JP3346579B2 - 強化カスケード制御方法によるパルス変調電力増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、パルス変調器と変調信号を増幅する電力増
幅ステージとを備え、電力増幅ステージの出力が復調フ
ィルタ中で低域濾波され、アナログ出力を得てユーザに
送られる、音声周波数領域用の電力増幅器に関する。

背景 上記の領域の周波数用の市販の電力増幅器のほぼすべ
てはリニア・アナログ型で、クラスＡ、AB、Ｂの３種類
がある。このような増幅器の出力トランジスタはリニア
領域で動作するため、効率が悪く、かなりの量の熱を放
出する。基本的なパルス変調（「ディジタル」）スイッ
チング・クラスＤの電力増幅器による方法は、理論上、
もっと効率がよく、増幅器のボリュームおよび発熱が減
少する。このような効率上の利点があるにもかかわら
ず、この分野の従来技術では、一般的に使用可能で、ア
ナログ増幅器に直接取って代わることのできる程度の音
質を持つものが出現していない。従って、ディジタル電
力増幅の使用は、出力の品質があまり問われない用途に
限られていた。この理由は、以下で従来技術における一
般的な原理を論じる際に表す。

従来の技術 効率のよい制御システムで、ディジタル・スイッチン
グ電力増幅器の様々なブロック内で発生するエラーをな
くすための、基本的な要件がある。基本的ディジタル電
力増幅器では、入力信号はパルス変調信号に変調され
る。スイッチング電力ステージが信号を増幅し、低域フ
ィルタが、変調され、増幅された信号を再生する。基本
的な方法は、ある範囲の従来技術の構成の基礎となって
いる。しかしながら、この方法には理想的ではない特徴
が多数ある。

− 変調器のエラーはすべて直接、負荷に送られる。

− 電力ステージのエラーはすべて直接、負荷に送られ
る。

− 電源の摂動は拒否されない。電力ステージの出力は
概して供給電圧に比例するため、供給されたリプルが音
声信号と相互変調する。

− 磁気コアの材質が理想的でないため、ポスト・フィ
ルタのエラーによってさらにひずみが生じる。

− 合計出力インピーダンスが、フィルタにより特に高
周波数で高い。

− 受動ポスト・フィルタにより負荷の変動に対する感
受性が高い。従って負荷インピーダンスが変化すると増
幅器の周波数応答にひずみが生じる。

− 温度ドリフト、コンポーネント許容差、経年変化に
対する感受性が高い。従って、制御されないディジタル
・スイッチング増幅器は耐久性が弱く、信頼性が低い。

非常に高い忠実度を得たい場合は、こうした主な問題
点を矯正することが絶対に必要である。従来技術の方法
は、単一のフィードバック・ループを有することを特徴
とする、２種類の異なる制御方法に基づいている。

１つの基本原理は、増幅器の出力をフィードバックす
ることである。しかしながら低域フィルタのポールは大
きな位相シフトを生じ、ループの設計も強く制限され
る。その結果、妥当なループ帯域幅には高いスイッチン
グ周波数が必要となる。このため、効率が低下する、上
記の第１および第２のエラーにより性能が低下するな
ど、様々な問題が生じる。

従来技術におけるフィードバックのもう１つの基本原
理は、フィルタ・ネットワークの前の単一ループ・フィ
ードバックである。これによってポスト・フィルタの位
相遅れは避けられる。しかし電力ステージの出力におけ
る周波数が高いと、フィードバック・ソースが非常にう
るさくなる可能性がある。さらに、上記のエラーの多く
は（あるいは部分的にしか）補償されない。

両方の方法における根本的な問題は、低い搬送周波
数、高いゲイン帯域幅積、およびどのような状況でも安
定した特性という、互いに相いれない要件があることで
ある。従来技術の構成には、さらに一部には制御が不十
分なことから、システムが外見上複雑になるという問題
がある。

