JP2013131815A - Ｄ級電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ローインピーダンスのスピーカも、一定電圧システムのスピーカでも同じ音声出力端子に接続して、効率よくドライブすることができるＤ級電力増幅器を、低コストで製造できるようにする。
【解決手段】 入力音響信号を電力増幅して音声出力端子２２ａの正側に供給する第１Ｄ級増幅部と、反転器Ｅ１において反転された入力音響信号を電力増幅して音声出力端子２２ａの負側に供給する第２Ｄ級増幅部とを設け、モード制御部２０４が、第１のモードが指定されたとき、上記第１及び第２Ｄ級増幅部を有効にすると共に、電流制限回路Ｉ１及びＩ２の最大電流値を第１電流値に設定し、第２のモードが指定されたとき、第１Ｄ級増幅部を有効にし、第２Ｄ級増幅部を無効にし、音声出力端子２２ａの負側を接地すると共に、電流制限回路Ｉ１の最大電流値を上記第１電流値より大きい第２電流値に設定するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、一定電圧システム（Constant Voltage System）と呼ばれるスピーカシステムも、４Ωや８Ω等の低インピーダンススピーカも接続可能なＤ級電力増幅器に関する。

従来から、入力されたアナログ信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）信号に変換し、パルス幅変調信号により出力段のスイッチング素子をオン／オフ制御するＤ級動作方式で電力増幅するＤ級電力増幅器が知られている。
図４及び図５に、従来のＤ級電力増幅器の一例であるＤ級アンプの構成例を示す。図４に示すのは、ハーフブリッジ接続の例、図５に示すのがフルブリッジ接続の例である。

まず、ハーフブリッジ接続の場合、図４のように、１つのスピーカＳＰｘを、１つのＤ級電力増幅部Ｄｘに接続する。
そして、Ｄ級電力増幅部Ｄｘにおいては、増幅すべきアナログ音響信号を入力信号ＩＮとして入力し、その電圧をＰＷＭ変調器ＸによりＰＷＭ変調して、ＰＷＭ信号に変換する。そして、このＰＷＭ信号を、正側電源（＋Ｖ）と出力信号線との間に設けられたスイッチング素子Ｓｘａと、負側電源（―Ｖ）と出力信号線との間に設けられたスイッチング素子Ｓｘｂとにそれぞれ供給して、スイッチング素子Ｓｘａ及びＳｘｂを相補的に駆動する。すなわち、例えばＰＷＭ信号がハイレベルの場合にスイッチング素子Ｓｘａがオンする一方スイッチング素子Ｓｘｂはオフし、逆にＰＷＭ信号がローレベルの場合にスイッチング素子Ｓｘａがオフする一方スイッチング素子Ｓｘｂはオンするようにスイッチング素子Ｓｘａ及びＳｘｂを駆動する。

このようにすると、スイッチング素子Ｓｘａが導通するタイミングでは正側電源から出力信号線に電流が流れ、スイッチング素子Ｓｘｂが導通するタイミングでは出力信号線から負側電源に電流が流れる。ＰＷＭ信号のハイ／ローに応じて変化するこの電流を、コイルＬｘとコンデンサＣｘによって形成されるローパスフィルタに通すことにより、ＰＷＭ変換に用いたキャリア信号を除去し、入力信号ＩＮを電力増幅したアナログ音響信号に復調することができる（出力できる最大電圧は、電源の電圧に依存する）。従って、ローパスフィルタを通過した信号を、音声出力端子を介してスピーカＳＰｘに供給することにより、入力信号ＩＮを増幅したアナログ音響信号でスピーカＳＰｘを駆動することができる。なお、スピーカからＤ級電力増幅部Ｄｘに戻る信号は、増幅器のグランドに流れる。

また、フルブリッジ接続の場合、図５のように、１つのスピーカＳＰｘを、２つのＤ級電力増幅部Ｄｘ，Ｄｙに接続する。
そして、Ｄ級電力増幅部Ｄｘにおいては、図４の場合と同様に、入力信号ＩＮを電力増幅したアナログ音響信号をスピーカＳＰｘに供給する。

一方、Ｄ級電力増幅部Ｄｙは、入力信号ＩＮを反転器Ｅにより正負反転させて入力する。そして、この反転信号を、Ｄ級電力増幅部Ｄｘの場合と同様にＰＷＭ変調器ＹでＰＷＭ変調し、その変調結果であるＰＷＭ信号により、スイッチング素子Ｓｙａ及びＳｙｂを相補的に駆動する。このことにより、コイルＬｙとコンデンサＣｙによって形成されるローパスフィルタに通すことにより、Ｄ級電力増幅部Ｄｘ側と、正負反転している以外は全く同じアナログ音響信号を、スピーカＳＰｘに供給することができる。なお、Ｄ級電力増幅部ＤｘとＤ級電力増幅部Ｄｙとで、電源は共通である。

ここで、スピーカＳＰｘの２つの端子をＤ級電力増幅部Ｄｘ及びＤｙにそれぞれ接続することにより、スピーカＳＰｘを、Ｄ級電力増幅部Ｄｘ及びＤｙからそれぞれ供給されるアナログ音響信号の差分の信号により駆動することができる。Ｄ級電力増幅部Ｄｘ及びＤｙからそれぞれ供給されるアナログ音響信号は、上記のように正負反転した信号であるので、差分を取ることにより、ハーフブリッジ接続の場合の２倍の電圧でスピーカＳＰｘを駆動できることになる。
このようなＤ級電力増幅器は、効率が非常に高い増幅器として知られている。また、このようなＤ級電力増幅器に関する技術としては、例えば特許文献１及び２に記載のものが知られている。

