JP2020005019A - 電力増幅装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電力増幅装置から負荷に至るまでの装置全体の小型化を図る。【解決手段】信号Ｉn(+)と信号Ｉn(-)との差分に基づく信号Ｏut_１を出力する差動増幅器１２と、信号Ｏut_１を増幅して信号Ｏut_２aおよび信号Ｏut_２bを出力する中間増幅器２２と、信号Ｏut_２aを差動増幅器１２に帰還する帰還回路１８と、信号Ｏut_２aを電力増幅した信号Ｏut_３を出力増幅器３０と、信号Ｏut_３を差動増幅器１２に帰還する帰還回路１６ａと、を含み、信号Ｉn(-)は、帰還回路１８の出力信号と帰還回路１６ａの出力信号とを合成した信号である。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電力増幅装置に関する。
入力されるアナログ信号を高精度に増幅する電力増幅回路においては、出力信号を負帰還する技術が知られている。特に、高い利得とともに比較的大振幅の出力が要求される電力増幅回路では、差動入力段と、増幅段の２段との３段以上の多段構成で用いられる場合が多い（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−２８６５１１号公報
しかしながら、上記技術では、電力増幅装置の出力信号により負荷を駆動する場合、位相回転による影響を防止するため、電力増幅装置と負荷との間に、コイルなどのインダクターを別途設ける必要がある。このため、上記技術では、電力増幅装置から負荷に至るまでの装置全体でみた場合に、小型化が困難である、という問題があった。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る電力増幅装置は、入力信号と帰還信号との差分に基づく信号を出力する第１増幅器と、前記第１増幅器から出力された信号を電力増幅して出力する第２増幅器と、前記第２増幅器から出力された信号を前記第１増幅器に帰還する第１帰還回路と、前記第２増幅器から出力された信号を電力増幅して出力する第３増幅器と、前記第３増幅器から出力された信号を前記第１増幅器に帰還する第２帰還回路と、を具備し、前記帰還信号は、前記第１帰還回路の出力信号と前記第２帰還回路の出力信号とを合成した信号である。
実施形態に係る電力増幅装置の概略を示す図である。 実施形態に係る電力増幅装置を示す回路図である。 実施形態に係る電力増幅装置の特性を示すボード線図である。 応用例に係る電力増幅装置を示す回路図である。 参考例に係る電力増幅装置の概略を示す図である。 参考例に係る電力増幅装置を示す回路図である。 参考例に係る電力増幅装置の特性を示すボード線図である。
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態に係る電力増幅装置１ａの概略的な示すブロック図であり、図２は、電力増幅装置１ａの詳細な構成を示す回路図である。
電力増幅装置１ａは、入力端Ｉnに供給されるアナログのオーディオ信号Ｉn(+)を電力増幅し、増幅した信号（Ｏut-3を出力端Ｏutから、負荷の一例であるスピーカー１４０における一方の入力端Ｓp_１に向けて出力する。なお、スピーカー１４０における他方の入力端Ｓp_２は接地されている。
図１および図２に示されるように、電力増幅装置１ａは３段の増幅器を含む。詳細には、電力増幅装置１ａは、差動増幅器１２と中間増幅器２２と出力増幅器３０とを含む。
このうち、第１増幅器の一例である差動増幅器１２は、図２に示されるように、抵抗素子Ｒ４、トランジスターＱ１、Ｑ２および定電流源Ｉ１を含み、信号Ｉn(+)と信号Ｉn(-)との差分電圧を増幅した信号Ｏut_１を出力する。
