JP3080497B2 - 低音補償特性自動制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば小型のスピー
カシステム等に適用して好適な低音補償特性自動制御回
路に関する。

【０００２】

【従来の技術】小形のスピーカシステムにおいては、パ
ワーアンプの出力電圧、すなわちスピーカのボイスコイ
ル端子電圧を低周波数域で増強してスピーカを駆動する
ことにより、再生帯域の低音限界を拡げる方法が多くと
られている。具体的には、パワーアンプの入力段に低域
上昇特性を持つイコライザを挿入し、スピーカの低音の
不足分を電気的な駆動パワーを増強して補償する方法で
ある。

【０００３】この方法において、イコライザへの入力信
号レベルを大きくして、スピーカの出力音圧を上げてい
くと、イコライザの低音補償特性が固定されている場合
には、パワーアンプの入力信号レベルが補償する低周波
数域で過大となり、パワーアンプでクリッピング歪を生
じる。つまり、歪が許容できる出力音圧、すなわち聴取
音量がパワーアンプの定格出力パワーによって制限され
る。

【０００４】そのため、パワーアンプの定格出力パワー
が小さい場合、小音量で聴くときには低音まで歪まずに
再生できても、少し音量を上げると低音で歪を発生し聴
取音量を上げられない問題が生ずる。

【０００５】こうした問題を解決する手段として、従
来、イコライザの低域補償特性の補償量を入力信号レベ
ルに応じて変える方法、つまり入力信号レベルが高くな
るに従って補償量が減少するようなレベル制御を行う方
法がとられている。この方法によれば、入力信号レベル
を上げていくと、低音再生限界が狭くなる反面、歪を許
容し得る出力音圧を上げることができる。

【０００６】図７は、低音補償特性自動制御回路が接続
された従来のスピーカシステムの一例を示している。同
図において、１ａ，１ｂはオーディオ信号が供給される
入力端子、２は音量調整用の可変抵抗器、３は低音補償
特性自動制御回路、４はパワーアンプ、５はスピーカで
ある。

【０００７】この場合、低周波数域での補償量を決定す
る制御回路３を構成するトランジスタのインピーダンス
値がパワーアンプ４の出力レベルで制御されて変化する
ため、、図８に出力電圧周波数特性を示すようにパワー
アンプ４の出力電圧が増大するにつれて補償量が減少す
るように働く。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図７に示す制御回路３
の構成では、低域上昇特性から平坦特性までが制御の限
界であった。

【０００９】この発明は、入力信号レベルの増大に伴っ
て低域上昇特性から平坦特性または低域低下特性まで自
動的に制御変化する低音補償特性自動制御回路を提供す
るものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、オーディオ
帯域を２分割する一次のバタワース特性を有する低域フ
ィルタと高域フィルタとを備え、入力信号の所定レベル
範囲内で出力レベルを圧縮制御するレベル圧縮特性を有
すると共に遮断周波数が圧縮量に応じて変化するように
低域フィルタを構成し、所定の遮断周波数を有すると共
に所定の減衰を持たせて出力信号を取り出すように高域
フィルタを構成し、低域フィルタおよび高域フィルタに
同一のオーディオ信号を入力すると共に、これら低域フ
ィルタおよび高域フィルタの出力信号を電気的に合成し
て出力信号とすることにより、伝達関数の振幅周波数特
性が入力信号レベルの増大に伴って低域上昇特性から平
坦特性または低域低下特性まで自動的に制御変化するも
のである。

【００１１】

【作用】この発明においては、同一のオーディオ信号が
入力される低域フィルタおよび高域フィルタの出力信号
を電気的に合成して出力信号を得るものであり、低域フ
ィルタの出力電圧周波数特性との関連で高域フィルタの
減衰率および遮断周波数を調整することで、入力信号レ
ベルが高くなる場合の振幅周波数特性を平坦特性または
低域低下特性（複数段階）に任意に設定することが可能
となる。