３種類の従来技術の構成の背景資料、方法および問題
点の説明、以下の刊行物が重要である。

［１］T.Suzuki:Pulse Width Modulated Signal Am
plifier.米国特許第4021745号（1977年） ［２］K.Yokoyama:Pulse−Width Modulation Circui
t.米国特許第4531096号（1986年） ［３］B.E.Attwood:Design Parameters Important f
or the Optimization of Very High−Fidelity P
WM（Class Ｄ）Audio Amplifiers.Journal of AE
S、1983年11月、842から853ページ ［４］W.E.Taylor:Digital Audio Amplifier.米国特
許第4724396号（1988年） ［５］J.Hancook:A Class Ｄ Amplifier Using Mo
sFET's with Reduced MonorityCarrier Lifetime.
カリフォルニア州ロスアンゼルス。1991年９月21日から
25日 ［６］E.E.Solomon:Digital Power Amplifier.米国特
許第5126684号（1992年） ［７］D.P.McCorkle:Class Ｄ amplifier.ヨーロッパ
特許。公開番号557032A2（1993年） ［８］Y.Nakajima:Pulse−width Modulation amplifi
er.ヨーロッパ特許。公開番号503571A1（1993年） ［９］S.P.Leigh等.Distortion analysis and reduc
tion in ａ completely digital PWM class Ｄ
power amplifier.International Journal of Mod
eling ＆ Simulation 第14巻、第２、1994年 目的 従来技術の構成に伴う上記の問題に基づき、本発明の
第１の目的は、非常に高い電力を出力し、ひずみ（0.01
％未満）、ノイズ（100μＶ RMS未満）が非常に少な
く、かつ効率が非常に高く（90〜95％）、アイドル・ロ
スが少ないパルス変調増幅器を提供することである。

本発明の別の目的は、最新式だが複雑で信頼度の低い
回路の使用を避けることによって装置を簡単にし、かつ
生産における微調整の要件をなくすことにある。

本発明の別の重要な目的は、安定した電力供給の必要
をなくすこと、すなわち、安定化キャパシタを伴う、調
整されていない簡単なブリッジ整流器で十分であるよう
にすることにある。このようにすると、増幅器出力端子
への本線（mains）入力において、最小の複雑さで、最
高の効率が得られる。

本発明の最後の目的は、負荷の変動に対する感受性を
最小限にし、強固さと信頼性を高めることにある。

発明の概要 上記の目的は、本発明によって達成できる。第１の好
ましい実施態様では、本発明による増幅器は、スイッチ
ング電力ステージ出力から、変調器に先行する１つまた
は複数の前置増幅器ステージに送られる１つあるいは複
数のループに負のフィードバックが導入される点で独特
である。これによって、性能と安定性制御において、当
技術分野にとって新規ないくつかの利点が得られる。本
発明の別の実施態様は、ローカル・フィードバックが単
一のフィードバック経路を伴う強化カスケード構造を有
し、単一フィードバック経路が、復調フィルタ内のポー
ルが補償される位相特性をもつフィルタを含む点で独特
である。

本発明の別の実施態様は、復調フィルタの出力から１
つまたは複数の前置増幅器ステージへのフィードバック
が確立され、パルス変調（「ディジタル」）スイッチン
グ電力増幅器回路要素がフィードバック・ループの強化
カスケード構造によって囲まれ、さらに性能と安定性制
御が改善される点で独特である。

本発明の別の実施態様は、パルス変調器が、パルス変
調用の非ヒステリシス・コンパレータと、好ましくは、
第１の（ローカル）順方向経路およびフィードバック経
路に１つのポールがある２ポールを使用して実現された
高次振動ループとを備える制御自己振動変調器である点
で独特である。これによって非常に単純で安定した構成
が得られ、別の搬送周波数発生器は必要なくなる。

本発明の別の実施態様は、パルス変調器が搬送波に基
づく変調器である点で独特である。すなわち、本発明に
よる構成中で、搬送波に基づく変調器の周知の設計技術
を使用することが可能である。

