JP2016063299A - オーディオアンプ、電子機器、オーディオ信号の再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高音質再生が可能なオーディオアンプを提供する。【解決手段】オーディオアンプ２００は、電気音響変換素子１０２を駆動する。電源回路２０２は、ボリウムの設定値ＶＯＬに応じた電源電圧ＶＤＤを生成する。Ｄ級アンプ２０６は、電源電圧ＶＤＤを受ける。プリドライバ２０４は、ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号に応じてＤ級アンプ２０６を駆動する。【選択図】図２

Description

本発明は、オーディオ信号処理に関し、特にＤ級アンプに関する。

近年、オーディオ分野において、音源のハイレゾ化が進められている。こうした状況のもと、音源のネットワーク配信などではＤＳＤ（Direct Stream Digital）と呼ばれるフォーマットの普及が進んでおり、それに対応した再生装置が求められている。ＤＳＤ方式は、それ自体は従来から存在しており、ＳＡＣＤ（スーパーオーディオＣＤ）などでも採用されていた。

図１は、ＤＳＤの再生システムを示す図である。再生システム５００は、デシメーションフィルタ５０２、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５０６、ノイズシェーパ５０８、パルス幅変調器５１０、Ｄ級アンプ５１２、スピーカ５１４を備える。

デシメーションフィルタ５０２により、ビットストリームＳ５１の標本化周波数が、１／６４倍に間引かれ、ＰＣＭ（パルス符号変調）データＳ５３に変換される。ＤＳＰ５０６は、ＰＣＭデータ２３に対して、ボリウム制御などさまざまなデジタル演算処理を施す。ノイズシェーパ５０８はΔΣ変調器を含み、オーディオ信号Ｓ５４の量子化ノイズをオーディオ帯域外に分離する。パルス幅変調器５１０は、ノイズシェーパ５０８の出力データＳ５５をパルス幅変調する。Ｄ級アンプ５１２は、パルス幅変調器５１０の出力パルスＳ５６を増幅し、スピーカ５１４を駆動する。スピーカ５１４からは出力パルスＳ５６を平滑化したアナログオーディオ信号Ｓ５７が出力される。

特開２００２−３１９２３８号公報

ＤＳＤ方式は、ＰＤＭ（パルス密度変調）の一種であり、オーディオ波形が１ビットのパルス密度変調されたビットストリームとして記録され、原理的にはそれをローパスフィルタを通過させることで、もとのオーディオ波形を再生できる。ところが図１に示す従来の再生システム５００では、ビットストリームをＰＣＭデータに変換しているため、ＤＳＤ方式の本来の利点が損なわれており、音質に関して改善の余地がある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高音質再生が可能なオーディオアンプの提供にある。

本発明のある態様は、電気音響変換素子を駆動するオーディオアンプに関する。オーディオアンプは、ボリウムの設定値に応じた電源電圧を生成する電源回路と、電源電圧を受けるＤ級アンプと、ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号に応じてＤ級アンプを駆動するプリドライバと、を備える。

この態様によると、ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号を、ＰＣＭ変換することなく直接再生できる。またボリウム設定に応じてＤ級アンプの電源電圧を変化させることで、ＰＣＭデータをＤＳＰにより演算処理することなく、ボリウム制御が可能となる。

電源回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータと、デジタルのボリウムの設定値に応じたアナログの基準電圧を生成する電圧源と、電源電圧に応じたフィードバック信号が基準電圧と一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコントローラと、を含んでもよい。

電源回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータと、所定の基準電圧を生成する電圧源と、電源電圧を、デジタルのボリウムの設定値に応じた分圧比で分圧することによりフィードバック信号を生成する分圧回路と、フィードバック信号が基準電圧と一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコントローラと、を含んでもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数ｆ_ＳＷとＤ級アンプのスイッチング周波数ｆ_Ｄは、関係式（１）または（２）を満たしてもよい。
（ｆ_ＳＷ×Ｍ−ｆ_Ｄ）＞２０ｋＨｚ …（１）
ただし、ｆ_Ｄ＞ｆ_ＳＷであり、Ｍはｆ_Ｄ／ｆ_ＳＷを超えない最大の整数
（ｆ_Ｄ×Ｎ−ｆ_ＳＷ）＞２０ｋＨｚ …（２）
ただし、ｆ_ＳＷ＞ｆ_Ｄであり、Ｎはｆ_ＳＷ／ｆ_Ｄを超えない最大の整数
これによりＤＣ／ＤＣコンバータとＤ級アンプの干渉により発生する差周波ノイズがオーディオ帯域に含まれるのを防止でき、高音質が得られる。

