JP2013236208A - Ｄ級パワーアンプおよびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＥＰＰ方式によってスピーカーを駆動するＤ級パワーアンプにおいて、電源投入直後に発生する不快音を低減する。
【解決手段】入力信号と帰還信号との差分信号を積分する積分器４と、積分された信号を、搬送波信号Ｗsと比較してパルス幅変調信号に変換するコンパレーター７と、接地電位Ｇndと電源電圧Ｖddとの間で直列接続されたＦＥＴ９、１０を有するドライブ回路８と、その増幅信号を、コンデンサー１３を介して出力する正極端子１４と、増幅信号の一部を帰還信号として帰還させる抵抗１６と、一端が電圧Ｖddの供給線に接続され、他端が入力信号の供給経路に接続されたスイッチＳｗ５と、電源が投入されてから時間が経過するにつれ、単位時間当たりに占めるオフ期間が徐々に長くなるように、スイッチＳｗ５を制御する制御回路２１とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シングルエンドプッシュプル（Single End Push Pull）方式によってスピーカーなどの音響変換器を駆動するＤ級パワーアンプにおいて、電源投入直後に発生する不快な音を低減する技術に関する。

従来のＳＥＰＰ方式のＤ級パワーアンプは、例えば次のような構成になっている。すなわち、図３（ａ）に示されるように、従来のＤ級パワーアンプ１ｂでは、増幅すべきオーディオ信号Ｓinを入力する端子２がコンデンサー３の一端に接続され、コンデンサー３の他端が抵抗Ｒ１の一端に接続される。抵抗Ｒ１の他端は、抵抗１６の一端とコンパレーター６の反転入力端（−）に接続される。コンパレーター６の正転入力端（＋）には、基準電圧Ｖrefが供給される。コンパレーター６の出力端と反転入力端（−）との間にはコンデンサー５が介挿されているので、コンデンサー５およびコンパレーター６によって積分器４が構成される。
ここで、説明の便宜上、積分器４（コンパレーター６）の出力端をノードｎ１とする。ノードｎ１は、コンパレーター７の正転入力端（＋）に接続される。コンパレーター７の反転入力端（−）には、図３（ｂ）に示されるように、基準電圧Ｖrefを中心に振幅する三角波の搬送波信号Ｗsが供給されるので、コンパレーター７は、積分器４による積分信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）信号に変換するＰＷＭ回路として機能する。なお、搬送波信号Ｗsとしては、図３（ｂ）に示される三角波のほか、鋸波でも良い。

ドライブ回路８は、低位側を接地電位Ｇndとし、高位側を電圧Ｖddとする電源端子の間でプッシュプル接続された２つのＦＥＴ９（ハイサイドトランジスター、第１のトランジスター）、および、１０（ローサイドトランジスター、第２のトランジスター）をＰＷＭ信号にしたがって交互にスイッチングして、当該ＰＷＭ信号をＤ級で増幅する。また、ドライブ回路８によって増幅されたＰＷＭ信号の一部は、抵抗１６を介して帰還信号として負帰還される構成になっている。

上記のような構成のＤ級パワーアンプ１ｂにより増幅されたＰＷＭ信号は、端子１１を介して接続されたＬおよびＣからなるローパスフィルター１２によってアナログ信号に復調された後、コンデンサー１３によって直流成分がカットされて、正極端子１４に供給される。
スピーカー１６の一方の端子は、負極端子１５を介して接地される一方、スピーカー１６の他方の端子は、正極端子１４に接続される（非特許文献１参照）。

本田潤著、「Ｄ級／ディジタル・アンプの設計と製作」、第２版、ＣＱ出版株式会社、p.257-263

ところで、ＳＥＰＰ方式では、スピーカー１６の一方の端子が負極端子１５によって接地されているので、スピーカー１６は片極で駆動される。このため、ドライブ回路８の出力端であるノードｎ２において電位変動が発生すると、当該電位変動は、負荷であるスピーカー１６に直接的に影響を与える。上記構成にあっては、ノードｎ１、ｎ２は、電源投入される前においてそれぞれ接地電位Ｇndに落ちているが、電源投入されると、ノードｎ１を搬送波信号Ｗsの振幅中心である基準電圧Ｖrefに一致させるような負帰還制御がなされるので、ノードｎ２は、デューティー比が５０％のＰＷＭ信号に急激に変化する。このため、当該変化に起因して、スピーカー１６から不快な音（ｐｏｐ音）が出力されてしまう。