本発明の別の有利な実施態様は、搬送波に基づく変調
を使用する時、増幅器とループの間の単一フィードバッ
ク経路ブロック中に、ノッチ・フィルタが提供される点
で独特である。これによって、搬送波に基づくシステム
内のシステム性能に対する搬送波周波数の影響を簡単に
除去することが可能となる。さらに、本発明の別の有利
な実施態様は、高周波数ポールを生成する構造がフィー
ドバック経路ブロック中に形成される点で独特であり、
同様の効果が得られる。

図面の簡単な説明 本発明を、以下に図面に関してさらに詳細に説明す
る。

第１図は、従来技術における既存のパルス変調（「デ
ィジタル」）スイッチング電力増幅器の原理を示す図で
ある。

第２図は、全増幅器出力をフィードバック・ソースと
して使用した単一ループ・フィードバックを伴う従来技
術の方法を示す図である。

第３図は、電力ステージ出力をフィードバック・ソー
スとして使用した単一ループ・フィードバックを伴う従
来技術を示す図である。

第４図は、スイッチング電力ステージ出力からの単一
フィードバックに基づく多変数強化カスケード・コント
ローラ（MECC）によって性能が向上したディジタル・ス
イッチング増幅器を示す、本発明の第１の実施形態に従
った全体的な構成図である。

第５図は、本発明の第２の実施形態に従った全体的な
構成図である。

第6a図および第6b図は、本発明の第１の実施形態（第
6a図）、第２の実施形態（第6b図）の、一般的な回帰的
ループ合成方法の例を示す図である。

第７図は単一フィードバックMECCの好ましい実施形態
の詳細を示す図である。

第８図は本発明の第２の好ましい実施形態の詳細、す
なわち、二重フィードバック多変数強化カスケード・コ
ントローラ（MECC）を示す図である。

第9a図および第9b図は、第７図および第８図に示され
た本発明の第１の実施形態および第２の実施形態のう
ち、好ましい二例について、ループの特性を示す図であ
る。

第10図は本発明の第３の実施形態、すなわち、第１の
ローカル・ループ内に非ヒステリシス・コンパレータお
よび追加ポールを有し、自己振動状態を安定させること
を特徴とする制御自己振動パルス変調器を示す図であ
る。

第11図は、本発明の第３の実施形態、すなわち、制御
振動パルス変調器の本質的な信号を示す図である。

第12図は、本発明の第４の実施形態、すなわち、４ト
ランジスタ・ブリッジ電力ステージを伴う実施のための
代替３レベル・パルス幅変調器の原理を示す図である。
信号は上から下へ、次の通りである。変調信号、ブリッ
ジ電力ステージ（Ａ、Ｂ）内の各位相における正規化電
圧、および正規化差分信号および共通モード出力信号
（Ａ−ＢおよびＡ＋Ｂ）である。差分信号は負荷に送ら
れる。

第13図は、代替３レベル変調器のスペクトル特性を示
す図である。出力振幅スペクトルは出力レベルに比例
し、0dBから−60dBである。

第14（ａ）図から第14（ｃ）図は、本発明の実施形態
を、250W最大電力処理能力で実行した場合の様々な性能
仕様を示すグラフである。第14（ａ）図は電力効率を示
す。250kHzのスイッチング周波数では効率は92％に達
し、50kHzのスイッチング周波数では効率は96％に達す
る。

第14（ｂ）図は、非常に低く測定された合計の高調波
ひずみ＋ノイズ（THD＋Ｎ）、100Hz、1KHz、10KHz（ト
ップ・カーブ）における出力電力の関係を示すグラフで
ある。

第14（ｃ）図は測定された増幅器ノイズを示すグラフ
である。−150dBにおけるノイズ・フロアは、RMSノイズ
・レベルでは、わずか70μＶに相当する。

詳細な説明 基本的な「ディジタル」電力増幅器が第１図に示され
ている。入力信号はパルス変調信号に変調される（1
1）。スイッチング電力ステージ（12）では変調信号が
増幅され、低域フィルタ（13）は音声波形を再生する。