第２増幅器の一例である中間増幅器２２は、抵抗素子Ｒ５、トランジスターＱ３、電圧源Ｖ１および定電流源Ｉ２を含み、信号Ｏut_１の利得を高めた信号Ｏut_２aと、信号Ｏut_２aを電圧源Ｖ１の電圧分だけ低位側にシフトした信号Ｏut_２bとを出力する。
なお、中間増幅器２２から出力される信号Ｏut_２aは、出力増幅器３０への入力信号として供給される一方、帰還回路１８を介し差動増幅器１２に帰還される。第１帰還回路の一例である帰還回路１８は、キャパシターＣ３を含み、信号Ｏut_２aの直流成分をカットして、差動増幅器１２に帰還する。
第３増幅器の一例である出力増幅器３０は、トランジスターＱ６、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９、抵抗素子Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９およびＲ１０を含む。このうち、トランジスターＱ６およびＱ８と、トランジスターＱ７およびＱ９とが、それぞれダーリントン接続される。また、トランジスターＱ６およびＱ８が主に正側の動作領域で駆動され、トランジスターＱ７およびＱ９が主に負側の動作領域で駆動されるので、トランジスターＱ６、Ｑ７、Ｑ８およびＱ９は、いわゆるプッシュプルで駆動される。
また、正側のトランジスターＱ８には信号Ｏut_２aが入力され、負側のトランジスターＱ９には、信号Ｏut_２を低位側にレベルシフトした信号Ｏut_２bが入力されるので、プッシュプル駆動における正側と負側とで動作領域が一部重なる。このため、出力増幅器３０では、いわゆるクロスオーバー歪みが抑えられる。なお、出力増幅器３０における各トランジスターは、ＡＢ級で動作することになるが、動作領域の重なりを広くしてＡ級で動作させても良い。
出力増幅器３０から出力される信号Ｏut_3は、電力増幅装置１ａの出力信号として出力端Ｏutからスピーカー１４０に向けて出力される一方、帰還回路１６ａを介し差動増幅器１２に帰還される。第２帰還回路の一例である帰還回路１６ａは、キャパシターＣ４、抵抗素子Ｒ６およびＲ１９を含み、信号Ｏut_３の電圧を減衰するとともに位相を調整して、差動増幅器１２に帰還する。
差動増幅器１２に帰還される信号Ｉn(-)は、信号Ｏut_２の直流成分をカットした信号と、信号Ｏut_３の電圧を減衰するとともに位相を調整した信号とを合成した信号となる。
なお、差動増幅器１２、中間増幅器２２および出力増幅器３０において、高位側の電源は、電圧ゼロの接地電位よりも電圧源Ｖ２の電圧だけ高位の電圧であり、低位側の電源は、接地電位よりも電圧源Ｖ３の電圧だけ低位の電圧である。
また、出力端Ｏutと接地電位との間には、スピーカー１４０の負荷に合わせて、キャパシターＣ６および抵抗素子Ｒ１２が直列に接続されている。
ここで、電力増幅装置１ａの有利性を説明するための参考例について説明する。
図５は、参考例に係る電力増幅装置１ｂの概略的な示すブロック図であり、図６は、電力増幅装置１ｂの詳細な構成を示す回路図である。
図６が図２と相違する点は、位相補正回路１４および２４を有する点、帰還回路１８を有さない点、出力端Ｏutとスピーカー１４０の入力端Ｓp-１との間にコイル６０が電気的に挿入されている点、および、帰還回路１６ａが帰還回路１６ｂに置き換わっている点である。なお、帰還経路１６ｂは、抵抗素子Ｒ６に対して並列にキャパシターＣ５を接続した構成である。
位相補正回路１４は、抵抗素子Ｒ１およびキャパシターＣ１を含み、差動増幅器１２から出力される信号Ｏut_１の位相を補正する。位相補正回路２４は、キャパシターＣ２を含み、中間増幅器２２から出力される信号Ｏut_２aの位相を補正する。
なお、位相補正回路２４は、位相補正回路１４と同様に、抵抗素子を含んでも良い。また、信号Ｏut_２bは、信号Ｏut_２aを低位側にレベルシフトした関係にあるため、信号Ｏut_２bの位相についても位相補正回路２４によって補正されることになる。