また、Ｄ級電力増幅器に接続するスピーカとしては、例えばインピーダンスが４Ωあるいは８Ωのローインピーダンスの単体スピーカが広く用いられる。しかしこれ以外にも、一定電圧システム（Constant Voltage System）と呼ばれるシステムで複数台のスピーカを並列接続することも行われている。

この一定電圧システムは、アンプから各スピーカまで、音響信号を高電圧、低電流で伝送し、各スピーカの入力部に設けられたステップダウントランスでこれを低電圧信号に変換し、その低電圧信号でスピーカを駆動するものである。すなわち、アンプと各スピーカとを接続する主信号線としてハイインピーダンスの信号線を用い、ここに、複数のスピーカをそれぞれステップダウントランスを介して並列に接続する。
このような一定電圧システムについては、例えば非特許文献１に記載されている。

特開２０１０−４１４７４号公報 特開２００９−２００５５１号公報

「Constant voltage speaker system」，[Online]，平成２３年１１月２９日(2011-11-29)，Wikipedia.org,［平成２３年１２月１８日検索］，インターネット<URL: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Constant_voltage_speaker_system&oldid=463042107>

ところで、上述のようなＤ級電力増幅器を、ローインピーダンスのスピーカでも、一定電圧システムのスピーカでも同じ音声出力端子に接続できるように構成することが考えられる。
まず、一定電圧システムに対応させることを考えた場合、採用する規格にもよるが、例えば１００Ｖシステムの場合、最大で１００Ｖｒｍｓ（実効電圧１００ボルト）の出力が必要となる。そして、上述したハーフブリッジの構成を採用した場合、この出力を得るためには、正側電源及び負側電源として、±１５０Ｖ以上の電源電圧が必要となる。

この場合、スイッチング素子Ｓｘａ，Ｓｘｂとしては、正側電源と負側電源の電圧差である３００Ｖ以上の耐圧が要求される。しかし、現在、スイッチング素子Ｓｘａ，Ｓｘｂとして広く用いられるＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）では、耐圧２５０Ｖ以上のものは、２５０Ｖ以下のものと比較して、コストや性能の面で大幅に劣る傾向にある。従って、ハーフブリッジの構成では、一定電圧システムのスピーカを接続可能なＤ級電力増幅器を製造することは困難であると言える。

一方、フルブリッジの構成を作用した場合、電源電圧はハーフブリッジの場合の半分でよい。従って、ＭＯＳＦＥＴに要求される耐圧も低いものとなり、低コストで十分な性能のＤ級電力増幅器を製造することができる。
しかし、そのＤ級電力増幅器を、一定電圧システムの駆動に専用とせず、ローインピーダンススピーカの駆動にも用いることができるようにする場合には、このままの構成では問題が生じる。

電力増幅器は、ターゲットとなるサウンドシステムや最大出力電力に合わせて、電源や出力段の素子（トランジスタ、コイル、コンデンサ等）を選択して設計される。この場合、まず、フルブリッジ構成による１００Ｖ一定電圧システムの駆動のため、±８０Ｖ程度の電圧で、かつ、所望の最大出力電力に見合う電流容量の電源を採用し、さらに、出力段のスイッチング素子として、例えば、８０Ｖ以上の耐圧を有する高速のＭＯＳＦＥＴを採用することになる。
ローインピーダンススピーカ（例えば、４Ω）を駆動する場合には、低い電圧でスピーカに多くの電流が流れるので、その構成（すなわち、同じ電源、同じ出力段素子、同じフルブリッジ構成）だと、電源の約±８０Ｖ（ただし、電流の増加に応じて低下する）のうちのほんの一部だけをスピーカが利用し、残りの電圧が出力段の素子にかかることになり、電源電圧利用率が低くなってしまう。
一般に、Ｄ級アンプの電源電圧利用率と電力効率（＝スピーカに供給される電力／電源が供給する電力）との間には、図６に示すような関係がある。図６から判るとおり、低い電源電圧利用率では、電力効率が急激に悪化する。

この発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、ローインピーダンスのスピーカでも、一定電圧システムのスピーカでも同じ音声出力端子に接続して、効率よくドライブすることができるＤ級電力増幅器を、低コストで製造できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、この発明のＤ級電力増幅器は、音声出力端子と、第１のモードと第２のモードのいずれか一方を指定するモード指定部と、入力した音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、その電力増幅された音響信号を上記音声出力端子の正側に供給する第１Ｄ級増幅部と、上記入力した音響信号の極性を反転する反転部と、上記反転部において反転された音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、その電力増幅された音響信号を上記音声出力端子の負側に供給する第２Ｄ級増幅部と、上記第１のモードが指定されたとき、上記第１及び第２Ｄ級増幅部を有効にすると共に、その第１及び第２Ｄ級増幅部の出力が第１電流値以下となるようそれぞれ保護する第１モード制御部と、上記第２のモードが指定されたとき、上記第１Ｄ級増幅部及び上記第２Ｄ級増幅部のうち一方を無効にし他方を有効にし、上記音声出力端子の正側及び負側のうち、無効にしたＤ級増幅部と対応する側を接地すると共に、有効にしたＤ級増幅部の出力が、上記第１電流値より大きい第２電流値以下となるよう保護する第２モード制御部とを設けたものである。