従来技術における、第１のカテゴリの制御原理を第２
図に示す。これによって基本的な問題が提示される。す
なわち、妥当なゲイン帯域幅積を得ようとするとポスト
・フィルタ位相遅れがあるのにローカルな訂正スキーム
がないため非常に高いスイッチング周波数が必要とな
る。増幅器帯域幅内のすべての周波数で妥当なゲイン帯
域幅積を得ることは不可能である。

第３図は、従来技術における第２のカテゴリの制御原
理を示し、次のような基本的な問題が提示される。すな
わち、フィードバック・ソースが雑音の多いこと、ポス
ト・フィルタ・エラーが訂正されないこと、単一ループ
制御から負荷感受性が生じ、ループ・ゲイン帯域幅積が
制限されるという問題である。

第４図は、本発明の第１の実施形態を示す。基本パル
ス変調（「ディジタル」）スイッチング電力増幅器回路
要素は、フィードバック・ループの強化カスケード（あ
るいはネストされた）構造によって囲まれている。この
第１の実施形態は、（単一フィードバック）多変数強化
カスケード制御（MECC）ディジタル電力増幅器と名付け
られる。制御構造はまず、単一のフィードバック・ソー
スを有すること、第２に低域通過特性を有する単一フィ
ードバック経路Ａ（７）という特徴がある。制御構造は
単一フィードバック経路Ａと一連の順方向経路ブロック
B_iから構成されるため、実行が簡単である。好ましいル
ープ設計手順を用いると、各ループは非常に安定した一
次特性を有し、順方向経路ブロックは簡単になるという
好ましい特徴が得られる。MECCは、本技術分野において
次のような一連の新しい利点を提供する。

− 高レベルの安定性と強固さを有する高次制御システ
ム。個別に考慮される各ループは非常に安定しているた
めである。

− 強化カスケード制御方法は、ループ設計にこれまで
は未知であった自由度を提供しかつ最適化の可能性を提
供する。従って、どの周波数でもループ・ゲイン帯域幅
が等しくなり、安定性を損わずに、単一ループ・システ
ムに対して無限に増大するこが可能である。

− フィードバック経路の低域通過特性は閉ループ・ゼ
ロポール・リード特性を提供し、１つのフィルタ・ポー
ルを除いた設計が可能である。その結果、システムのグ
ローバルなフィードバックは大幅に向上する。

− 各ループは個別に、ループ・ゲインに対応する要素
によって、電力ステージエラーの感受性を低減し、シス
テムの性能を向上する（ひずみ、ノイズ等）。MECCは、
各ループの寄与分の積に対応した同等のフィードバック
を提供する。

− 複数ループを使用して連続的に向上させると、１つ
のループで実施するより、さらに効果的である。

− 各ループにおける単位ループ・ゲインの周波数は単
一ループ・システムより低減され、しかも性能は向上す
る。従ってスイッチング周波数は低減される。

− MECCでは、個別の補正装置ブロックＡおよびB_iのダ
イナミック・レンジに対する要件が低い。好ましい設計
手順を使用すると、制御システム全体の信号レベルは、
入力信号と同じレベルになる。

本発明の第２の実施形態は、２つのカスケードが密接
に接続している場合、第１の実施形態を二重フィードバ
ック多変数強化カスケード制御（MECC）構造に拡大した
ものである。全体的な構造図が第５図に示されている。
このシステムは、ローカル強化カスケードの単一低域通
過フィードバック経路によってもたらされたゼロポール
・リード特性に依存している。二重フィードバックMECC
によって、システムはさらに改善される。システム帯域
幅は、復調フィルタ帯域幅限界を超えて増大する。これ
によって音声帯域内の位相ひずみと振幅ひずみが最小限
になる。さらに、過渡応答が改善する。ポスト・フィル
タ・エラーが修正され、すなわちフィルタ・インダクタ
の直線性に対する要件が低くなる。さらに、出力インピ
ーダンスおよび負荷の変動に対する感受性が大幅に低減
される。

