JP2012114535A - 半導体装置及びこれを用いた電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置100は、VDDとGNDとの間でパルス駆動される入力信号Sinを増幅し、VCC(>VDD)とGNDとの間でパルス駆動される出力信号Soutを生成するドライバZ20と、VCCからVDDを生成するVDD生成部Z30と、を有するものであって、ドライバZ20は、VDDの入力を受けて動作し出力信号Soutの帰還経路となる1次積分器(AMP、R1、R2、C1)を含み、VDD生成部Z30は、VCCを分圧してVDDを生成する分圧器(R3、R4)を含む。
【選択図】図34
Description
図1は、本発明に係る半導体装置の一構成例(端子配置を含む)を示すブロック図である。本構成例の半導体装置100は、回路ブロック的に見ると、I2Cインタフェイス部101と、コントロールインタフェイス部102と、I2Sインタフェイス部103と、サンプリングレートコンバータ104(以下、SRC[Sampling Rate Convereter]104と略称する)と、オーディオDSP[Digital Sound Processor]105と、8倍オーバーサンプリング部106と、2チャンネルΔΣモジュレータ107と、クロックジェネレータ108と、PLL[Phase Locked-Loop]部109と、エラー検出部110と、第1チャンネル用プラス側ドライバ111と、第1チャンネル用マイナス側ドライバ112と、第2チャンネル用プラス側ドライバ113と、第2チャンネル用マイナス側ドライバ114と、保護機能部115と、を有する。また、半導体装置100は、外部との電気的な接続を確立する手段として48本の外部端子(1ピン〜48ピン)を有する。
(概要)
半導体装置100は、薄型テレビなどの省スペース・省エネルギー用途向けに開発された15W+15WのオーディオDSP搭載フルデジタルスピーカアンプである。最先端のBCD[Bipolar, CMOS and DMOS]プロセス技術を採用し、出力パワー段のオン抵抗や配線抵抗による内部損失を極限まで排除し、高効率90%(10W+10W出力、8Ω負荷時)を実現している。さらに、小型裏面放熱タイプのパワーパッケージを採用し、低消費電力・低発熱のため、総合30W出力まで出力可能である。高性能DSPの搭載により、音声系システムの大幅な小型化・薄型化と、高機能・高音質再生の両方のニーズに応えることが可能である。
第1の特長は、TV用途の音声信号処理に最適なDSPを搭載している点である。第2の特長は、デジタル音声入力を1系統装備(I2S/左詰め/右詰めフォーマット、LRCLK:32kHz/44.1kHz/48kHz、BCLK:48fs/64fs、SDATA:16/20/24bit)している点である。第3の特長は、広い電源電圧範囲において動作可能(Vcc=9〜18V)な点である。第4の特長は、15W+15W(Vcc=15V、RL=8Ω)のステレオ出力及び30W(Vcc=15V、RL=4Ω)のモノラル出力が可能な点である。第5の特長は、高効率、低発熱によりシステムの小型化・薄型化・省電力化に貢献し得る点である。第6の特長は、電源オン/オフ時のポップ音を防止し、さらに高品位なソフトミュート機能を内蔵している点である。第7の特長は、各種保護機能内蔵の高信頼性デザイン(高温保護、高温ワーニング、過電圧保護、減電圧保護、スピーカへの直流電圧印加保護、出力ショート保護、クロック停止保護)を採用している点である。
半導体装置100の用途としては、液晶テレビ、プラズマテレビ、ホームオーディオ、デスクトップPC、アミューズメント機器、電子楽器などを挙げることができる。
1ピン(ADDR)は、I2Cバススレーブアドレス端子(端子電圧:0V)である。2ピン(SDATA)、3ピン(LRCK)、及び、4ピン(BCLK)は、いずれも、デジタルオーディオ信号入力端子(端子電圧:3.3V)である。5ピン(DGND)はデジタルI/O用GND端子(端子電圧:0V)である。6ピン(XI)は、クリスタル入力端子である。7ピン(XO)は、クリスタル出力端子である。8ピン(VSS)は、アナログ信号系GND端子(端子電圧:0V)である。9ピン(PLL)は、PLL用フィルタ端子(端子電圧:1V)である。10ピン(DVDD)は、デジタルI/O用電源端子(端子電圧:3.3V)である。11ピン(TEST2)は、テスト用端子であり、8ピン(VSS)に接続される。12ピン(REG15)は、デジタル回路用内部電源端子(端子電圧:1.5V)である。
図3は、オーディオDSP105の一構成例を示すブロック図である。本構成例のオーディオDSP105は、プリスケーラA1と、チャンネルミキサA2と、2バンドDRC部[Dynamic Range Compression]A3と、第1スケーラA4と、疑似低音部A5と、HPF部[High Pass Filter]A6と、バス/トレブル調整部A7と、サラウンド調整部A8と、7バンドパラメトリックイコライザA9と、ボリウム/バランス調整部A10と、第2スケーラA11と、2バンドDRC部A12と、ポストスケーラA13とを有する。
まず、コマンドインタフェイスについて説明する。ホストCPUとのコマンドインタフェイスにI2Cバス制御が用いられている。一部のレジスタを除き、書き込みだけでなく読み出しが可能である。スレーブアドレスの他に、1バイトのセレクトアドレスを指定して、書き込みや読み出しが行われる。