また、この発明の別のＤ級電力増幅器は、第１音声出力端子と、第２音声出力端子と、第１のモードと第２のモードのいずれか一方を指定するモード指定部と、入力した第１音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、その電力増幅された音響信号を上記第１音声出力端子の正側に供給する第１Ｄ級増幅部と、上記入力した第１音響信号の極性を反転する第１反転部と、上記第１反転部において反転された第１音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、その電力増幅された音響信号を上記第１音声出力端子の負側に供給する第２Ｄ級増幅部と、入力した第２音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、その電力増幅された音響信号を上記第２音声出力端子の正側に供給する第３Ｄ級増幅部と、上記入力した第２音響信号の極性を反転する第２反転部と、上記第２反転部において反転された第２音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、その電力増幅された音響信号を上記第２音声出力端子の負側に供給する第４Ｄ級増幅部と、上記第１のモードが指定されたとき、上記第１から第４Ｄ級増幅部を全て有効にすると共に、その各Ｄ級増幅部の出力が第１電流値以下となるようそれぞれ保護する第１モード制御部と、上記第２のモードが指定されたとき、上記第１Ｄ級増幅部及び上記第４Ｄ級増幅部を有効にし、上記第２Ｄ級増幅部及び上記第３Ｄ級増幅部を無効にし、上記第１音声出力端子の負側及び上記第２音声出力端子の正側をそれぞれ接地するとともに、上記第１Ｄ級増幅部及び上記第４Ｄ級増幅部の出力が、それぞれ上記第１電流値より大きい第２電流値以下となるよう保護する第２モード制御部とを設けたものである。

上記の各Ｄ級電力増幅器において、上記第１のモードを、各音声出力端子に１セットの一定電圧スピーカシステムを接続するケースのために用意されたモードとし、上記第１電流値を、一定電圧スピーカシステムが接続されたときに、そのＤ級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値とするとよい。
さらに、上記第２のモードを、各音声出力端子に１つの低インピーダンススピーカを接続するケースのために用意されたモードとし、上記第２電流値を、低インピーダンススピーカが接続されたときに、そのＤ級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値とするとよい。

以上のようなこの発明のＤ級電力増幅器によれば、ローインピーダンスのスピーカでも、一定電圧システムのスピーカでも同じ音声出力端子に接続して、効率よくドライブすることができるＤ級電力増幅器を、低コストで製造できるようにすることができる。

この発明のＤ級電力増幅器の実施形態であるアンプ装置の構成を示す図である。 一定電圧スピーカシステムの例を示す図である。 図１に示した電力増幅部において用意されている動作モードと、その各モードにおいて行う各部の制御を示す図である。 従来のハーフブリッジ接続のＤ級アンプの例を示す図である。 従来のフルブリッジ接続のＤ級アンプの例を示す図である。 Ｄ級アンプにおける電源電圧利用率と電力効率との関係を示す図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１に、この発明のＤ級増幅器の実施形態であるアンプ装置の構成を示す。
図１に示すアンプ装置２０は、第１増幅部２０１、第２増幅部２０２を備え、音声入力端子２１ａ，２１ｂから入力する各１ｃｈのアナログ音響信号の電力を増幅して対応する音声出力端子２２ａ，２２ｂから出力する機能を有する。
なお、音声入力端子２１ａ，２１ｂには、信号源として、電子楽器、楽音再生装置、マイク、デジタルミキサ等、音響信号を出力する音響機器を（アンプ装置２０の規格に適合する範囲で）任意に接続することができる。

また、音声出力端子２２ａ，２２ｂに接続するスピーカは、インピーダンスが４Ωあるいは８Ωの一般的な単体スピーカでもよいし、図２に示すような、一定電圧スピーカシステムでもよいが、接続したスピーカないしスピーカシステムに応じて、適切なモード（詳しくは後述する）を設定する必要がある。

この一定電圧スピーカシステムは、上述した一定電圧システムにより複数台のスピーカを並列接続したものである。そして、ハイインピーダンスのメインケーブルＣＢに、それぞれステップダウントランスＴａ〜Ｔｄを介して複数のスピーカＳＰａ〜ＳＰｄを接続している。メインケーブルＣＢにおいては２５Ｖ，７０Ｖ，７０．７Ｖ，１００Ｖ等の、規格に従った高電圧（ここでは１００Ｖとする）でアナログ音響信号を伝送し、ステップダウントランスＴａ〜ＴｄにおいてこれをスピーカＳＰａ〜ＳＰｄの駆動に適した電圧に下げてから、スピーカＳＰａ〜ＳＰｄに供給する。スピーカＳＰａ〜ＳＰｄの入力インピーダンスは、スピーカ毎に異なっていても良く、また、各トランスでの降圧比も、スピーカ毎に異なっていてもよい。

このアンプ装置２０において特徴的な点は、第１及び第２増幅部２０１，２０２の構成及び動作モードに応じたその動作制御であるので、以下、この点を中心にアンプ装置２０についてより具体的に説明する。

図１に示すように、アンプ装置２０は、第１増幅部２０１、第２増幅部２０２に加え、電源部２０３、モード制御部２０４及びモード切替部２０５を備える。
これらのうち、電源部２０３は、第１増幅部２０１及び第２増幅部２０２が備える計４つのＤ級増幅部に対し、それぞれ＋８０Ｖの正側電源及び−８０Ｖの負側電源を供給する電源手段である。