本発明の第３の実施形態は、強制自己振動パルス幅変
調器であり、まず変調器としての非ヒステレシス・コン
パレータ、次に、自己振動条件を決定する前進パスB1お
よびフィードバック経路Ａによって実現される高オーダ
振動ループという特徴がある。

本発明の第４の実施形態は、代替搬送波に基づいた３
レベル・パルス幅変調器で、MECCと組み合わせると魅力
的な特性がある。

本発明のさらなる実施形態としては、次のような実施
形態がある。

− ローカル・フィードバックあるいは順方向経路中で
ノッチ・フィルタおよび高周波数ポールを使用すること
により、雑音の多いフィードバックからノイズを効果的
に除去する手段。これによって、搬送波に基づくパルス
幅変調を使用する時のひずみが改善される。

− すべての出力レベルにおいて安定性と効率を高める
ための、大規模な電源調節を補償する手段。これは搬送
波に基づく変調に関連し、変調器と電力ステージのゲイ
ンは電源レール・レベルに依存する。すなわち、このよ
うな予防措置が取られなければ、電源摂動は安定性に影
響する。

第１の実施形態の説明 当技術分野にとって新規な強化カスケード制御方法
は、変調器と増幅器が広い帯域幅に渡って定数ゲインK_p
によって表されるという事実に基づいている。ローカル
・カスケードを設計する１つの一般的な回帰的方法が第
6a図に示されている。フィードバック経路は低域通過特
性を有する。

フィードバック経路の低域通過特性は、いくつかの面
で有益である。これによって閉ループ・ゼロポール位相
リード特性がもたらされ、復調フィルタの１つのポール
を除去するために非常に有効である。さらに、ポールは
電力ステージ出力から高周波数スイッチング・ノイズを
濾波するという重要な効果があり、搬送波に基づいた変
調方法を使用している時には不可欠である（本発明の第
４の実施形態）。この簡単な一実施形態において、最初
の順方向ブロックは単純ゲインであり、目的の周波数帯
域内で、一定の開ループと閉ループ・ゲインＫをもたら
す。

この式でｉ番目のブロックはポール・ゼロ特性を有
し、先行するループのゼロポール特性を補償する。

この実現により、単一ループ構成の開ループ・ゲイン
は、次の一次式によって表現される。

これをすべてのループについて示すことは容易であ
る。

閉ループ伝達関数は、ほぼ次の式で表現できる。

この指定された簡単なループ合成手順によって、第6a
図が示すように、各ループは同一で安定した一次挙動を
示す。

ループ合成には他にも多くの方法が考えられる。上記
のような回帰的設計手順をとると、目的とする帯域幅内
のすべての周波数において、カスケードされたループの
数およびループ単位ゲイン周波数に左右されない、周波
数から独立したループ・ゲインが得られる。各ループは
定数ループ・ゲインの代わりに、たとえば、インテグレ
ータを実現することも可能である。あるいは、２ポール
補償を使用して各ループを設計することも可能である。
どちらの方法も目的とする周波数帯域内で、かなり高い
が周波数に依存するループ・ゲインにつながる。

単一フィードバックMECC電力増幅器の他の変形例とし
ては、代替差分フィードバック経路Ａの使用がある。こ
れはノイズ減衰に関して最適化されており、搬送波に基
づいた変調が使用されているシステムでは不可欠であ
る。スイッチング周波数に関係するHF成分が変調器に近
づくと、音声信号の瞬間振幅に従ったパルス幅を得るこ
とは不可能になる。ノッチ・フィルタを導入することに
よって、第１の重要成分および相互変調成分を除去する
ことができる。ノッチ・フィルタをフィードバック経路
内の指定した場所に配置すると、すべてのループ内でス
イッチング基本波が効果的に除去される。さらにブロッ
クＡの中に高周波数ポールを追加すると、フィードバッ
ク経路内のスイッチング周波数の高次の高調波の二次減
衰特性が実現され、それによってノイズ減衰がさらに改
善される。ノイズ減衰回路をフィードバック経路に配置
すると、単位ループ・ゲイン周波数およびスイッチング
周波数が正しく選択されていれば、ノイズ減衰回路は各
ループ内だけでしか効果を持たないという利点もある。
ノイズ除去回路は上記の単位ループ・ゲインを上手に作
動させ、どのループの閉ループ挙動にも影響を与えな
い。