【００１２】

【実施例】以下、図１を参照しながら、この発明の一実
施例について説明する。

【００１３】同図において、１１ａ，１１ｂは入力オー
ディオ信号が供給される入力端子であり、１２ａ，１２
ｂは低音補償された出力オーディオ信号が得られる出力
端子である。入力端子１１ｂおよび出力端子１２ｂはそ
れぞれ接地側端子である。

【００１４】１３は低域フィルタ（ＬＰＦ）であり、こ
の低域フィルタ１３には入力端子１１ａ，１１ｂより入
力オーディオ信号が供給される。すなわち、入力端子１
１ａは抵抗器１４およびコンデンサ１５の直列回路を介
して接地される。また、コンデンサ１５と並列に抵抗器
１６およびＮＰＮ形トランジスタ１７の直列回路が接続
される。この低域フィルタ１３のフィルタ特性は、減衰
域の減衰率が−６ｄＢ／ｏｃｔの一次のバタワース特性
である。

【００１５】１８は高域フィルタ（ＨＰＦ）であり、こ
の高域フィルタ１８には入力端子１１ａ，１１ｂより入
力オーディオ信号が供給される。すなわち、入力端子１
１ａはコンデンサ１９、抵抗器２０および２１の直列回
路を介して接地される。この高域フィルタ１８のフィル
タ特性は、減衰域の減衰率が−６ｄＢ／ｏｃｔのバタワ
ース特性である。

【００１６】低域フィルタ１３の出力信号、すなわち抵
抗器１４およびコンデンサ１５の接続点に得られる信号
および高域フィルタ１８の出力信号、すなわち分圧用の
抵抗器２０および２１の接続点に得られる信号はそれぞ
れ合成器２２に供給されて合成され、出力端子１２ａに
出力オーディオ信号として導出される。

【００１７】入力端子１１ａに供給される入力オーディ
オ信号は切換スイッチ２３のａ側の固定端子に供給さ
れ、そのｂ側の固定端子には低域フィルタ１３の出力信
号が供給される。この切換スイッチ２３の出力信号は制
御信号生成回路２４に供給される。この制御信号生成回
路２４では、入力オーディオ信号または低域フィルタ１
３の出力信号のレベルに応じて、低域フィルタ１３のト
ランジスタ１７のエミッタ−コレクタ間の抵抗値を制御
変化させる制御信号が生成される。

【００１８】すなわち、切換スイッチ２３の出力信号は
アンプ２５で増幅されたのち、コンデンサ２６，２７、
ダイオード２８，２９よりなる倍電圧ピーク整流回路に
供給される。アンプ２５の増幅度は適正な制御特性が得
られる適値に設定される。倍電圧ピーク整流回路の出力
信号は抵抗器３０を介して低域フィルタ１３のトランジ
スタ１７のベースに上述した制御信号として供給され
る。抵抗器３０はトランジスタ１７のベース電圧Ｖｂを
適値に設定するためのものである。

【００１９】ここで、コンデンサ２７の容量とアンプ２
５の出力抵抗およびダイオード２９の順方向抵抗とで制
御開始時間が決定される。また、コンデンサ２７の容量
とダイオード２９の逆方向抵抗とで制御復帰時間が決定
される。

【００２０】なお、切換スイッチ２３がａ側に接続され
るとき、制御信号生成回路２４には入力オーディオ信号
が供給され、いわゆる前動形の制御動作が行なわれる。
一方、切換スイッチ２３がｂ側に接続されるとき、制御
信号生成回路２４には低域フィルタ１３の出力信号が供
給され、後動形の制御動作が行なわれる。

【００２１】次に、低域フィルタ１３および高域フィル
タ１８の特性および合成条件を詳細に説明する。 （Ａ）低域フィルタ１３の出力レベル圧縮制御特性 抵抗器１４，１６の抵抗値をそれぞれＲ1，Ｒ0、コンデ
ンサ１５の容量値をＣ1、トランジスタ１７のエミッタ
−コレクタ間の抵抗値をＲｔとし、また入力信号電圧を
Ｅ、出力信号電圧をＶLとすると、低域フィルタ１３の
等価回路は図２に示すようになる。