モード制御部２０４は、モード切替部２０５から指定されたモードに従い、第１増幅部２０１及び第２増幅部２０２が備えるＰＷＭ変調器Ｘ１〜Ｘ４の動作（有効）／停止（無効）及びスイッチＳ１，Ｓ２のオンオフを制御し、電流制限回路Ｉ１〜Ｉ４に電流上限値を設定することにより、第１増幅部２０１及び第２増幅部２０２に、モードに応じた動作を行わせる機能を有する。

なお、モード切替部２０５は、ユーザの操作に従って第１乃至第３のモードのいずれか１つを指定する機能を有するものであり、簡単には、３ステートのスイッチ（２経路のオンオフ）や、３つの選択肢を有するセレクタ（３端子の１つを選択的に接続）を用いて構成することができる。同様の機能を、ＣＰＵを備えたマイコンに行わせるようにしてもよい。

また、第１増幅部２０１及び第２増幅部２０２は、それぞれ２つのＤ級増幅部を備え、信号源ＩＮ１，ＩＮ２から供給され、音声入力端子２１ａ，２１ｂから入力する各１ｃｈのアナログ音響信号（これらの信号をそれぞれ入力信号ＩＮ１，ＩＮ２と呼ぶことにする）の電力を増幅して対応する音声出力端子２２ａ，２２ｂから出力する機能を有する。

これらのうち第１増幅部２０１は、ＰＷＭ変調器Ｘ１、スイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ、コイルＬ１及びコンデンサＣ１を備える第１Ｄ級増幅部と、ＰＷＭ変調器Ｘ２、スイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ、コイルＬ２及びコンデンサＣ２を備える第２Ｄ級増幅部とを備える。
第１Ｄ級増幅部は、モードに関わらず有効とされる（常時動作）が、第２Ｄ級増幅部については、モードに応じて有効とされる場合（動作）と無効とされる場合（動作を停止）とがある。動作を停止している第２Ｄ級増幅部は、殆ど電力を消費しない。第１Ｄ級増幅部には、アンプ装置２０の１つ目の入力端子２１ａから入力したアナログ音響信号（入力信号ＩＮ１）が供給され、第２Ｄ級増幅部には、反転器Ｅ１により正負（電圧の極性）が反転された入力信号ＩＮ１invが供給される。

第１Ｄ級増幅部において、ＰＷＭ変調器Ｘ１は、入力信号ＩＮ１の電圧をＰＷＭ変調してＰＷＭ信号を出力する。正側及び負側のスイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ１ｂは、それぞれパワーＭＯＳＦＥＴである。正側の素子Ｓ１ａのドレインは正側電源（＋８０Ｖ）に、ソースは負側の素子Ｓ１ｂのソースとコイルＬ１の入力端とに接続されており、負側の素子Ｓ１ｂのドレインは負側電源（−８０Ｖ）に接続されている。
スイッチング素子Ｓ１ａとＳ１ｂは、ＰＷＭ変調器Ｘ１から各ゲートに供給されるＰＷＭ信号に応じて、コイルＬ１の入力端を正側電源と負側電源の何れか一方に接続（スイッチング）する。このようにして、コイルＬ１の入力端には、電力増幅されたＰＷＭ信号が供給される。そして、電力増幅されたＰＷＭ信号は、コイルＬ１とコンデンサＣ１とで形成されるローパスフィルタで高域がカットされ、コイルＬ１の出力端に、入力信号ＩＮ１を電力増幅したアナログ音響信号が復調され、音声出力端子２２ａの正側に供給される。

同様にして、有効状態にある第２Ｄ増幅部においては、反転された入力信号ＩＮ１invがＰＷＭ変調器Ｘ２でＰＷＭ変調され、スイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂで電力増幅される。そして、電力増幅されたＰＷＭ信号は、コイルＬ２とコンデンサＣ２で形成されるローパスフィルタで高域がカットされ、コイルＬ２の出力端に反転された入力信号ＩＮ１invを電力増幅したアナログ音響信号が復調され、音声出力端子２２ａの負側に供給される。

また、第１増幅部２０１においては、第１Ｄ級増幅部及び第２Ｄ級増幅部から音声出力端子２２への信号出力経路上に、それぞれ電流制限回路Ｉ１，Ｉ２を備える。これらの電流制限回路Ｉ１，Ｉ２は、対応するＤ級増幅部から出力される信号の電流値がモード制御部２０４により制御された所定値を超えた場合、対応するスイッチング素子を、ゲートをアースに接続する等して強制的にオフにして、信号の出力を停止させる機能を有する。電流制限回路Ｉ１はスイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ１ｂを、電流制限回路Ｉ２はスイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂをオフにする。

ただし、電流制限回路Ｉ１，Ｉ２がスイッチング素子をオフにすると、電流制限回路に電流が流れなくなるため、検出される電流値は速やかに電流上限値以下となる。そして、強制オフしてから所定時間経過後に、電流制限回路Ｉ１，Ｉ２はスイッチング素子の強制オフを解除する。すると、それに応じてＤ級増幅部による増幅後の音響信号の出力が元通り行われるようになる。
従って、電流制限回路Ｉ１，Ｉ２は、第１増幅部２０の電源、出力部の素子及び接続されたスピーカを、アンプ装置２０の設計時の各想定電力を超えて壊れてしまわないように保護する働きをする。