第２の好ましい実施形態の説明 本発明の第２の実施形態は、２つのカスケードが緊密
に接続されている場合、第１の実施形態を二重フィード
バック多変数強化カスケード制御（MECC）構造に拡張し
たものである。全体の構造図が第５図に示されている。
このシステムは、ローカル強化カスケードの単一低域通
過フィードバック経路によってもたらされたゼロポール
・リード特性に依存する。この実施形態は２つのフィー
ドバック・ソースを使用するため、二重フィードバック
多変数強化カスケード制御と名付けられる。第２のカス
ケードは第１のカスケードと同じ特別な特性を有し、唯
一の単一フィードバック経路Ｃと一連の順方向経路ブロ
ックD_iを有する。二重フィードバックMECCの好ましい設
計方法は、第6a図におけるローカル強化カスケードに基
づいたものであり、第6b図に示されている。主な再構成
フィルタＦ（ｓ）は二次と仮定されている。フィードバ
ック経路は定数ゲイン特性を有する。

第１ブロックの順方向ブロックD₁は単純なゲイン・ブ
ロックであり、ゲインが目的の周波数帯域にある。

この式でｉ番目の順方向ブロックはポールゼロ特性を
有する。

この簡単な回帰的設計手順によって各ループの挙動は
同じになる。第6b図において、開ループ特性HG
_i,OL（Ｓ）および閉ループ特性HG_i,CL（Ｓ）の両方が示
されている。

閉ループ伝達関数はほぼ次の式で表される。

上記の設計上の方法は説明のためのものであり、当業
者には明白な多くの拡張が可能であることを強調してお
きたい。たとえば、各ループ内の一次特性は、低周波数
域においてエラーの修正機能を向上させる。

二重フードバックMECCディジタル電力増幅器の強固さ
を最大にするためにグローバル・ループの数を最小に
し、好ましくは使用するグローバル・ループは１つだけ
にする。ひずみおよびノイズ特性の目的通りの微調整
は、主なエラーがスイッチング電力ステージブロック内
に入りこむのでローカルに修正する必要があるため、ロ
ーカル・ループの数の調整によって行われなければなら
ない。

両方の実施形態における強力な多変数強化カスケード
制御方法の基本的な利点は、変調器、電力ステージ、ポ
スト・フィルタ、および電源の設計が音声性能を犠牲に
しなくてもかなり緩和されるということである。これら
の基本的な要素は簡単な基本的構成部分で実行され、コ
ストも安く構成も簡単になる。

本発明の第１及び第２の実施形態を含む制御方法は、
パルス変調器および電力ステージの実行とは独立して機
能する。これら２ブロックの要件は、これらがアナログ
変調器基準入力を増幅し、その周波数範囲は目的とする
帯域幅より広いということだけである。従って、片面変
調あるいは両面変調、２レベル・パルス幅変調あるいは
複数レベル・パルス幅変調、あるいは、シグマ−デルタ
変調のように代替変調スキームも可能である。

本発明の第３の実施形態 MECCディジタル電力増幅器の変調器実行に関する第３
の好ましい実施形態は、本技術分野にとっては新規な制
御自己振動パルス変調器である。この方法を実施した例
が第10図に示されている。好ましい方法では、変調器と
して非ヒステレシス・コンパレータを有すること、およ
び順方向経路ブロックB₁およびフィードバック経路Ａの
双方にポールを追加して第１のローカル・ループを高次
特性を有するように変更することを特徴とする。これに
よって、制御され、安定した自己振動条件が確保され
る。さらに、目的のパルス変調効果は振動信号を信号入
力（V_i）と重ねることによって得られる。第11図は変調
器の基準ポイントにおける信号特性の例を示しており、
振動信号は入力信号と重ね合わせられている。第11図は
さらに、パルス変調効果も示す。

