固体スイッチすなわちリレーは、数十年間様々なオーディオ分野で使用されており、この種の回路の一例は米国特許第4,438,356号に例えば示される。さらに、ミュート目的のための固体リレーの使用は新しくはない。それは例えば、過度のポップ/クリックを回避すべく、ハイブリッド・増幅器をミュートするために使用されている。既知の適用は、B&O(Bang&Olufsen)製品「BeoLab5」にあり、ポップ/クリックを抑えた、ICEpower増幅器をミュートするために使用されている。
著しい改良ではあるものの、既存の従来技術の設計は、まだいくつかの欠点に苦しむ。例えば、1つの懸念事項は、既知の設計が、制御回路から到来するスピーカーにおける小さなポップ/クリックを招くということである。このポップ/クリックは、今まで行われたすべての固体設計のケースで実際に知覚可能である。
従来技術の設計は、しばしばタイミングのためのインテリジェントなスイッチ・コントロールに頼る。出力アップ/ダウン、信号/無信号の条件は、ポップ/クリックを回避するために、また、悪くとも固体回路(いくつかのケースで)へのストレスを回避するために、スイッチの管理下になければならない。これは主な弱点で、スイッチ・エラーがハードウェアの欠陥を引き起こすことになるかもしれない。
言及したように、従来技術の中で異なる既知の典型的な解決策は、少なくとも本当に高品質の知覚にとっては少なからず重要な意義を持つ、残余のポップ/クリックに苦しむ。したがって、残りのポップ/クリックを、B&O(Bang&Olufsen)装置のような高品質製品中の残留雑音を合格水準にまで減少させる解決策が、必要である。最も使用された今日の解決策は、BTL(Bridge Tied Load)でない場合に、接地接続を遮断することである。しかしながら、2つのモードのための総括的な解決策は存在しない。
したがって、総括的で、且つ、アース配線断線(ground wire break)、ホットワイヤー断線(hot wire break)およびBTL(Bridge Tied Load)モード断線(BTL mode break)の中で使用することができる、解決策の必要性が更にある。
固体リレーにおける上記で議論された欠点のうちのいくつかを緩和するいくつかの試みがあり、その一例は、MOSFETスイッチ制御を開示する米国特許第4,682,061号に見出すことができる。米国特許第4,682,061号に開示された設計は、互いにアウトバランスした2つの電流生成部の形をしているバランス制御回路を開示した。電流生成部は、逆電圧が印加された場合に、電圧的に独立した電流生成部として機能すると知られているダイオードによって実現される。しかしながら、このタイプの解決策は、ダイオードの耐性に非常に敏感であり、それは温度と電圧変動に本質的に非常に敏感になりえる。さらに、合致した電流源を提供するためにダイオードを合致させることは、非常に困難である。また、リーク電流における変化が1000の因数だけ異なり得ることは珍しくない。このため、リーク電流に依存する時定数をコントロールすることが、多かれ少なかれ不可能になる。さらに、「ミュート」の時定数をコントロールするための光結合トランジスタの使用は、むしろ高価な解決策である。
従って、上に言及された問題を考慮し、我々が今日見るもの以外の分野でも使用することができる、一種の総括的な解決策をもたらす、コスト効率が良く強健な回路設計の必要性がある。
したがって、本発明は、既知のシステムの上記で議論された欠点のすべてあるいは少なくともいくらかを緩和する音声増幅器アセンブリのシステムを提供することを目的とする。
この目的は、固体リレー、および追加されたクレームの中で定義されるような電力増幅器アセンブリにおける、AC信号(交流信号)出力と負荷の間の信号パスをコントロールする方法によって達成される。
本発明の第1の観点によれば、電力増幅器アセンブリにおける、AC信号出力と負荷の間の信号パスをコントロールするための固体リレーであって、第1のMOSFETおよび第2のMOSFETを備えており、第1のMOSFETのソース端子は第2のMOSFETのソース端子に接続されて、ソース接合を形成し、第1のMOSFETのゲート端子は第2のMOSFETのゲート端子に接続されて、ゲート接合を形成し、第1のMOSFETのドレイン端子および第2のMOSFETのドレイン端子は、リレー端子を形成している。リレーは、MOSFETを駆動するために、第1の電圧源からゲート接合に第1の制御電流を供給し、信号パスをコントロールする、制御電流生成部を備える、正側と、ソース接合から第2の電流を落とす電流ミラー回路を備える負側と、を含む制御回路を備えている。