例えば、４Ωのスピーカを２台接続したとき（第２の動作モード）の、各スピーカに対するアンプ装置２０の想定された最大出力を２５０Ｗｍａｘとする場合、４×Ｉ×Ｉ＝２５０を満たす値とすればよく、Ｉ≒７．９Ａ（実効値）≒１１．２Ａ（ピーク値）である。
また、８Ωのスピーカを１台接続したとき（第３の動作モード）の、アンプ装置２０の想定された最大出力を５００Ｗｍａｘとする場合、８×Ｉ×Ｉ＝５００を満たす値とすればよく、やはりＩ≒７．９Ａ（実効値）≒１１．２Ａ（ピーク値）である。

また、一定電圧スピーカシステムを２セット接続したとき（第１の動作モード）の、各システムに対するアンプ装置２０の想定された最大出力を２５０Ｗｍａｘとする場合、１０ＶVシステムの最大出力電圧（実効値）は１００Ｖであるので、電流上限値Ｉは、Ｉ＝２５０／１００＝２．５Ａ（実効値）≒３．５Ａ（ピーク値）というように求めることができる。この場合、各一定電圧スピーカシステムは、その全体の入力インピーダンスが、１００／２．５＝４０Ω以上となるよう構成する必要がある。１セットの１００Ｖシステムを構成するスピーカの数を増やして、入力インピーダンスを４０Ωより小さくしてしまうと、アンプ装置２０は想定された最大出力まで出力できなくなる。

以上のように、アンプ装置２０全体として想定される最大出力は、接続されるスピーカが、２セットの１００Ｖシステム、２台の４Ωスピーカ、１台の８Ωスピーカの何れであるかに関わらず全て同じ（５００Ｗｍａｘ）とされる。これは、採用した電源の容量を最大限に使い切るためである。

また、第１増幅部２０１においては、音声出力端子２２aの負側を接地するかしないかを切り換えるためのスイッチＳ１も設けている。
第２Ｄ級増幅部を無効化する場合には、同時にスイッチＳ１をオンして、音声出力端子２２ａの負側を接地する。これにより、第１増幅部２０１は、第１Ｄ級増幅部のみのハーフブリッジ接続の構成のＤ級アンプとして機能する。ここで、第２Ｄ級増幅部の無効化は、具体的には、PWM変調器Ｘ２を停止させるとともに、スイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂをオフで固定することにより行われる。その場合、電源部２０３から第２Ｄ級増幅部には殆ど電流が流れなくなり、その分だけ消費電力が削減される。

一方、第２Ｄ級増幅部を有効化する場合には、同時にスイッチＳ１をオフにする。これにより、第１増幅部２０１において、第１Ｄ級増幅部が出力する信号が音声出力端子２２ａの正側に、第２Ｄ級増幅部が出力する信号が音声出力端子２２ａの負側に供給され、スピーカＳＰ１はこれらの差分の信号により駆動される。従って、第１増幅部２０１は、第１Ｄ級増幅部と第２Ｄ級増幅部がフルブリッジ接続されたＤ級アンプとして機能する。

また、第２増幅部２０２は、ＰＷＭ変調器Ｘ３、スイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ、コイルＬ３及びコンデンサＣ３を備える第３Ｄ級増幅部と、ＰＷＭ変調器Ｘ４、スイッチング素子Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ、コイルＬ４及びコンデンサＣ４を備える第４Ｄ級増幅部とを備える。第４及び第３Ｄ級増幅部は、それぞれ、モードに応じて有効とされる場合（動作）と無効とされる場合（動作を停止）とがある。動作を停止しているＤ級増幅部は、殆ど電力を消費しない。第３Ｄ級増幅部には、アンプ装置２０の２つ目の入力端子２１ｂから入力したアナログ音響信号（入力信号ＩＮ２）が供給され、第４Ｄ級増幅部には、反転器Ｅ２により正負（電圧の極性）が反転された入力信号ＩＮ２invが供給される。

そして、有効状態にある第３Ｄ級増幅部は、入力信号ＩＮ２を電力増幅して、音声出力端子２２ｂの正側に供給し、また、有効状態にある第４Ｄ級増幅部は、反転された入力信号ＩＮ２invを電力増幅して、音声出力端子２２ｂの負側に供給する。各Ｄ級増幅部及び電流制限回路Ｉ３，Ｉ４の機能については、第１増幅部２０１の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。

さらに、第２増幅部２０２においては、音声出力端子２２ｂの正側を接地するかしないかを切り換えるためのスイッチＳ２が設けられている。
第３Ｄ級増幅部を無効化する場合には、同時にスイッチＳ２をオンして、音声出力端子２２ｂの正側を接地する。これにより、第２増幅部２０２は、第４Ｄ級増幅部のみのハーフブリッジ接続の構成のＤ級アンプとして機能する。ここで、第３Ｄ級増幅部の無効化は、具体的には、ＰＷＭ変調器Ｘ３を停止させるとともに、スイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂをオフで固定することにより行われる。その場合、電源部２０３から第３Ｄ級増幅部には殆ど電流が流れなくなり、その分だけ消費電力が削減される。

一方、第３Ｄ級増幅部を有効化する場合には、同時にスイッチＳ２をオフにする。これにより、第２増幅部２０２において、第３Ｄ級増幅部が出力する信号が音声出力端子２２ｂの正側に、第４Ｄ級増幅部が出力する信号が音声出力端子２２ｂの負側に供給され、スピーカＳＰ２はこれらの差分の信号により駆動される。従って、第２増幅部２０２は、第３Ｄ級増幅部と第４Ｄ級増幅部がフルブリッジ接続されたＤ級アンプとして機能する。