上記の、定周波数搬送波に基づいた方法における制御
自己振動パルス変調器の利点はいくつかある。第１に変
調器には搬送波生成器が必要ないので、非常に簡単に実
行できる。第２に、第１ローカル・ループの単位ゲイン
周波数の帯域幅は、適度のスイッチング周波数でも、広
い帯域幅制御をもたらす振動周波数である。第３に、電
源レールはもはや変調器／電力ステージの同一のゲイン
を決定しない、すなわち、大規模な電源摂動が自動的に
キャンセルされ、強化カスケード構造内の他のループの
安定性に影響を与えない。ローカル・ループの単位ゲイ
ン周波数は本来、ポジティブなフィードバックの周波数
によって決定される、すなわち、制御ループ帯域幅は、
大雑把に言って単位ゲイン周波数と搬送波周波数の間で
３倍である、既存の搬送波に基づいたシステムよりかな
り広い。

その他の実施形態 本発明のその他の実施形態としては、パルス幅変調の
使用があり、好ましくは３つの離散振幅レベルを伴う。
変調器の実装に関するこの代替実施形態を理解するため
に、第12図は本質的な時間ドメイン波形を示し、第13図
は周波数ドメイン・スペクトル振幅特性を示す。第12図
から、３レベルPWMを使用することにより、スイッチン
グ・サイクルの２つのサンプルがあるため、有効なサン
プリング周波数が二倍になることが分かる。各トランジ
スタがスイッチング周波数に等しいレートで動作するた
め、この効果は電力のロスを増大させずに得られる。従
って、３レベルPWMを使用すると、ループ帯域幅を増加
するかあるいはスイッチング周波数を減少することが可
能になる。本発明のさらなる実施形態は、MECCが定周波
数搬送波に基づいた変調と結合される場合に関し、設計
上の変更を伴うことを特徴とする。設計上の変更は以下
に説明する。電源電圧の大規模な変化を補償する手段
は、第１のローカル・ループ内のインテリジェント自動
ゲイン調節によって改善される。変調器および電力ステ
ージK_pの同等のゲインはほぼ電源電圧に比例する。従っ
て、B₁のゲインは供給電圧の変化に反比例して調整され
る。

この設計上の変更は、第１ループの特性が独立電源供
給の摂動になるため、MECCに基づくディジタル電力増幅
器をさらに安定させる効果を有する。電源電圧の大きな
摂動は安定性に影響を与えない。電源の適応調節は、電
力レール電圧のインテリジェント制御を可能にする。た
とえば、安定性を犠牲にしないで、ボリューム制御によ
って制御される。これを使用すると、すべての出力レベ
ルにおいて効率が最適化される。

さらなる実施形態として、増幅器出力上に二次濾波回
路を追加し、さらにスイッチング成分を除去する実施形
態、入力フィルタを追加し、周波数および時間における
全体的な増幅器応答を形成する実施形態がある。

第１の実施形態および第２の実施形態の例 第7a図および第7b図は単一フィードバックMECC実施形
態および二重フィードバックMECC実施形態の、具体的な
二重ループ例を示す。各ループの設計手順はそれぞれ、
第9a図および第9b図に示されている。一般的な設計手順
に比べLF性能は最適化され、一般的な方法に比べて両方
のループ内の等しいループ・ゲインは低周波数でかなり
増加している。表１は増幅器帯域幅に比例するパラメー
タ値の例を示す。

強化カスケードは既知の技術である単一ループ方法に
比べてかなり改善されているが、順方向ブロックB₂を追
加するという点から見れば、システムはそれほど複雑に
はならない。再構成フィルタはもちろんリニアであると
いうことを考えると、ローカル・フィードバックMECC実
施形態は、ハイ・エンドの仕様を実現することができ
る。B₂に等しいブロックを追加するとさらに改善され
る。本発明の第１の実施形態の代替使用例として、再構
成フィルタなしに、直接、拡声器を駆動するという例も
ある。