そこで、このような不快な音の発生を防ぐために、図４に示されるように、スイッチＳｗ１〜Ｓｗ４が設けたＤ級パワーアンプ１ｂが考えられた。このような構成において、電源が投入されてから一定時間経過するまで、スイッチＳｗ１を図において実線で示されるような位置をとらせて、コンデンサー３の一端を接地させるとともに、帰還経路に挿入されたスイッチＳｗ２をオフさせ、スイッチＳｗ３、Ｓｗ４をオンさせることによって、ノードｎ２を電源電圧の抵抗分割によって基準電圧Ｖrefに保たせる。
次に、電源投入されてから一定時間が経過した時点でスイッチＳｗ１を破線で示されるように端子２に接続するとともに、スイッチＳｗ２をオンに、スイッチＳｗ３、Ｓｗ４をオフにさせる。これにより、ノードｎ２が基準電圧Ｖrefの状態で負帰還制御が働き始めるので、不快音の発生が抑えられるはずであった。

しかしながら、この構成では、スイッチＳｗ２がオフからオンに移行して負帰還経路が確立するときに、ノードｎ２において、それ以前の抵抗分割に保たれていた電圧と、当該負帰還制御で安定する電圧とに差が生じて、その差が電圧変化となって、やはり不快な音を発生させてしまうという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的の１つは、ＳＥＰＰ方式によりオーディオ信号をＤ級増幅する回路において、電源投入直後の不快な音の発生をなくす、または、聴感上問題にならないレベルまで低減させることが可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係るＤ級パワーアンプにあっては、入力信号と帰還信号との差分信号を積分する積分器と、前記積分器による積分信号を、基準電圧を中心に振幅する搬送波信号と比較することによってパルス幅変調信号に変換するＰＷＭ回路と、接地された第１電位線と前記第１電位線とは異なる電位の第２電位線との間で直列接続された第１のトランジスターおよび第２のトランジスターを前記パルス幅変調信号にしたがってスイッチングして、前記パルス幅変調信号の増幅信号を出力するドライブ回路と、前記ドライブ回路から出力された増幅信号の一部を前記帰還信号として帰還させる抵抗と、前記第２電位を生成する電源が投入されてから時間が経過するにつれて、前記積分信号を前記接地電位から前記基準電圧に漸近させる制御信号を、前記入力信号の供給経路に供給する制御信号供給回路と、を具備する構成を特徴とする。
この構成によれば、入力信号と帰還信号との差分信号を積分した信号の電圧は、電源投入後、時間経過するにつれて接地電位から基準電位に向かって漸近するので、ドライブ回路から出力されるパルス幅変調信号のデューティー比は徐々に５０％に向かう。したがって、本発明によれば、電源の投入直後においてパルス幅変調信号のデューティー比が緩慢に変化するので、接続されたスピーカーやイヤフォンなどのような音響変換器で不快な音の発生をなくす、または、発生したとしてもその発生音を聴感上問題にならないレベルまで低減させることが可能となる。

本発明において、前記制御信号供給回路としては、一端が前記第２電位線に接続され、他端が前記入力信号の供給経路に接続されたスイッチと、前記電源が投入されてから時間が経過するにつれて、単位時間当たりに占めるオフ期間が徐々に長くなるように、前記スイッチを制御する制御回路と、を有する構成が好ましい。
また本発明に係るシステムにおいては、上記のＤ級パワーアンプと、一方の端子が前記接地電位に接地され、他方の端子が前記Ｄ級パワーアンプの前記ドライブ回路から出力された増幅信号もしくは当該増幅信号に基づき生成された信号の入力を受ける音響変換器と、を具備することを特徴とする。