次に、アンプ装置２０の動作モードについて説明する。
図３は、アンプ装置２０において用意されている動作モードと、その各モードにおいて行う各部の制御を示す図である。動作モードは、上述のようにユーザがモード切替部２０５に対して設定し、その設定されたモードに従って、モード制御部２０４が、図１に示した各部へ図３に示した動作を行わせるための制御信号を出力する。

まず、第１の動作モードは、音声出力端子２２ａ及び２２ｂに一定電圧スピーカシステムを接続する場合に、ユーザが設定する動作モードである。
この場合、第１〜第４Ｄ級増幅部（ＰＷＭ変調器Ｘ１〜Ｘ４）を全て動作させる（有効にする）。また、スイッチＳ１及びＳ２はオフにする。そして、電流制限回路Ｉ１〜Ｉ４の電流上限値は、１００Ｖシステムを接続したときに、想定された最大出力（２５０Ｗ）を超えないよう保護するための第１値（実効値２．５Ａないしピーク値３．５Ａ）に切り換えられる。

この第１の動作モードにおいては、第１増幅部２０１及び第２増幅部２０２がそれぞれフルブリッジ接続のＤ級アンプとして機能する。従って、アンプ装置２０は、電源部２０３が供給する電圧（±８０V）の各２倍よりやや狭い電圧の範囲（−１６０＋αＶ〜＋１６０−αＶ）で、音声出力端子２２ａ，２２ｂに供給するアナログ音響信号の電圧を振ることができ、規定された実効１００Ｖ以上の最大振幅で、１００Ｖ一定電圧スピーカシステムを駆動することができる。従って、電圧変動を見込んでも、スイッチング素子Ｓ１ａ〜Ｓ４ｂとして、耐圧２００Ｖ程度の耐圧の比較的低い素子を用いることができる。このようなスイッチング素子は安価で信頼性の高いものが入手可能であるので、装置全体としても、安価で信頼性の高いものを製造することができる。

また、第２の動作モードは、音声出力端子２２ａ及び２２ｂに、ローインピーダンス（例えば４Ω）のスピーカを接続する場合に、ユーザが設定する動作モードである。
この場合、第１及び第４Ｄ級増幅部（ＰＷＭ変調器Ｘ１，Ｘ４）を動作させる一方、第２及び第３Ｄ級増幅部（ＰＷＭ変調器Ｘ２，Ｘ３）を停止させる（無効にする）。また、スイッチＳ１及びＳ２はオンにする。そして、電流制限回路Ｉ１及びＩ４の電流上限値は、４Ωのローインピーダンススピーカを接続したときに、想定された最大出力（２５０Ｗ）を超えないよう保護するための第２値（実効値７．９Ａないしピーク値１１．２Ａ）に切り換えられる。

この場合のスピーカのインピーダンスは一定電圧スピーカシステムに比べて低いので、同じ最大出力に基づいて決定される第２値は、上述した第１値より大きな値となる。なお、電流制限回路Ｉ２及びＩ３については、スイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ａ，Ｓ３ｂがオフされており、大きな電流が流れることは考えられないので、どのような電流上限値でもよい。

この第２の動作モードにおいては、第１増幅部２０１及び第２増幅部２０２がそれぞれハーフブリッジ接続のＤ級アンプとして機能する。従って、アンプ装置２０は、電源部
２０３が供給する電圧（±８０Ｖ）よりやや狭い電圧の範囲（−８０＋βＶ〜＋８０−βＶ）で、音声出力端子２２a，２２ｂに供給するアナログ音響信号の電圧を振ることができる。想定された最大出力（２５０Ｗ）での振幅は、４×７．９＝３１．６Ｖ（実効値）≒４４．７Ｖ（ピーク値）であるので、この場合、フルブリッジ接続で駆動では、電源電圧±８０Ｖのうち約±２３Ｖ程度しか有効に使われないことになるが、本実施形態では、ハーフブリッジ接続で駆動するので、±８０Ｖのうち約４５Ｖ程度が有効に使われることになる。

ここでは、ハーフブリッジ接続に切り換えることにより、電圧利用効率が向上しているのである。図６に示されるように、電源電圧利用率を高くできた分だけ、高い電力効率を得ることができる。また、第２及び第３Ｄ級増幅部を停止させるので、その分も消費電力を低減することができる。

なお、Ｄ級電力増幅器においては、ハーフブリッジの場合、パンピングと呼ばれる現象が発生することが知られている。この現象は、第１増幅部２０１で言えば、出力信号線に誘導性負荷であるコイルＬ１が設けられていることにより、スイッチング素子Ｓ１ａ及びＳ１ｂの導通／非導通が切り替わった瞬間には、電源からの電圧と逆方向に電流が流れ、このことに起因して、電源部のコンデンサが電源電圧以上に充電されてしまい、電源の電圧が変動してしまうというものである。そして、パンピング現象が発生すると、正側の電源電圧と負側の電源電圧とが不均衡になり、出力にノイズが現れたり、出力段のスイッチング素子に想定以上の電圧がかかったりする。
フルブリッジの場合、パンピング現象は、２つのＤ級電力増幅部からの電流に起因して、正側と負側の電源に互いに逆の方向に現れるため、電源電圧の不均衡は生じない。