LRCLKは、L/Rクロック入力信号である。サンプリング周波数(fs)と同一周波数のクロック(fs)で、32kHz/44.1kHz/48kHzに対応している。この区間に1サンプル分の左チャンネルと右チャンネルのデータが入力される。
図13は、電源立ち上げシーケンスを説明するためのタイミングチャートであり、上から順に、VCCP1、VCCP2、VCCA、DVDD、XO、BCLK、LRCLK、SDATA、RSTX、SCL、SDA、及び、MUTEXのピン状態、並びに、スピーカ出力状態が描写されている。
図14は、電源立ち下げシーケンスを説明するためのタイミングチャートであり、上から順に、VCCP1、VCCP2、VCCA、DVDD、XO、BCLK、LRCLK、SDATA、RSTX、SCL、SDA、及び、MUTEXのピン状態、並びに、スピーカ出力状態が描写されている。
図15は、半導体装置100に搭載された各種保護機能の一覧表であり、保護機能、検出&解除条件、スピーカ出力、DSP出力、及び、ERROR出力の相関関係が示されている。なお、ERROR出力端子は、Nchオープンドレイン出力である。I2C制御により各保護機能の動作状態をERROR端子からモニタすることが可能である(図16を参照)。或いは、自動的に各保護機能の動作状態を切り替えてモニタすることも可能である(図17を参照)。ラッチ状態になると、異常状態が解除されても自動復帰することはない。ラッチ状態を解除するためには、(1)MUTEX端子を一旦ローに設定した後、再度MUTEX端子をハイに設定し直すか、電源を再投入すればよい。以下、各種保護機能についての個別具体的な説明を行う。
図18は、出力ショート保護(天絡保護)の一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、スピーカ出力、過電流、ERROR信号、及び、MUTEX信号が描写されている。
図19は、出力ショート保護(地絡保護)の一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、スピーカ出力、過電流、ERROR信号、及び、MUTEX信号が描写されている。
図20は、スピーカへの直流電圧印加保護の一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、スピーカ出力、ERROR信号、及び、MUTEX信号が描写されている。
図21は、高温ワーニングの一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、チップ温度、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、スピーカ出力、及び、ERROR信号が描写されている。
図22は、高温保護の一例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、チップ温度、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、スピーカ出力、及び、ERROR信号が描写されている。
図23は、減電圧保護の一例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、電源電圧(VCCP1、VCCP2、VCCA)、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、スピーカ出力、及びERROR信号が描写されている。
図25は、過電圧保護の一例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、電源電圧(VCCP1、VCCP2、VCCA)、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、スピーカ出力、及びERROR信号が描写されている。
図26は、クロック停止保護の一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、クロック信号(BCLK、LRCLK)、パワーステージ出力(OUT1P、OUT1N、OUT2P、OUT2N)、及び、スピーカ出力が描写されている。
図27及び図28は、いずれも半導体装置100を用いた応用回路の一例を示す図である。なお、図27は、ステレオBTL出力、RL=8Ωを想定した第1の応用回路例であり、図28は、モノラルBTL出力、RL=4Ωを想定した第2の応用回路例である。
図32は、エラー検出部と保護機能部の連携動作を説明するためのブロック図である。本構成例の半導体装置100は、第1チップXと第2チップYを単一のパッケージ内に有する。なお、第1チップXは、先に説明した第1の半導体チップ(図1の符号101〜110が付された回路ブロックを含むDSPチップ)に相当する。また、第2チップYは、先に説明した第2の半導体チップ(図1の符号111〜115が付された回路ブロックを含むパワーステージチップ)に相当する。
図1に示した半導体装置100においては、2チャンネルΔΣモジュレータ107から出力される信号をドライバ111〜114でいかに正しく電力増幅してスピーカに伝達できるかがオーディオ特性の優劣を左右する重要なポイントとなっている。
I1→I1+ΔIT1
I2→I2−ΔIT1
I3→I3+ΔIT1
I4→I4−ΔIT1
ΔIT1=(1/2)×(α/100)×IT
I1→I1−ΔIT1
I2→I2+ΔIT1
I3→I3−ΔIT1
I4→I4+ΔIT1
ΔIT1=(1/2)×(−α/100)×IT
I1×(td/C)>I2×(terr/C)
I1×td>I2×terr
terr<I1×(td/I2) … (1)