【００２２】図２より、出力信号電圧ＶLは数１で表わ
される。

【００２３】

【数１】

【００２４】数１において、ＲｘはＲ1と（Ｒ0＋Ｒｔ）
の並列合成抵抗値であり、数２で表わされる。

【００２５】

【数２】

【００２６】数１において、Ｅ・Ｒｘ／Ｒ1は、ωＣ1Ｒ
ｘ＜１を満たす低い周波数での出力信号電圧であり、圧
縮特性を持っている。また、１／（１＋ｊωＣ1Ｒｘ）
は、低域フィルタ特性を有し、Ｒｘの変化に対応して遮
断周波数が変化する。ここで、遮断周波数は、周知のよ
うにフィルタの出力電圧レベルが通常帯域での平坦特性
から３ｄＢ低下する周波数である。

【００２７】まず、通過帯域の低周波数域での出力信号
電圧のレベル圧縮特性について説明する。

【００２８】一般に、シリコントランジスタのエミッタ
−コレクタ間の抵抗値Ｒｔは、ベース電圧Ｖｂがおよそ
０．６Ｖ以下では殆ど無限大に近い値となる。しかし、
Ｖｂが０．６Ｖ以上になるとＲｔは急激に減少し、Ｖｂ
が１．５〜２Ｖ以上ではＲｔは数１００Ω程度の低い値
を保つようになる。シリコントランジスタはこうした性
質を有するので、従来簡易なレベル制御用の制御素子と
しても用いられてきている。

【００２９】ベース電圧Ｖｂは、上述したように制御信
号生成回路２４で生成され、低域フィルタ１３の入力信
号または出力信号のレベル、すなわち大きさに対応した
直流電圧である。ここで、Ｖｂは、入力信号が正弦波の
場合には、信号レベルに対応した一定値の直流電圧であ
るが、一般のオーディオ信号の場合には時間的に大きさ
が変化する直流電圧である。

【００３０】入力信号を制御信号に用いる前動形（切換
スイッチ２３をａ側に接続）の場合には、Ｖｂは入力信
号レベルに比例するが、制御された出力信号を制御信号
に用いる後動形（切換スイッチ２３をｂ側に接続）の場
合には、Ｖｂは入力信号レベルとは比例関係にない。し
かし、両者いづれの場合であっても、Ｖｂは入力信号レ
ベルに依存している。

【００３１】以下、入力信号が正弦波の場合について、
Ｅ・Ｒｘ／Ｒ1のレベル圧縮特性を説明する。

【００３２】Ｖｂが制御開始電圧（約０．６Ｖ）になる
入力信号電圧をＥ1とすると、この状態ではＲｔが殆ど
無限大に近い値となっているので、Ｒｘ＝Ｒ1となる。

【００３３】したがって、入力信号電圧がＥ1のときに
は、低周波数域での出力信号電圧ＶL1′は、数３で表わ
される。

【００３４】

【数３】

【００３５】次に、入力信号レベルが高くなって、Ｖｂ
が１．５〜２Ｖ位になると、ＲｔはＲ0に比べて無視で
きる程度の小さな値になる。したがって、数２において
ＲｔをＲ0に対して省略すると、数４で表わされる。

【００３６】

【数４】

【００３７】そこで、この状態での入力信号電圧をＥ2
とすると、低周波数域での出力信号電圧ＶL2′は、数５
で表わされる。

【００３８】

【数５】

【００３９】数５から明らかなように、ＶL2′は、Ｅ2
なる電圧が、１／（１＋Ｒ1／Ｒ0）に圧縮される。

【００４０】一般に、レベル圧縮においては、入力信号
電圧をＥ、圧縮された出力信号電圧をＶ0、入力信号の
制御開始電圧をＥ1とし、レベル圧縮比をｎとすると、
数６で定義される。