第２の動作モードの場合、基本的にはハーフブリッジ接続であるから、このパンピング現象の発生可能性がある。しかし、第１増幅部２０１では非反転の入力信号ＩＮ１を、第２増幅部では反転の入力信号ＩＮ２invを電力増幅しているので、入力信号ＩＮ１及びＩＮ２として、ステレオのＬｃｈ信号及びＲｃｈ信号のように、比較的似た２つの信号を入力するようにすれば、フルブリッジ接続の場合と同様に、第１増幅部２０１から電源への回生電力と、第２増幅部２０２から電源への回生電力とが互いに打ち消しあって、パンピング現象が発生しなくなる。すなわち、第２の動作モードでは、入力信号ＩＮ１，ＩＮ２として類似度の高い２信号を入力することが推奨される。

また、第３の動作モードは、音声出力端子２２ａのみに、ローインピーダンス（例えば８Ω）のスピーカを接続し、ｃｈ数を犠牲にしても大出力を得たい場合に、ユーザが設定する動作モードである。
この場合、第１及び第２Ｄ級増幅部（ＰＷＭ変調器Ｘ１，Ｘ２）を動作させる一方、第３及び第４Ｄ級増幅部（ＰＷＭ変調器Ｘ３，Ｘ４）を停止させる（無効にする）。また、スイッチＳ１はオフにする。第２増幅部２０２は実質的に動作させないため、スイッチＳ２はオンでもオフでも構わない。

そして、電流制限回路Ｉ１、Ｉ２の電流上限値は、８Ωのローインピーダンススピーカを接続したときに、想定された最大出力（５００Ｗ）を超えないように保護するための第３値（実効値７．９Ａないしピーク値１１．２Ａ）に切り換えられる。電流制限回路Ｉ３及びＩ４については、スイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ａ，Ｓ４ｂがオフされており、大きな電流が流れることは考えられないので、どのような電流上限値でもよい。第１増幅部２０１だけに注目すると、第３の動作モードにおいて、第２の動作モードの倍の電圧で倍のインピーダンス（８Ω）のスピーカを駆動して、倍の最大出力（５００Ｗ）を得るようになっている。その場合、最大出力時の電流が第２の動作モードと第３の動作モードとで同じ値になるので、電流制限回路Ｉ１，Ｉ２の第２値と第３値を相互に同じ値とすることができる。

この第３の動作モードにおいては、第１増幅部２０１がフルブリッジ接続のＤ級アンプとして機能し、第２増幅部２０２は機能を停止する。従って、第２増幅部２０２のために確保してある最大出力電力分だけ、第１増幅部２０１の最大出力電力を増加させることができ、大出力の信号を出力することができる。この場合、アンプ装置２０は、電源部２０３が供給する電圧（±８０Ｖ）の各２倍よりやや狭い電圧の範囲（−１６０＋αＶ〜＋１６０−αＶ）で、音声出力端子２２a，２２ｂに供給するアナログ音響信号の電圧を振ることができる。想定された最大出力（５００Ｗ）での振幅は、８×７．９＝６３．２Ｖ（実行値）≒８９．４Ｖ（ピーク値）であるので、電源電圧±８０Ｖのうち約４５Ｖ程度が有効に使われることになる。また、フルブリッジ接続であるので、パンピング現象の影響を受けにくい。さらに、第３及び第４Ｄ級増幅部を停止させるので、その分も消費電力を低減することができる。

以上で実施形態の説明を終了するが、装置の構成や回路の構成、モードの内容、具体的な数値等が上述の実施形態で説明したものに限られないことはもちろんである。
例えば、上述した実施形態においては、Ｄ級増幅部を４つ備えるアンプ装置について説明したが、電力増幅器が、この４つの単位を複数備えたものであってもよい。この場合において、第２の動作モードにおけるパンピング現象の影響を考慮すると、電源部２０３は、４の正の整数倍のＤ級増幅部につき１つ設けることが好ましい。

また、電力増幅器に、第１増幅部２０１及び第２増幅部２０２の一方のみ設けるようにしてもよい。すなわち、２つのＤ級増幅部について、第２のモードで、予め定めた一方を無効にし他方を有効にし、音声出力端子の正側及び負側のうち、無効にしたＤ級増幅部と対応する側を接地するようにしてもよい。この場合、第２の動作モードにおけるパンピング現象の影響は別途考慮する必要があるが、ハーフブリッジ接続とフルブリッジ接続とを使い分けることによる電圧利用効率の向上とコストダウンの効果は、上述した実施形態の場合と同様に得ることができる。

また、上述した実施形態では、動作モードの指定を、ユーザが手動で行う例について説明した。しかし、電力増幅器に、音声出力端子に接続されたスピーカ等の負荷のインピーダンスを検出する手段を設け、検出したインピーダンスに応じて音声出力端子２２ａ，２２ｂに接続されたスピーカの種別（４Ω、８Ω、１００Ｖ一定電圧、７０Ｖ一定電圧、他）を判別して、判別された種別に適した動作モードを自動設定するようにしてもよい。

例えば、検出されたインピーダンスが２５Ω〜１キロΩ程度であれば、一定電圧スピーカシステムが接続されていると判別して第１の動作モードを設定し、音声出力端子２２ａが８Ω〜２０Ω程度であり、音声出力端子２２ｂは未接続（数キロΩ以上）であれば、８Ωのスピーカが１台接続されていると判別して第３のモードを設定し、それ以外の場合（少なくとも一方が８Ωより小さい、又は、両方が２０Ωより小さいとき）は、４Ωのスピーカが接続されている、又は、ローインピーダンススピーカが２台接続されていると判別して第２の動作モードを設定すればよい。このようにすれば、ユーザの設定ミスにより、想定された最大出力が得られないという事態を防止できる。