ＤＣ／ＤＣコンバータのコントローラ、プリドライバ、Ｄ級アンプは、ひとつの半導体基板に集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
回路を１つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

電源回路は、デジタルのボリウムの設定値に応じたアナログの基準電圧を生成する電圧源と、電源電圧に応じたフィードバック信号が基準電圧と一致するようにフィードバックがかかるリニアレギュレータと、を含んでもよい。

電源回路は、所定の基準電圧を生成する電圧源と、電源電圧を、デジタルのボリウムの設定値に応じた分圧比で分圧することによりフィードバック信号を生成する分圧回路と、フィードバック信号が基準電圧と一致するようにフィードバックがかかるリニアレギュレータと、を含んでもよい。

リニアレギュレータ、プリドライバ、Ｄ級アンプはひとつの半導体基板に集積化されてもよい。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、電気音響変換素子と、電気音響変換素子を駆動する上述のいずれかのオーディオアンプと、を備えてもよい。

本発明の別の態様は、オーディオ信号の再生方法に関する。再生方法は、ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号を生成するステップと、ボリウムの設定値に応じた電源電圧を生成するステップと、電源電圧をＤ級アンプの電源端子に供給するステップと、Ｄ級アンプがオーディオ信号に応じてスイッチングするステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ＤＳＤフォーマットの１ビットオーディオ信号を高音質で再生できる。

ＤＳＤの再生システムを示す図である。 実施の形態に係るオーディオアンプの回路図である。 図２のオーディオアンプの動作波形図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、電源回路の構成例を示す回路図である。 電源回路の変形例を示す回路図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、電子機器の外観図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係るオーディオアンプ２００の回路図である。オーディオアンプ２００は、いくつかの外付け部品とともに電子機器（オーディオシステムともいう）１００に内蔵される。具体的には電子機器１００は、電気音響変換素子１０２、フィルタ１０４およびオーディオアンプ２００を備える。オーディオアンプ２００は、ひとつの半導体基板に一体集積化された機能ＩＣであり、オーディオ入力端子（ＡＵＤＩＮ）にＤＳＤフォーマットの１ビットオーディオ信号Ｓ１１を受け、それを増幅して出力端子ＯＵＴから出力する。出力端子ＯＵＴには、フィルタ１０４を介して電気音響変換素子１０２が接続される。電気音響変換素子１０２としては、スピーカ、ヘッドホン、イヤホンなどが例示される。

オーディオアンプ２００の電源入力端子ＶＩＮには、外部からの電源電圧Ｖ_ＩＮが供給される。オーディオアンプ２００には、図示しないプロセッサから、ボリウムの設定値ＶＯＬが与えられる。電源回路２０２は、ボリウムの設定値ＶＯＬに応じた電源電圧Ｖ_ＤＤを生成する。

Ｄ級アンプ２０６の電源端子には、電源回路２０２が生成した電源電圧Ｖ_ＤＤが供給される。プリドライバ２０４は、ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号Ｓ１１に応じて、Ｄ級アンプ２０６を駆動する。

本実施の形態において、電源回路２０２は、電圧源２１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２、コントローラ２１４を備える。スイッチングトランジスタＭ１、同期整流トランジスタＭ２と、Ｄ級アンプ２０６の回路形式は同じであるため、同一の半導体製造プロセスで製造することに適しており、したがってＤＣ／ＤＣコンバータ２１２のうち、トランジスタＭ１、Ｍ２およびドライバ２２０は、オーディオアンプ２００に内蔵され、インダクタＬ１、出力キャパシタＣ１は、オーディオアンプ２００に外付けされる。具体的には、トランジスタＭ１とＭ２の接続点は、スイッチング端子（ＬＸ端子）と接続される。