【００４１】

【数６】

【００４２】数６の両辺の対数をとることでｎは数７で
表わされ、レベル圧縮比は、ｎ：１と表示される。

【００４３】

【数７】

【００４４】したがって、入力信号電圧がＥ2のときの
レベル圧縮比ｎ2は、数３、数５および数７より、数８
で表わされる。

【００４５】

【数８】

【００４６】入力信号電圧がＥ1からＥ2の範囲に亘って
レベル圧縮比が一定値（ｎ2）となるのが理想的であ
る。しかし、一定の圧縮比が得られるかどうかは、トラ
ンジスタ１７のエミッタ−コレクタ間の抵抗値Ｒｔのベ
ース電圧Ｖｂによる制御特性に依存する。

【００４７】図３は、入力信号レベルが制御開始レベル
から１２ｄＢ高いレベルまでの範囲で、４：１の一定値
のレベル圧縮比をもつ場合のレベル圧縮特性の一例であ
る。 （Ｂ）低域フィルタ１３の出力電圧周波数特性 低域フィルタ１３の低周波数域、すなわち通過帯域での
出力レベル圧縮特性については、上述した通りである。

【００４８】そこで、低域フィルタ１３の全周波数域で
の出力電圧周波数特性が入力信号電圧Ｅによってどのよ
うに変化するかを説明する。

【００４９】まず、入力信号電圧Ｅが制御開始電圧であ
るＥ1においては、Ｒｘ＝Ｒ1であるから、出力信号電圧
ＶL1は、数１より、数９で表わされる。

【００５０】

【数９】

【００５１】数９より明らかなように、ＶL1は、ωＣ1
Ｒ1<<１を満たす低周波数域ではＥ1なる一定値の出力電
圧特性となり、ωＣ1Ｒ1＝１の周波数で、｜ＶL1｜は、
Ｅ1／√２、すなわち３ｄＢ低下し、それより高い周波
数では周波数に比例して低下する一次のバタワース特性
となる。ωＣ1Ｒ1＝１となる周波数、すなわち遮断周波
数ｆL1は、数１０で表わされる。

【００５２】

【数１０】

【００５３】次に、入力信号電圧ＥがＥ2になるとＲｘ
は数４で表されるので、入力信号電圧ＥがＥ2のときの
出力信号電圧ＶL2は、数１１で表わされる。

【００５４】

【数１１】

【００５５】数１１から明らかなように、ＶL2はＥ2が
１／（１＋Ｒ1／Ｒ0）に圧縮されたものとなる。また、
遮断周波数ｆL2は数１２で表わされ、ｆL1の（１＋Ｒ1
／Ｒ0）倍高い周波数となる。

【００５６】

【数１２】

【００５７】以上は、入力信号電圧ＥがＥ1とＥ2の場合
であるが、レベル圧縮比が、Ｅ1からＥ2の範囲でｎ：１
の一定値をとる場合には、数１のＥ・Ｒｘ／Ｒ1をＶL′
とおくと、数６より数１３となって、数１４の関係があ
る。

【００５８】

【数１３】

【００５９】

【数１４】

【００６０】数１４を変形すると、数１５となる。ただ
し、ＥはＥ1からＥ2の範囲である。

【００６１】

【数１５】

【００６２】数１６は、Ｒｘが数１６の関係に従って変
化すれば、入力信号電圧ＥがＥ1からＥ2の範囲内でｎ：
１のレベル圧縮比が得られることを示している。

【００６３】従って、出力信号電圧ＶLをＥ1で基準化し
たＶL／Ｅ1は、数１、数１４、数１５より、数１６で表
わされる。ただし、ＥはＥ1からＥ2の範囲である。

【００６４】

【数１６】

【００６５】数１６で表される出力電圧周波数特性につ
いて、レベル圧縮特性を図３に示した特性とし、ｆL1を
１２０Ｈｚとした場合の一例を示すと、図４に実線で示
す特性になる。この特性は、入力信号電圧Ｅの制御開始
電圧（Ｅ1）からのレベル増加量が、０ｄＢ、＋４ｄ
Ｂ、＋８ｄＢ、＋１２ｄＢの場合について示したもので
ある。 （Ｃ）高域フィルタ１８の出力電圧周波数特性 コンデンサ１９の容量値をＣ4、抵抗器２０，２１の抵
抗値をそれぞれＲ3，Ｒ4とすると、図１の高域フィルタ
１８の出力電圧ＶHは、数１７で表わされる。