これによって、高い許容差を有し、強健でコスト効率の良い固体リレーが提供されている。この文脈中において、信号パスのコントロールは、信号パス中のAC信号のオン/オフの切り替えと理解される。換言すれば、信号パス中の双方向スイッチを提供するために、例えば、オーディオ・システム中に「ミューティング・アクション」が提供される。さらに、第1の観点による固体リレーは、オフからオンに移行する場合、および、オンからオフに移行する場合における、増幅を実現する際に、ポップ/ノイズを回避するのに非常に有効である。主として、これは、スイッチング回路に到達したすべの電流が除去される制御回路により得られ、ノイズ信号としての「ゴースト電流」は残存しない。
第1制御電流は、2つの半導体(MOSFET)を、アクティブリレー状態として機能するオン状態に切り替える、第1のゲート・ソース電圧を生成し、同時に、第2の制御電流生成部(カレントミラー)は、共通ソースからの電流を落とし、第2の電流生成部落とし電流となる。さらに、本発明は、オープンコレクタの使用によって、制御回路許容差が抵抗器に転送されるという認識に基づいており、そのために、半導体中の許容差とはかなりの程度無関係になる。さらに、合致した制御電流生成部およびカレントミラーの単なるコントロールによる動作上の制御回路の提供によって、光結合トランジスタを用いる解決策とは異なり、制御回路は、むしろコスト効率が良くなる(最も高価な構成部品はMOSFETである)。さらに、制御電流が適切にコントロールされているので、ゲート接合とソース接合の間の保護ツェナーダイオードの必要性は縮小される。
1つの典型的な実施形態では、第1電圧源は、固体リレーによってコントロールされるAC信号より高い電圧レベルを有する。従って、第1電圧源は、スイッチが切られるべきターゲットである信号より高い電圧レベルを有すると、さらに言える。
別の典型的な実施形態では、電流ミラー回路は、第2の電圧源に接続され、第2の電圧源は、固体リレーによってコントロールされるAC信号より低電圧レベルを有し、電流ミラー回路は、ソース接合から第2の電圧源に第2の電流を落とすように構成される。従って、第2の電圧源は、スイッチが切られるべきターゲットである信号より低電圧レベルを有すると、さらに言える。
さらに、本発明は、切換装置(電力増幅器アセンブリ)の電源が、増幅器のための電源と同じであることを可能にする。換言すれば、さらに別の典型的な実施形態の中で、第1電圧源は、電力増幅器アセンブリの電源の正のレールを備え(又は、により構成され)、また、第2の電圧源は、電源の負のレールを備える(又は、により構成される)。
本発明の別の観点によれば、電力増幅器アセンブリにおける、AC信号出力と負荷の間の信号パスをコントロールする方法が提供され、この方法は、共通ゲート接合と共通ソース接合を有する1組のMOSFETを含んでおり、第1のMOSFETのドレイン端子および第2のMOSFETのドレイン端子は、リレー端子を形成しており、この方法は、ゲート接合に制御電流を供給して、1組のMOSFETを駆動し、信号パスをコントロールし、ソース接合に接続された電流ミラー回路を介して、ソース接合から第2の電流を落とす。あたかも第2の電流がカレントミラーに落ち込むという表現ができるかもしれない。
本発明に関しては、同様の利点および好ましい特徴は、既に議論された本発明の第1の観点のように存在する。
本発明のこれらおよび他の特徴は、以下に開示された実施形態を参照して、さらに明確にされるだろう。
次の詳細な記述で、本発明のいくつかの実施形態が開示されるだろう。しかしながら、特に断りがなければ、異なる実施形態の特徴が実施形態の間で交換可能であり、異なる方法で組み合わせられることが理解されるであろう。以下の記述においては、符号を用いた特定の詳細は、本発明についてのより完全な理解を提供するために言及されるが、本発明の技術分野に属する当業者は、これら特定の詳細なしに、実現できることは明らかであろう。他の実例では、周知の構造あるいは機能は、本発明を不明瞭にしないように、詳細には開示されない。
図1は、当技術の中で知られているnチャネルMOSFET104および106を利用する固体リレーの例を図示する。固体リレー110で生成した制御電流は、2つの同一の抵抗器103および105を流れる。この電流は信号パスにおいて異質のものであり、出力102でポップ/クリックを招く。更に、MOSFET104および106は、しばしば、VDS、MAX(ドレインとソース端子を横切る最大電圧)が電源電圧より小さくなるように、選定される。これは、制御回路がミュート状態である間に、つまり、MOSFET104および106がオフである間に、関連する増幅器が供給に変わる場合、1つのMOSFETは、電子なだれが強要されるかもしれず、傷つけられるかもしれないことを意味する。