電圧源２１０は、デジタルのボリウムの設定値ＶＯＬをアナログの基準電圧Ｖ_ＲＥＦに変換する。電圧源２１０の構成は特に限定されないが、たとえばＤ／Ａコンバータであってもよい。

コントローラ２１４には、電源電圧Ｖ_ＤＤがフィードバックされる。コントローラ２１４は、フィードバックされた電圧Ｖ_ＤＤが基準電圧Ｖ_ＲＥＦと一致するようにデューティ比が調節されるパルス信号Ｓ_ＰＷＭを生成する。コントローラ２１４の方式は特に限定されず、ＰＷＭ（パルス幅変調）コントローラであってもよいし、ＰＦＭ（パルス周波数変調）コントローラであってもよい。またその回路形式も特に限定されず、公知技術を用いればよい。ドライバ２２０は、パルス信号Ｓ_ＰＷＭに応じてトランジスタＭ１およびＭ２をスイッチングする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２のスイッチング周波数ｆ_ＳＷ、つまりパルス信号Ｓ_ＰＷＭの周波数ｆ_ＳＷと、Ｄ級アンプ２０６のスイッチング周波数ｆ_Ｄ、つまりＤＳＤフォーマットの１ビットオーディオ信号Ｓ１１の周波数ｆ_Ｄは、以下の関係式（１）あるいは（２）を満たすことが望ましい。
（ｆ_ＳＷ×Ｍ−ｆ_Ｄ）＞２０ｋＨｚ …（１）
ただし、ｆ_Ｄ＞ｆ_ＳＷであり、Ｍはｆ_Ｄ／ｆ_ＳＷを超えない最大の整数
（ｆ_Ｄ×Ｎ−ｆ_ＳＷ）＞２０ｋＨｚ …（２）
ただし、ｆ_ＳＷ＞ｆ_Ｄであり、Ｎはｆ_ＳＷ／ｆ_Ｄを超えない最大の整数

以上がオーディオアンプ２００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、図２のオーディオアンプ２００の動作波形図である。ボリウムの設定値ＶＯＬが増大すると、それに応じてＤ級アンプ２０６の電源電圧Ｖ_ＤＤが上昇する。その結果、Ｄ級アンプ２０６の出力パルスＳ_ＯＵＴの振幅が大きくなり、電気音響変換素子１０２に供給されるアナログ電圧Ｖ_ＯＵＴの振幅も変化する。

このように図２のオーディオアンプ２００によれば、ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号Ｓ１１をＰＣＭ変換することなく直接再生でき、高音質再生が可能となる。またボリウム設定に応じてＤ級アンプ２０６の電源電圧Ｖ_ＤＤを変化させることで、ＰＣＭデータをＤＳＰにより演算処理することなく、ボリウム制御が可能となる。

また関係式（１）を満たすように周波数を定めることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２とＤ級アンプ２０６の干渉により発生する差周波ノイズがオーディオ帯域に含まれるのを防止でき、高音質再生が可能となる。

図４（ａ）、（ｂ）は、電源回路２０２の構成例を示す回路図である。図４（ａ）の電源回路２０２では、ボリウム設定値ＶＯＬに応じてＤＣ／ＤＣコンバータの基準電圧Ｖ_ＲＥＦを変化させることで、電源電圧Ｖ_ＤＤを変化させる。コントローラ２１４は、エラーアンプ２３０およびパルス幅変調器２３２を含む。エラーアンプ２３０は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦと電源電圧Ｖ_ＤＤに応じたフィードバック信号Ｖ_ＦＢの誤差を増幅し、誤差信号Ｖ_ＥＲＲを生成する。フィードバック信号Ｖ_ＦＢは、電源電圧Ｖ_ＤＤを所定の分圧比で分圧した信号であってもよい。パルス幅変調器２３２は、誤差信号Ｖ_ＥＲＲに応じたデューティ比を有するパルス信号Ｓ_ＰＷＭを生成する。