【００６６】

【数１７】

【００６７】数１７において、Ｅ／（１＋Ｒ3／Ｒ4）
は、高周波数域、すなわち通過帯域での出力信号電圧を
与える。また、｛｝内は、一次のバタワース特性の高域
フィルタ特性を示し、遮断周波数ｆHは、数１８で表わ
される。

【００６８】

【数１８】

【００６９】したがって、数１７、数１８より、ＶH／
Ｅ1は数１９で表わされる。

【００７０】

【数１９】

【００７１】（Ｄ）低域フィルタ１３および高域フィル
タ１８の出力信号の合成条件 低域フィルタ１３および高域フィルタ１８の両出力信号
を合成する条件についは、低域フィルタ１３のレベル制
御範囲の上限を与える上述した入力信号電圧Ｅ2におい
て、全帯域に亘り平坦特性となるように合成するか、あ
るいは低域低下特性となるように合成するかである。こ
のＥ2における合成出力電圧周波数特性は、高域フィル
タ１８の出力信号電圧にどれぐらいの減衰を与え、かつ
遮断周波数をいくらに設定するかで決まる。

【００７２】ｎ：１のレベル圧縮比をもつＥ1からＥ2の
範囲内の所定の入力信号電圧Ｅｘにおいて、合成出力電
圧周波数特性を平坦特性に合成するために、まず低域フ
ィルタ１３および高域フィルタ１８の通過帯域での両出
力信号電圧を等しくする条件から、高域フィルタ１８の
出力信号電圧の減衰率［１／（１＋Ｒ3／Ｒ4）］とＥｘ
／Ｅ1の関係が、数１６、数１９より数２０となり、数
２１で与えられる。

【００７３】

【数２０】

【００７４】

【数２１】

【００７５】次に、低域フィルタ１３および高域フィル
タ１８の遮断周波数を等しくする条件から、高域フィル
タの遮断周波数ｆHが、数１６、数１９より、数２２で
与えられる。

【００７６】

【数２２】

【００７７】ここで、合成出力電圧周波数特性の具体例
について以下に述べる。

【００７８】まず、レベル制御範囲の上限を与える入力
信号電圧Ｅ2において、合成出力電圧周波数特性が全帯
域で平坦特性となる具体例を示すと次のようになる。

【００７９】低域フィルタ１３の出力電圧特性を、図４
に実線で示す特性とすると、Ｅ2／Ｅ1＝４であり、ま
た、ｎ＝４であるから数２１においてＥｘ＝Ｅ2とおく
と、数２３となり、高域フィルタ１８の出力信号レベル
の所定減衰量は約−９ｄＢとなる。

【００８０】

【数２３】

【００８１】次に、高域フィルタ１８の遮断周波数ｆH
については、低域フィルタ１３の遮断周波数ｆL1が１２
０Ｈｚであるから、数２２より、 ｆH＝１２０×４^0.75＝３３９．４≒３３９Ｈｚ となる。

【００８２】図４に破線で示した特性は、上述した条件
での高域フィルタ１８の出力電圧周波数特性である。

【００８３】したがって、合成出力電圧周波数特性は、
図５に示すようになる。図５より明らかなように、合成
出力電圧周波数特性は、入力信号電圧Ｅが制御開始電圧
Ｅ1までは、図に示すような低域上昇特性をもつ低域補
償特性を維持し、Ｅ1を越えると補償量が減少し、制御
範囲の上限電圧Ｅ2において全帯域平坦特性となり、Ｅ2
よりも高い入力信号電圧Ｅでは、そのまま平坦特性を維
持するように自動制御される。

【００８４】次に、Ｅ2において、低域低下特性となる
具体例を示すと次のようになる。

【００８５】Ｅ2において低域低下特性とするには、Ｅ2
において高域フィルタ１８の通過帯域での出力信号電圧
が、低域フィルタ１３の通過帯域での出力信号電圧より
も所要の値だけ高くなるように、高域フィルタ１８の出
力信号レベルの減衰量を決めればよい。