増幅器から到来するポップ/クリックは、各抵抗器103および105(例えば1kΩ)の2倍の抵抗によって制限されている。増幅器が全領域でスイングすれば、残余のポップ/クリックはむしろ悩ましいものであり、固体リレー110のミュート・パフォーマンスがむしろ制限されたので、生の増幅器はそれ自身ポップ/クリックに関してかなり見事に行わなければならない。
オーディオ装置のための固体リレーのより一般的な従来技術の実現は、図2aで見ることができる。スピーカーは負荷202によって示される。電流生成部201は、ゲート回路210を駆動する電流を供給する。この電流は、電源201になんとかして戻らなければならない。もし、オンに切り替えられている場合、最も低いインピーダンス・ブランチは、下部(図の中で示されたレイアウトを参照して)MOSFET206を通る。2つのMOSFET104および106が、正確に同じである場合、回路中の2つのポイント211および212のシミュレートされた電流信号は、図2bの中で示される。
図2bは、図2a(Y軸とX軸は電流と時間をそれぞれ示す)で示された回路中のスピーカー202を通る、生成された電流信号211a(実線)および電流信号212a(点線)を図示する。チャージ中に、信号212aによって示されるように、電流の半分がスピーカーを通過する。不均衡なソースを使用して、放電すれば、反対のことが起きるであろう。
図3aは、下部MOSFET206がVGS(ゲート・ソース電圧)しきい値の許容差のために遅延したシナリオを図示する。図3aで表す回路で示されるように、完全に下部MOSFET206がないシミュレートをすると、最悪ケース状況が理解されるであろう。図3aの回路の結果として生じるシミュレーションは、図3bで示される。シミューレーション・パラメータと、「測定ポイント211、212」とは、図2aおよび図2bの前例と同じように選定される。
図3bで図示されるように、図3aの回路設計によれば、制御電流はすべてスピーカー202を通る。実際には、結果として生じる信号は、恐らくこれらの2つの結果(図2bおよび図3b)のいずれかになるだろう。
本発明によって提供される解決策の動作の基本的概念は、図4aおよび図4bで図示される。
図4aは、本発明の典型的な実施形態の概要の実例を図示する。この図では、電流源401は、MOSFET404および406のスイッチを入れるために必要とされる(ゲート接合407aへの)制御電流を供給する。明白に、制御電流は、MOSFET404、406のソース端子間を通ることができず、制御電流はその代りに、電流/信号発生器401にソース接合407bから引き抜かれ、したがって、騒々しいポップ/クリックは接続しているスピーカー(図示せず)に生じさせないようにできる。抵抗器405は、電圧VGSをコントロールし、より詳しくは、時定数をコントロールし、且つ、ミュート/オフ状態における、つまり、MOSFET404および406がスイッチオフの場合における、VGSを放電する。エラーが電流制御回路に生じた場合、ツェナーダイオード406は抵抗器405のためのバックアップとして付加的な安全手段として機能する。さらに、例えば、電流生成部401が抵抗405によってコントロールされるMOSFET404および406をターンオンのために必要とされる電圧の2倍を供給するような場合には、ツェナーダイオード406は、デミュート/ミュート(オン/オフ)時定数を変更するために使用されてもよい。この方法は、ミュート(ターンオフ)定数の半分のデミュート(ターンオン)時定数で、達成されるかもしれない。
図4bは、電流源(図4aの401)を2つの401a(401b)に分割することができ、且つ、単一の電流源401と正確に同じ態様で動作する供給ワイヤーに移行することができることを、図示している。他の構成部品およびそれらの機能は、図4aにおける回路と類似している。
図5は本発明の典型的な実施形態に従った制御回路500を示す。制御回路500は、図4aと図4bで示される概念を実行する回路の実際的な実現と、見てもよい。特定の値は、発明概念をさらに解明するために、所定の電流、抵抗および電圧が与えられる。しかしながら、これは限定と考えてはならず、また、当業者は、意図した分野に依存して、与えられた値が他の値でもよいと容易に理解する。