(I1×td+I2×terr)/C<I3×(tw/C)
I1×td+I2×terr>I3×tw
terr<(I3×tw−I1×td)/I2 … (2)
ΔWo=(R2/R1)×(VDD/VCC)×ΔWi … (3)
(R2/R1)×(VDD/VCC)=1 … (4)
VDD=(R1/R2)×VCC … (5)
VDD={R3/(R3+R4)}×VCC … (6)
R1/R2=R3/(R3+R4) … (7)
(R1:R2=R3:(R3+R4))
G1=20log(11.42V/5V)=7.174dB
G2=20log(13.35V/5V)=8.530dB
G3=20log(15.57V/5V)=9.866dB
G4=20log(18.20V/5V)=11.222dB
101 I2Cインタフェイス部
102 コントロールインタフェイス部
103 I2Sインタフェイス部
104 サンプリングレートコンバータ(SRC)
105 オーディオDSP
106 8倍オーバーサンプリング部
107 2チャンネルΔΣモジュレータ
108 クロックジェネレータ
109 PLL部
110 エラー検出部
111 第1チャンネル用プラス側ドライバ
112 第1チャンネル用マイナス側ドライバ
113 第2チャンネル用プラス側ドライバ
114 第2チャンネル用マイナス側ドライバ
115 保護機能部
A1 プリスケーラ
A2 チャンネルミキサ
A3 2バンドDRC部
A4 第1スケーラ
A5 疑似低音部
A6 HPF部
A7 バス/トレブル調整部
A8 サラウンド調整部
A9 7バンドパラメトリックイコライザ
A10 ボリウム/バランス調整部
A11 第2スケーラ
A12 2バンドDRC部
A13 ポストスケーラ
X 第1チップ
X10 信号処理部
X20 エラー検出部
X21 レジスタ
X22 サンプリング部
X23 同期制御部
X24 プルアップ抵抗
X30 インタフェイス部
Y 第2チップ
Y10 電力増幅部
Y20 保護機能部
Y21 異常保護回路
Y22 セレクタ
Y23 出力トランジスタ
T11 第1ピン
T12 第2ピン
Z10 2チャンネルΔΣモジュレータ
Z20 ドライバ
Z30 内部電源電圧生成部
Z40 保護機能部
INV インバータ
AMP オペアンプ
CMP コンパレータ
TIM タイミング制御部
DRV1、DRV2 ドライブ段
BUF バッファ
N1、N2 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
R1〜R4 抵抗
C1、C2 コンデンサ
T21、T22 ピン
Claims (9)
- 第1電圧と基準電圧との間でパルス駆動される入力信号を増幅し、前記第1電圧よりも高い第2電圧と前記基準電圧との間でパルス駆動される出力信号を生成するドライバと、
前記第2電圧から前記第1電圧を生成する第1電圧生成部と、
を有する半導体装置であって、
前記ドライバは、前記第1電圧の入力を受けて動作し前記出力信号の帰還経路となる1次積分器を含み、
前記第1電圧生成部は、前記第2電圧を分圧して前記第1電圧を生成する分圧器を含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記1次積分器は、
前記第1電圧の入力を受けて動作するオペアンプと、
前記入力信号の印加端と前記オペアンプの入力端との間に接続された第1抵抗と、
前記出力信号の印加端と前記オペアンプの入力端との間に接続された第2抵抗と、
前記オペアンプの入力端と出力端との間に接続された第1コンデンサと、
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記分圧器は、
前記基準電圧の印加端と前記第1電圧の出力端との間に接続された第3抵抗と、
前記第2電圧の印加端と前記第1電圧の出力端との間に接続された第4抵抗と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1抵抗、前記第2抵抗、前記第3抵抗、及び、前記第4抵抗の抵抗値をそれぞれR1、R2、R3、及び、R4とした場合、R1/R2=R3/(R3+R4)という関係が成立することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 前記第1電圧生成部は、前記基準電圧の印加端と前記第1電圧の出力端との間に接続された第2コンデンサを有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 少なくとも、前記第1抵抗と前記第3抵抗は、それぞれ、所定の制御信号に応じて抵抗値を調整することが可能な可変抵抗であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の半導体装置。
- 前記第1電圧をモニタして減電圧保護動作を行う保護機能部を有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
- 音声信号に所定の信号処理を施して前記入力信号を生成し、これを前記ドライバに出力する音声信号処理部を有することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の半導体装置。
- 請求項1〜請求項8のいずれかに記載の半導体装置と、
前記半導体装置に前記音声信号を供給する音源と、
前記半導体装置から前記出力信号が供給されるスピーカと、
を有することを特徴とする電子機器。
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