６−１，１６−２の２つの分割し、これらコンデンサ１６−１，１６−２の中間点から信号を取り出し、乗算器１８に入力する。オペアンプ１４の入力端に現れる信号のゲインｇ２は、コンデンサ１２，１６の容量などによって決定されるため、コンデンサ１６を分割することで、取り出す信号の大きさをコンデンサ１６−１，１６−２の容量値によって調整することが可能になる。基本的に、入力信号、出力信号を交流信号とすると、過大入力時にオペアンプ１４の入力端に現れる信号は、各容量の容量値に応じて得られるため、容量の配置を適宜変更することで任意の大きさの信号を得ることが可能である。

図４には、さらに別の例を記載してある。この例では、オペアンプ１４が完全差動型であり、反転出力の他に非反転出力を有している。非反転出力はコンデンサ２４を介し正入力端に接続され、この正入力端はコンデンサ２６を介しグランドに接続されている。従って、通常レベル系出力として、位相が１８０°異なる一対の出力が得られる。

この回路においても、過大入力の場合には、オペアンプ１４の負入力端には過大入力分の信号が現れる。なお、正入力端は、非反転出力をコンデンサ２４，２６で容量分割した信号となっており、負入力端の信号は図５のｂに示すように正入力端の信号に過大入力時における信号が加算された信号になる。すなわち、クリップしていない時の出力信号が若干加算された信号になっている。従って、乗算器１８，２０における係数Ｋ３，Ｋ４を適当な大きさに設定することで、同様に所期の過大レベル系の出力信号を得ることができる。なお、乗算器２０にオペアンプ１４の非反転出力を入力することもでき、この場合乗算器２０の出力は加算器２２に＋として入力される。

１０信号源、１２，１６コンデンサ、１４オペアンプ、１８，２０，２４，２６乗算器、２２加算器。

Claims

負入力端に入力される入力信号を増幅して出力信号を出力する負帰還路を有するオペアンプと、
このオペアンプの負入力端に入力される前記入力信号と前記負帰還路からの帰還信号を合わせた負入力端側信号と、前記オペアンプからの出力信号を重み付け加算し、合成信号を出力する信号合成手段と、
を有し、
オペアンプの出力信号と、合成信号の２つの信号を得る増幅回路。
請求項１に記載の増幅回路において、
前記信号合成手段により、入力信号が大振幅であり、前記オペアンプの出力信号が出力上限値以上の部分がカットされ歪んでいるときに、入力信号の波形に対応した合成信号を得る増幅回路。