リレー機能は、抵抗器501(つまり制御入力又は制御電流)によって、110μAの適切にコントロールされた電流を引き抜くことで、スイッチオンされる。これは、当技術分野で知られているように、例えば、トランジスタおよびツェナーダイオード(図示せず)によって行われる。リレーが最初はスイッチオフであり、また、電源電圧が存在して、入力制御回路にエネルギーが印加されるまで、そのリレーはオフに維持されるように、トポロジーは選定される。電力増幅器と同じ電源電圧を使用することは適用可能である。したがって、電力増幅器の正電源レール540aは、上部3つの抵抗器(502a、502b、502c)の共通ノードに接続されてもよい。簡潔さのために、電力増幅器アセンブリは、信号発生器550によって表わされて略図化されて、リレー回路の動作を明瞭化しており、負荷515を横切る正弦波信号をコントロールする。しかしながら、当業者は、リレー回路が発明概念に従って、音声増幅器アセンブリでどのように実現されるか容易に理解する。
この110のμA電流は、抵抗器502を横切る5.2Vの電圧を生成する。トランジスタ504によって、この電圧は、460μAの電流として504aに転送される。次に、この電流504aの正確なコピーが、負側511上で作られて落とされることになる。503aによって示されるように、電流はトランジスタ503によってモニターされて、トランジスタ505〜507によって形成されたウィルソン・カレントミラーに送信される。他のカレントミラー構成が、代替的に使用されてもよい(例えばWidlarカレントミラー)。しかしながら、ウィルソン・カレントミラーが、精度/正確性の点から望ましい。
いくつかの状況で、これらNPN高電圧トランジスタ505〜507およびPNP高電圧トランジスタ503〜504における初期の電圧に、やや大きな違いがある場合がある。トランジスタ503、504より高い初期の電圧をトランジスタ506に持たせる(例えば−21V対−161V)ことで、完全な制御回路500は、モニター・チェーン(503−511−505)を介して直流(DC)を整えることにより、(微調整された)ゼロバランスに調節することができる。ここで、電流504aの460μAのコピーは、トランジスタ506によって引き抜かれ、したがって、制御回路500はバランスする。
不運にも、正のレール540aから負のレール540bまでの伝達は、ある程度の時間かかる。正の電流生成部の電流504aだけがスピーカー515及び/又はグランドを介して消える場合があるため、この遅れは小さな不均衡に帰着するだろう。この誤差のエネルギーは非常に小さく、ほとんど聞くことができないが、それは測定することができ、シミュレーションで観測される。この誤差は、負側にコンデンサー512を加えることにより、(名目的には)除去される。コンデンサー512は時差を除去しないかもしれないが、負のレールに、正と等しい反対の電流注入を生成し、しかし、少し遅い(1μsを遙かに下回る)。したがって、和は0になる。結果は、聴覚的に影響がないだろう数MHzのまわりにおける単一の正/負電流振動である。これは、未ミュート(あるいはデミュート)中にもミュート中にも起こる、つまり、MOSFET513および514のターンオフ中におよびターンオン中にも起こる。MOSFETは図中で示されるような受動ダイオードと共に特にこの典型的な実施形態で、NチャネルMOSFETとして図示されている。しかしながら、PチャネルMOSFETが択一的に使用されてもよい。
この駆動回路の利点は、MOSFET513および514に、あまり依存しないということである。このため、MOSFET513および514が、キャパシタンス及び/又はしきい値電圧(互いの比較における)の差によって変化しても、これは、制御回路500から転送されたポップ/クリック・ノイズに影響しないであろう。MOSFET513および514から到来するただ一つのパフォーマンスは、熱、歪み、および、減衰減少(出力抵抗)に帰着するオン抵抗であり、および、ミュート/未ミュート間の遷移の間における歪みに帰着するキャパシタンス不均衡である。
符号551、552、553および554は、スピーカー515からの誘導の電流を扱うために置かれたショットキーダイオードであり、信号出現でミュート(つまりMOSFETがオフである場合に)中に、MOSFET513および514にストレスを与える(アヴァランシェ・ブレークダウン)。
(図示したレイアウトを参照して)下部のショットキーダイオード553および554は、BTLオペレーション、つまり増幅器の熱い側面を遮断するためには、オプションである。