図４（ｂ）の電源回路２０２では、ボリウム設定値ＶＯＬにかかわらずに基準電圧Ｖ_ＲＥＦは固定される。そのかわりに、電源電圧Ｖ_ＤＤを分圧してフィードバック信号Ｖ_ＦＢを生成する分圧回路２３４が設けられ、分圧回路２３４の分圧比Ｋがボリウム設定値ＶＯＬに応じて切りかえられる。分圧比が変更可能な分圧回路２３４は、スイッチと抵抗ストリングの組み合わせで構成できる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２ではＶ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＦＢが成り立つようにフィードバックがかかるため、Ｖ_ＦＢ＝Ｖ_ＤＤ×Ｋであるとき、電源電圧Ｖ_ＤＤはＶ_ＲＥＦ／Ｋを目標値として安定化される。したがってボリウムの設定値ＶＯＬが大きいほど分圧比Ｋを小さくすることで、Ｄ級アンプ２０６の振幅を大きくでき、音量を大きくできる。

図５は、電源回路２０２の変形例を示す回路図である。電源回路２０２は、リニアレギュレータであり、エラーアンプ２３０、分圧回路２３４、出力トランジスタＭ３を含む。出力トランジスタＭ３のソースはＶＩＮ端子と接続され、そのドレインは電圧出力端子（ＶＯＵＴ）と接続される。分圧回路２３４は、ＶＯＵＴ端子に生ずる電源電圧Ｖ_ＤＤを分圧し、フィードバック信号Ｖ_ＦＢを生成する。エラーアンプ２３０は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦとフィードバック信号Ｖ_ＦＢの誤差を増幅し、誤差信号Ｖ_ＥＲＲを出力トランジスタＭ３のゲートに入力する。電圧源２１０は、ボリウムの設定値ＶＯＬに応じた基準電圧Ｖ_ＲＥＦを生成する

この構成によっても、ボリウム設定値ＶＯＬに応じてＤ級アンプ２０６の電源電圧Ｖ_ＤＤが変化し、音量を変化させることができる。

あるいは図５の電源回路２０２において、基準電圧Ｖ_ＲＥＦを固定し、ボリウム設定値ＶＯＬに応じて分圧回路２３４の分圧比Ｋ（＝Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２））を変化させてもよい。この場合、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の少なくとも一方を可変抵抗で構成すればよい。

図６（ａ）〜（ｃ）は、電子機器１００の外観図である。図６（ａ）は電子機器１００の一例であるディスプレイ装置６００である。ディスプレイ装置６００は、筐体６０２、スピーカ１０２Ｌ、１０２Ｒを備える。オーディオアンプＩＣ３００は筐体６０２に内蔵され、スピーカ１０２Ｌ、１０２Ｒを駆動する。

図６（ｂ）は電子機器１００の一例であるオーディオコンポ７００である。オーディオコンポ７００は、筐体７０２、スピーカ１０２Ｌ、１０２Ｒを備える。オーディオアンプＩＣ３００は筐体７０２に内蔵され、スピーカ１０２Ｌ、１０２Ｒを駆動する。

図６（ｃ）は電子機器１００の一例である小型情報端末８００である。小型情報端末８００は、携帯電話、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、タブレットＰＣ（Personal Computer）、オーディオプレイヤなどである。小型情報端末８００は、筐体８０２、スピーカ１０２、ディスプレイ８０４を備える。オーディオアンプＩＣ３００は筐体８０２に内蔵され、スピーカ１０２を駆動する。

図６（ａ）〜（ｃ）に示すような電子機器にオーディオアンプＩＣ３００を用いることにより、高音質を実現できる。そのほか、オーディオアンプＩＣ３００は、インターホンなどにも利用可能である。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、Ｄ級アンプ２０６によって電気音響変換素子１０２をシングルエンド形式で駆動する場合を説明したが本発明はそれに限定されない。たとえば２個のＤ級アンプ２０６によりＨブリッジ回路を構成し、ＢＴＬ（Bridged Transformer Less）形式あるいは完全差動形式で電気音響変換素子１０２を駆動してもよい。