図５における増幅器１０は、図６における差動増幅器１２と位相補正回路１４とを含む集合体を簡易的に表記したものである。同様に、図５における増幅器２０は、図６における中間増幅器２２と位相補正回路２４とを含む集合体を簡易的に表記したものである。
図７は、参考例に係る電力増幅装置１ｂの帰還利得（フィードバックゲイン）特性と位相特性とを周波数との関係で示すボード線図である。
この図に示されるように、電力増幅装置１ｂにおいて帰還利得がゼロ付近となる領域Ｍｂの周波数は、比較的高い。したがって、電力増幅装置１ｂでは、出力される信号Ｏut_3によってスピーカー１４０のような負荷を駆動する場合、負荷の容量性による影響（位相遅れによる発振など）を少なくするために、コイル６０を出力端Ｏutと負荷と間に直列に設ける必要がある。
図３は、実施形態に係る電力増幅装置１ａの帰還利得特性と位相特性とを示すボード線図である。
この図に示されるように、電力増幅装置１ａにおいてループゲインがゼロ付近となる領域Ｍａの周波数は、比較的低い。すなわち、本実施形態では、出力増幅器３０から出力される信号Ｏut_３に加えて、中間増幅器２２から出力される信号Ｏut_２も差動増幅器１２に帰還されるので、出力増幅器３０からの帰還利得が、周波数が高くなる領域では低下する。
したがって、電力増幅装置１ａでは、信号Ｏut_3によってスピーカー１４０のような負荷を駆動する場合でも、負荷の容量性による影響が少ないので、コイル６０を設ける必要がなくなる。このため、電力増幅装置１ａからスピーカー１４０に至るまでの装置全体でみた場合に、小型化が容易となる。
また、電力増幅装置１ａの単体でみた場合でも、電力増幅装置１ｂと比較して、位相補正回路１４が不要であるので、装置が簡略化される。
図４は、電力増幅装置１ａの応用例に係る回路図を示す図である。この図に示されるように、電力増幅装置１ａは、差動増幅器２２から出力される信号Ｏut_２aの位相を補正する位相補正回路２４を含んでも良い。
また、電力増幅装置１ａにおいて、入力端Ｉnに入力されるオーディオ信号Ｉn(+)は、アナログに限られずデジタルであっても良い。デジタルのオーディオ信号Ｉn(+)が入力される場合には、Ｄ／Ａ変換器によりアナログ信号に変換した上で、差動増幅器１２に入力させる構成とすれば良い。
電力増幅装置１ａにおいて、増幅器の段数は「４」以上であっても良い。
電力増幅装置１ａは、スピーカーと一体型のオーディオ装置に内蔵されても良い。
１ａ…電力増幅装置、１２…差動増幅器（第１増幅器）、１６ａ…帰還回路（第２帰還回路）、１８…帰還回路（第１帰還回路）、２２…中間増幅器（第２増幅器）、３０…出力増幅器（第３増幅器）、１４０…スピーカー、Ｒ６…抵抗素子、Ｃ３…キャパシター。

Claims (4)

  1. 入力信号と帰還信号との差分に基づく信号を出力する第１増幅器と、
    前記第１増幅器から出力された信号を電力増幅して出力する第２増幅器と、
    前記第２増幅器から出力された信号を前記第１増幅器に帰還する第１帰還回路と、
    前記第２増幅器から出力された信号を電力増幅して出力する第３増幅器と、
    前記第３増幅器から出力された信号を前記第１増幅器に帰還する第２帰還回路と、
    を具備し、
    前記帰還信号は、前記第１帰還回路の出力信号と前記第２帰還回路の出力信号とを合成した信号である
    電力増幅装置。
  2. 前記第１帰還回路は、キャパシターを含み、
    前記第２帰還回路は、抵抗素子を含む、
    請求項１に記載の電力増幅装置。
  3. 前記第２増幅器から出力された信号の位相を補正する位相補正回路を有する
    請求項１または２に記載の電力増幅装置。
  4. 前記入力信号はアナログのオーディオ信号である
    請求項１、２または３に記載の電力増幅装置。
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