実施形態に係るＤ級パワーアンプを含むシステムの構成を示す図である。 同パワーアンプの動作を説明するための図である。 従来のＤ級パワーアンプを含むシステムの構成を示す図である。 従来のＤ級パワーアンプを含むシステムにおける改良構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る一実施形態について説明する。
図１は、実施形態に係るＤ級パワーアンプ１ａを含むシステムを示す回路図である。この図に示すＤ級パワーアンプ１ａが、図３に示したＤ級パワーアンプ１ｂと相違する部分は、制御回路２１によってオンオフが制御されるスイッチＳｗ１、Ｓｗ５を有する点にあり、他については共通である。そこで、この相違点を中心に説明することにする。

図１におけるスイッチＳｗ１は、図４に示したＤ級パワーアンプ１ｃにおけるスイッチＳｗ１と同様な単極双投型であり、端子２または接地電位Ｇndのいずれかを選択して、コンデンサー３の一端に供給する。スイッチＳｗ５は、一端が電圧Ｖddの供給線に接続され、他端がコンデンサー３の他端および抵抗Ｒ１の一端との接続点に接続されている。
制御回路２１は、接地電位Ｇndに対して高位の電圧Ｖddを生成する電源（図示省略）投入の指示から予め定められた時間ｔが経過するまで、スイッチＳｗ１に接地電位Ｇndを選択させ、電源投入後から時間ｔが経過すると、それ以降、端子２を選択させる。また、制御回路２１は、スイッチＳｗ５に対し制御信号Ｓ５を供給して、該スイッチＳｗ５のオンオフを制御する。

次に、実施形態に係るＤ級パワーアンプ１ａの電源投入直後の動作について説明する。図２は、電源投入直後におけるスイッチＳｗ５の動作や各部の電圧を示す図であるが、電圧波形は、その概要を説明するためのものに過ぎない。このため、例えばスイッチＳｗ５のオンオフと、ノードｎ１の電圧変化との関係については、必ずしも時間軸で一致はしていない。
さて、図２に示されるように、時刻Ｔ１において電源が投入されると、制御回路２１は、図１において実線で示されるようにスイッチＳｗ１に対し接地電位Ｇndを選択させる。ここで、制御信号Ｓ５がＨレベルのときにスイッチＳｗ５がオンするものとしたとき、制御回路２１は、図２に示されるように制御信号Ｓ５のデューティー比を時刻Ｔ１から徐々に低下させる。

電源投入直後において、ノードｎ１は、接地電位Ｇndに落ちている。この状態で、スイッチＳｗ５がオフすると、抵抗Ｒ１を介して供給される入力信号がゼロとなり、帰還信号の電圧成分のみとなる。したがって、コンパレーター６の反転入力端（−）に供給される差分信号の電圧は、抵抗１６を介した帰還信号の電圧にかかわらず、正転入力端（＋）に供給される基準電圧Ｖref よりも低くなる。このため、スイッチＳｗ５のオフは、積分器４の出力であるノードｎ１の電圧を上昇させる方向に作用させる。電源投入直後から時間が経過するにつれて、スイッチＳｗ５のオフ期間が徐々に長くなるので、ノードｎ１の電圧は、電源投入直後の接地電位Ｇndから徐々に上昇することになる。

ノードｎ１の電圧は、コンパレーター７によって搬送波信号Ｗsの電圧と比較されてＰＷＭ信号に変換されるとともに、このＰＷＭ信号がドライブ回路８によって増幅された後、その増幅信号の一部が抵抗１６を介して帰還信号として負帰還制御される。この負帰還制御は、コンパレーター６の反転入力端（−）に供給される差分信号の電圧を、正転入力端（＋）に供給される基準電圧Ｖrefに一致させるような制御であるので、ノードｎ１は、電源投入直後の接地電位Ｇnd、すなわち電圧ゼロから徐々に上昇し、最終的に基準電圧Ｖrefになる。
ノードｎ１が電圧ゼロから徐々に上昇して基準電圧Ｖrefに至ると、ドライブ回路８の出力であるノードｎ２の信号波形は、図２に示されるように時間経過とともにデューティー比が徐々に５０％に近づき、最終的に電源投入から十分な時間ｔが経過した時刻Ｔ２において、デューティー比が５０％となる。
そして、制御回路２１は、時刻Ｔ２において制御信号Ｓ５を常時Ｌレベルとして、スイッチＳｗ５のオンを禁止するとともに、スイッチＳｗ１に対し端子２を選択させてオーディオ信号Ｓinの増幅に備える。