また、上述した実施形態のＤ級電力増幅器は、接続する１００Ｖ一定電圧システムに合わせて、約±８０Ｖの電源を採用していたが、厳密に±８０Ｖとする必要は無く、数〜十ボルト程度異なる電圧でもよい。また、他の一定電圧システムを接続するのであれば、それに合わせて、異なる電圧の電源を採用する必要がある。例えば、２５Ｖ一定電圧システムであれば±２０Ｖ程度の電源を、７０Ｖ一定電圧システムであれば±５５Ｖ程度の電源を採用するのがよい。また、その場合、第１電流値及び第２電流値も、駆動するスピーカないしシステムと、電力増幅器の最大出力電力とに応じて適宜決定しなければならない。

また、この発明が、単体のアンプのみでなく、電子楽器、デジタルミキサ、エフェクタ、音源装置、音声入出力装置等、任意の音響信号処理装置と一体に構成された電力増幅器についても適用可能であることはもちろんである。
また、以上述べてきた構成及び変形例は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて適用することも可能である。

以上の説明から明らかなように、この発明のＤ級電力増幅器によれば、一定電圧システムのスピーカでも同じ音声出力端子に接続して、効率よくドライブすることができるＤ級電力増幅器を、低コストで製造できるようにすることができる。
従って、この発明を適用することにより、Ｄ級電力増幅器の品質を向上させることができる。

２０…アンプ装置、２１ａ，２１ｂ…音声入力端子、２２ａ，２２ｂ…音声出力端子、２０１…第１増幅部、２０２…第２増幅部、２０３…電源部、２０４…モード制御部、２０５…モード切替部、Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ、ＣＢ…メインケーブル、Ｄ１２，Ｄ３４…Ｄ級電力増幅部、Ｅ１，Ｅ２…反転器、Ｉ１〜Ｉ４…電流制限回路、ＩＮ１，ＩＮ２…入力信号、Ｌ１〜Ｌ４…コイル、Ｓ１，Ｓ２…スイッチ、Ｓ１ａ〜Ｓ４ａ，Ｓ１ｂ〜Ｓ４ｂ…スイッチング素子、ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰａ〜ＳＰｄ…スピーカ、Ｔａ〜Ｔｄ…ステップダウントランス、Ｘ１〜Ｘ４…ＰＷＭ変調器

Claims (4)

1. 音声出力端子と、
   第１のモードと第２のモードのいずれか一方を指定するモード指定部と、
   入力した音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記音声出力端子の正側に供給する第１Ｄ級増幅部と、
   前記入力した音響信号の極性を反転する反転部と、
   前記反転部において反転された音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記音声出力端子の負側に供給する第２Ｄ級増幅部と、
   前記第１のモードが指定されたとき、前記第１及び第２Ｄ級増幅部を有効にすると共に、該第１及び第２Ｄ級増幅部の出力が第１電流値以下となるようそれぞれ保護する第１モード制御部と、
   前記第２のモードが指定されたとき、前記第１Ｄ級増幅部及び前記第２Ｄ級増幅部のうち一方を無効にし他方を有効にし、前記音声出力端子の正側及び負側のうち、無効にしたＤ級増幅部と対応する側を接地すると共に、有効にしたＤ級増幅部の出力が、前記第１電流値より大きい第２電流値以下となるよう保護する第２モード制御部とを備えることを特徴とするＤ級電力増幅器。
2. 第１音声出力端子と、
   第２音声出力端子と、
   第１のモードと第２のモードのいずれか一方を指定するモード指定部と、
   入力した第１音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第１音声出力端子の正側に供給する第１Ｄ級増幅部と、
   前記入力した第１音響信号の極性を反転する第１反転部と、
   前記第１反転部において反転された第１音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第１音声出力端子の負側に供給する第２Ｄ級増幅部と、
   入力した第２音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第２音声出力端子の正側に供給する第３Ｄ級増幅部と、
   前記入力した第２音響信号の極性を反転する第２反転部と、
   前記第２反転部において反転された第２音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第２音声出力端子の負側に供給する第４Ｄ級増幅部と、
   前記第１のモードが指定されたとき、前記第１から第４Ｄ級増幅部を全て有効にすると共に、該各Ｄ級増幅部の出力が第１電流値以下となるようそれぞれ保護する第１モード制御部と、
   前記第２のモードが指定されたとき、前記第１Ｄ級増幅部及び前記第４Ｄ級増幅部を有効にし、前記第２Ｄ級増幅部及び前記第３Ｄ級増幅部を無効にし、前記第１音声出力端子の負側及び前記第２音声出力端子の正側をそれぞれ接地するとともに、前記第１Ｄ級増幅部及び前記第４Ｄ級増幅部の出力が、それぞれ前記第１電流値より大きい第２電流値以下となるよう保護する第２モード制御部とを備えることを特徴とするＤ級電力増幅器。
3. 請求項１又は２に記載のＤ級電力増幅器であって、
   前記第１のモードは、各音声出力端子に１セットの一定電圧スピーカシステムを接続するケースのために用意されたモードであって、
   前記第１電流値は、一定電圧スピーカシステムが接続されたときに、当該Ｄ級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値であることを特徴とするＤ級電力増幅器。
4. 請求項１又は２に記載のＤ級電力増幅器であって、
   前記第２のモードは、各音声出力端子に１つの低インピーダンススピーカを接続するケースのために用意されたモードであって、
   前記第２電流値は、低インピーダンススピーカが接続されたときに、当該Ｄ級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値であることを特徴とするＤ級電力増幅器。

Images