実施の形態では、スイッチング型の電源回路２０２として同期整流型の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（Ｂｕｃｋコンバータ）を説明したが、ダイオード整流型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いてもよいし、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（Ｂｏｏｓｔコンバータ）を用いてもよい。また、リニアレギュレータとチャージポンプ回路等を組み合わせて電源回路２０２を構成してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…電子機器、１０２…電気音響変換素子、１０４…フィルタ、２００…オーディオアンプ、２０２…電源回路、２０４…プリドライバ、２０６…Ｄ級アンプ、２１０…電圧源、２１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２１４…コントローラ、２２０…ドライバ、２３０…エラーアンプ、２３２…パルス幅変調器、２３４…分圧回路。

Claims (10)

1. 電気音響変換素子を駆動するオーディオアンプであって、
   ボリウムの設定値に応じた電源電圧を生成する電源回路と、
   前記電源電圧を受けるＤ級アンプと、
   ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号に応じて前記Ｄ級アンプを駆動するプリドライバと、
   を備えることを特徴とするオーディオアンプ。
2. 前記電源回路は、
   ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   デジタルのボリウムの設定値に応じたアナログの基準電圧を生成する電圧源と、
   前記電源電圧に応じたフィードバック信号が前記基準電圧と一致するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコントローラと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のオーディオアンプ。
3. 前記電源回路は、
   ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   所定の基準電圧を生成する電圧源と、
   前記電源電圧を、デジタルのボリウムの設定値に応じた分圧比で分圧することによりフィードバック信号を生成する分圧回路と、
   前記フィードバック信号が前記基準電圧と一致するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコントローラと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のオーディオアンプ。
4. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数ｆ_ＳＷと前記Ｄ級アンプのスイッチング周波数ｆ_Ｄは、関係式（１）または（２）
   （ｆ_ＳＷ×Ｍ−ｆ_Ｄ）＞２０ｋＨｚ …（１）
   ただし、ｆ_Ｄ＞ｆ_ＳＷであり、Ｍはｆ_Ｄ／ｆ_ＳＷを超えない最大の整数
   （ｆ_Ｄ×Ｎ−ｆ_ＳＷ）＞２０ｋＨｚ …（２）
   ただし、ｆ_ＳＷ＞ｆ_Ｄであり、Ｎはｆ_ＳＷ／ｆ_Ｄを超えない最大の整数
   を満たすことを特徴とする請求項２または３に記載のオーディオアンプ。
5. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータのコントローラ、前記プリドライバ、前記Ｄ級アンプがひとつの半導体基板に集積化されることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のオーディオアンプ。
6. 前記電源回路は、
   デジタルのボリウムの設定値に応じたアナログの基準電圧を生成する電圧源と、
   前記電源電圧に応じたフィードバック信号が前記基準電圧と一致するようにフィードバックがかかるリニアレギュレータと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のオーディオアンプ。
7. 前記電源回路は、
   所定の基準電圧を生成する電圧源と、
   前記電源電圧を、デジタルのボリウムの設定値に応じた分圧比で分圧することによりフィードバック信号を生成する分圧回路と、
   前記フィードバック信号が前記基準電圧と一致するようにフィードバックがかかるリニアレギュレータと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のオーディオアンプ。
8. 前記リニアレギュレータ、前記プリドライバ、前記Ｄ級アンプがひとつの半導体基板に集積化されることを特徴とする請求項６または７に記載のオーディオアンプ。
9. 電気音響変換素子と、
   前記電気音響変換素子を駆動する請求項１から８のいずれかに記載のオーディオアンプと、
   を備えることを特徴とする電子機器。
10. オーディオ信号の再生方法であって、
    ＤＳＤフォーマットのオーディオ信号を生成するステップと、
    ボリウムの設定値に応じた電源電圧を生成するステップと、
    前記電源電圧をＤ級アンプの電源端子に供給するステップと、
    前記Ｄ級アンプが前記オーディオ信号に応じてスイッチングするステップと、
    を備えることを特徴とする再生方法。

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