【００８６】一例として、Ｅ2において、高域フィルタ
１８の通過帯域での出力信号レベルを、低域フィルタ１
３の通過帯域での出力信号レベルよりも２ｄＢ高くなる
ように設定すると、高域フィルタ１８の出力信号レベル
の所要減衰量は、約−９ｄＢよりも２ｄＢ少ない約−７
ｄＢとすればよい。

【００８７】この場合、合成出力電圧周波数特性は、入
力信号レベルの増大に伴って低域上昇特性から平坦特性
を経て低域低下特性となるように変化するのが望まし
い。この平坦特性となる入力信号電圧はＥ2よりも小さ
な電圧となるので、高域フィルタ１８の遮断周波数ｆH
は合成出力電圧周波数特性がＥ2で平坦特性となる場合
とは異なった周波数にする必要がある。

【００８８】このｆHについては、高域フィルタ１８の
出力信号レベルの所要減衰量が−７．０３ｄＢの条件
で、低域フィルタ１３および高域フィルタ１８の通過帯
域での出力電圧が同一となるＥｘ／Ｅ1を数２１より求
め、次いで数２２よりｆHを求めればよい。

【００８９】そこで、図４に実線で示す低域フィルタ１
３の特性を例にとると、−７．０３ｄＢの真数は０．４
４５であるから、数２１より数２４が得られ、Ｅｘ／Ｅ
1は数２５となる。

【００９０】

【数２４】

【００９１】

【数２５】

【００９２】そのため、ｆHは、数２２より、 ｆH＝１２０×２．９４^0.75＝２６９．４≒２７０（Ｈ
ｚ） と求まる。

【００９３】図６は、上記の条件での合成出力電圧周波
数特性を、入力信号電圧ＥがＥ1〜Ｅ2の範囲で示したも
のである。

【００９４】

【発明の効果】この発明によれば、同一のオーディオ信
号が入力される低域フィルタおよび高域フィルタの出力
信号を電気的に合成して出力信号を得るものであり、低
域フィルタの出力電圧周波数特性との関連で高域フィル
タの減衰率および遮断周波数を調整することで、入力信
号レベルが高くなる場合の振幅周波数特性を平坦特性ま
たは低域低下特性（複数段階）に任意に設定でき、小型
のスピーカシステムに適用して好適なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る低音補償特性自動制御回路の一
実施例を示す構成図である。

【図２】低域フィルタの等価回路を示す図である。

【図３】低域フィルタのレベル圧縮特性の一例を示す図
である。

【図４】低域フィルタおよび高域フィルタの出力電圧周
波数特性（Ｅ1で基準化）を示す図である。

【図５】低域フィルタと高域フィルタの合成出力電圧周
波数特性（Ｅ1で基準化）を示す図である。

【図６】低域フィルタと高域フィルタの合成出力電圧周
波数特性（Ｅ1で基準化）を示す図である。

【図７】従来のスピーカシステムの構成例を示す図であ
る。

【図８】従来の低音補償特性自動制御回路の出力電圧周
波数特性を示す図である。

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ 入力端子 １２ａ，１２ｂ 出力端子 １３ 低域フィルタ １８ 高域フィルタ ２２ 合成器 ２４ 制御信号生成回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 3/00 310 H04R 3/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オーディオ帯域を２分割する一次のバタ
   ワース特性を有する低域フィルタと高域フィルタとを備
   え、 入力信号の所定レベル範囲内で出力レベルを圧縮制御す
   るレベル圧縮特性を有すると共に遮断周波数が圧縮量に
   応じて変化するように上記低域フィルタを構成し、 所定の遮断周波数を有すると共に所定の減衰を持たせて
   出力信号を取り出すように上記高域フィルタを構成し、 上記低域フィルタおよび高域フィルタに同一のオーディ
   オ信号を入力すると共に、これら低域フィルタおよび高
   域フィルタの出力信号を電気的に合成して出力信号とす
   ることにより、 伝達関数の振幅周波数特性が入力信号レベルの増大に伴
   って低域上昇特性から平坦特性または低域低下特性まで
   自動的に制御変化することを特徴とする低音補償特性自
   動制御回路。