設計は、MOSFET513、514を跨いで接続されている2つの抵抗器518および519をさらに備えていてもよく、各抵抗器は、各MOSFETのソースおよびドレインの間を接続する。その役割は、VDS(ドレイン−ソース電圧)を放電することである。典型的なシナリオは、出力が負の−60Vである間、ミュート・アクションが起こるということでもよい。ここで、下部のMOSFET514は、そのドレイン端子とソース端子を横切って最終的に60Vまで充電されるであろう。後に、もし抵抗器が存在しなければ、後の未ミュートはポップ/クリックにこのエネルギーを転送するだろう。抵抗器518および519の値は、MOSFET 513および514自体により得られた、ミュート・アクションをあまり縮小しないように、選ばれる。抵抗器518および519は、例えばIRF540N HEXFETパワーMOSFETの場合、1MΩ(メガ・オーム)まで、次第に増加することができ、ミュート・アクションの更なるリダクションについては、その後、MOSFET513および514に取って代わる。これは、オフ状態中のMOSFET513および514にあるドレイン−ソース容量の存在によるものであり、それは、周波数とともに減少するインピーダンスと見なすことができる。このインピーダンスは、ミュートされる可聴信号のリダクションを制限する。したがって、MOSFET513および514を跨ぐ、2つの抵抗器518および519が、MOSFET513および514の残余のインピーダンスより遙かに高い値を有する場合、有益な可聴信号リダクションにならないだろう。増幅器からの出力が+/−60Vで変わる場合、スピーカーにおける合成電流は、MOSFET513および514を跨いで接続される2つの抵抗器518および519により制限されるであろう。各MOSFET513および514のゲートに接続された抵抗器523および524は、スイッチング中の寄生振動を削除するためにある。
ダイオード521は取り扱いと測定に対する強健さを増加させるために置かれる。基本的に、抵抗器522を横切った電圧は入力制御電流によって決定され、また、回路はダイオード521なしで機能するだろう。
VGSは、15Vを生成する460μAを送る電流生成部によって起動される。これは(zener)ダイオード521によって、13Vに制限されている。この方法ミュートおよびデミュートは、ほぼ同じ時間がかかる。時定数を異なるようにすることは可能である。抵抗器522が3倍高い場合が想定される。ここで、コンデンサー525の放電は3の因数だけ増加される。しかし、充電は460μAによってコントロールされ、したがって、不変である。そのために、ミュート・アクションはより柔軟に(より遅い)することができる。
コンデンサー525は、ミュート・プロセスでほぼ遅れを作らないように、小さく選ばれる。グランド接続を遮断するために使用される場合、コンデンサー525は100pFを選ぶことができるが、任意ではあるが、コンデンサー525は遙かに大きく(つまり、より大きなキャパシタンスを有するように)選ぶことができる。
増幅器に多くのDCのオフセットがあるので、受け入れ可能にするためには、ミュート・アクションを和らげたい場合があり得る。大きなコンデンサー525を使用する別の理由は、BTL又はホットワイヤー遮断で使用される場合である。図示する設計では、大きなキャパシタンスは、コンデンサー525の各サイドに接続されたダイオード526および527と共に作用して、電源電圧の制限を超えた制御電圧をブート・ストラップする。さらに、コンデンサー525は、低周波帯域幅に従って、しばしば選ばれる。
抵抗器531および532は強健さを増加させるために選ばれる。それらは回路において、動作アクションをしていない。図は、1セットのスケーリング抵抗器502a−eを示しており、これらは、制御回路500の電流生成部分において、電流の大きさをセットするために使用される。
本発明は、少数の実施形態に関して主として上述のように開示された。しかしながら、追加されたクレームによって定義されるように、当業者によって容易に評価されるように、上記に示されたもの以外の実施形態は本発明の範囲内で同じように可能である。クレームでは、かっこの間に置かれた何らかの引用符号も、クレームを制限することとして解釈されないものとする。「備えた」という文言は、クレームでリストされた他のエレメントあるいはステップの存在を除外しない。エレメントに先行する文言「1つの”a”」あるいは「1つの”an”」は、複数のそのようなエレメントの存在を除外しない。