このような構成によれば、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて、ノードｎ２の信号波形のデューティー比は徐々に５０％に近づき、時刻Ｔ２においてほぼ５０％になる。入力信号Ｓinの信号レベルがゼロであれば、時刻Ｔ２以後においても、ノードｎ２の信号波形のデューティー比は、引き続きほぼ５０％である。
このように、本実施形態に係るＤ級パワーアンプ１ａによれば、電源投入直後から帰還経路を確立した上で、ノードｎ２に現れる信号波形のデューティー比が徐々に５０％になるように近づけている。このため、本実施形態によれば、ノードｎ２に現れる信号波形のデューティー比が急激に変化することに起因した不快な音の発生を抑えることが可能となる。

なお、本実施形態では、ノードｎ２における信号波形のデューティー比が徐々に５０％に近づくように、スイッチＳｗ５のオンオフを制御信号Ｓ５によって制御しているが、当該デューティー比の変化に相当する成分が可聴周波数範囲（２０Ｈｚ〜）に入ってくると、これの変化成分がスピーカー１６で発せられて知覚される可能性がある。このため、制御信号Ｓ５については、当該デューティー比の変化成分が可聴周波数範囲内（またはスピーカー１６の再生可能周波数範囲内）に入ってこないように、デューティー比を変化させることが望ましい。
実施形態では、正極端子１４および負極端子１５に接続する音響変換器としてスピーカー１６を例示したが、ヘッドフォンやイヤフォンなどでも良い。
また、実施形態では、接地電位Ｇndに対して高位側の正極電源を用いた構成としたが、接地電位Ｇndに対して低位側の負極電源を用いても良い。
また、実施形態では、Ｄ級パワーアンプ１ａの端子１１から出力される増幅信号に対し、ローパスフィルター１２およびコンデンサー１３による処理が施された後の信号（増幅信号に基づき生成された信号）がスピーカー１６に入力される構成が採用されているが、例えばスピーカー１６等の音響変換器がローパスフィルターやコンデンサーを内蔵している場合などは、本発明にかかるＤ級パワーアンプがローパスフィルターおよびコンデンサーの少なくとも一方を備えなくてもよい。例えばＤ級パワーアンプがローパスフィルターおよびコンデンサーを備えない場合、Ｄ級パワーアンプから出力される増幅信号がそのまま音響変換器に入力されることになる。

１ａ…Ｄ級パワーアンプ、４…積分器、７…コンパレーター（ＰＷＭ回路）、８…ドライブ回路、１４…正極端子、１５…負極端子、１６…スピーカー、２１…制御回路、Ｓｗ５…スイッチ

Claims (3)

1. 入力信号と帰還信号との差分信号を積分する積分器と、
   前記積分器による積分信号を、基準電圧を中心に振幅する搬送波信号と比較することによってパルス幅変調信号に変換するＰＷＭ回路と、
   接地された第１電位線と前記第１電位線とは異なる電位の第２電位線との間で直列接続された第１のトランジスターおよび第２のトランジスターを前記パルス幅変調信号にしたがってスイッチングして、前記パルス幅変調信号の増幅信号を出力するドライブ回路と、
   前記ドライブ回路から出力された増幅信号の一部を前記帰還信号として帰還させる抵抗と、
   前記第２電位を生成する電源が投入されてから時間が経過するにつれて、前記積分信号を前記接地電位から前記基準電圧に漸近させる制御信号を、前記入力信号の供給経路に供給する制御信号供給回路と、
   を具備することを特徴とするＤ級パワーアンプ。
2. 前記制御信号供給回路は、
   一端が前記第２電位線に接続され、他端が前記入力信号の供給経路に接続されたスイッチと、
   前記電源が投入されてから時間が経過するにつれて、単位時間当たりに占めるオフ期間が徐々に長くなるように、前記スイッチを制御する制御回路と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のＤ級パワーアンプ。
3. 請求項１または２に記載のＤ級パワーアンプと、
   一方の端子が前記接地電位に接地され、他方の端子が前記Ｄ級パワーアンプの前記ドライブ回路から出力された増幅信号もしくは当該増幅信号に基づき生成された信号の入力を受ける音響変換器と、
   を具備することを特徴とするシステム。

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