第7b図は、互いに密接に接続された１つのローカル・
ループと１つのグローバル・ループを伴う二重フィード
バック多変数強化カスケード制御（MECC）の実施形態で
ある。第６図に示された一般的な設計手順と異なり、ど
ちらのループもLF最適化され低周波数における両方のル
ープのループ・ゲインをかなり増加させている。表２は
増幅器帯域幅に比例したパラメータ値の例である。

二重フィードバックMECCディジタル電力増幅器が従来
技術に比べて大幅に利点があることを明らかにするため
に、第８図においては、２つの高い電力例で実施形態が
実現されている。１つは250kHzスイッチング周波数を使
用し、20kHzの全音声帯域幅をカバーする例、もう１つ
は50kHzスイッチング周波数を使用し、4kHzの低減され
た帯域幅をカバーする例である。

選ばれたパラメータは説明のためのものであり、MECC
ディジタル電力増幅器は幅広い出力電力と帯域幅上でも
良好に実行できることを強調しておきたい。第14の
（ａ）図から第14（ｃ）図は与えられた例における様々
な主な仕様を示し、得られる結果は表３にまとめてあ
る。好ましくは、Ｂ順方向ブロックを１つだけ追加し、
二重ローカル・ループを使用するとさらに望ましい改善
が可能になる。

一般的に、従来技術による方法では、忠実度、効率、
簡単さの組合せの点でこれに匹敵するものは得られな
い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−159803（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−39606（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−22869（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03F 3/217 H03F 1/34

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルス変調器と、変調信号を増幅するスイ
   ッチングステージとを備え、前記スイッチングステージ
   の出力が復調フィルタ内で低域濾波されてアナログ出力
   を得、それが消費装置に送られる、音声周波数領域用の
   パルス変調電力増幅器において、 前記スイッチングステージ出力から一つ以上の複数の先
   行する前置増幅器に導入される一つ以上の複数のループ
   からなる第１の負のフィードバックと、 前記復調フィルタのポールを補償する位相特性フィルタ
   を備え、前記スイッチングステージ出力から戻される少
   なくとも一つのフィードバックループと、 を備えたことを特徴とするパルス変調電力増幅器。
2. 【請求項２】復調フィルタの出力から１つ以上の複数の
   前置増幅器へのフィードバック・ループがさらに確立さ
   れることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
3. 【請求項３】フィードバック構成が複数ループ構成であ
   り、少なくとも１つのループは前記一つ以上の前置増幅
   器に注入されるスイッチングステージからの信号から構
   成され、他のループの少なくとも１つは、前記復調フィ
   ルタから前記電力増幅器の入力へのグローバル・フィー
   ドバックであることを特徴とする請求項１あるいは２に
   記載の電力増幅器。
4. 【請求項４】単一フィードバック経路ブロック（Ａ）を
   使用して、前記一つ以上の前置増幅器にフィードバック
   し、各ループが安定した一次特性に近づくことを特徴と
   する請求項１に記載の電力増幅器。
5. 【請求項５】前記一つ以上の前置増幅器への単一フィー
   ドバック経路ブロック（Ｃ）を使用して、各ループが安
   定した一次特性に近づくことを特徴とする請求項２に記
   載の電力増幅器。
6. 【請求項６】パルス変調器が搬送波に基づくパルス変調
   器であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載
   の電力増幅器。
7. 【請求項７】ノッチ・フィルタが増幅器およびループの
   間のフィードバック経路ブロック（Ａ）内に提供される
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の電力増
   幅器。
8. 【請求項８】フィードバック経路ブロック（Ａ）にポー
   ルが配置されていることを特徴とする請求項７記載の電
   力増幅器。
9. 【請求項９】スイッチングステージ出力に、さらにスイ
   ッチングノイズ成分を除去するための二次濾波回路が追
   加されることを特徴とする請求項１および２に記載の電
   力増幅器。
10. 【請求項１０】周波数および時間における全体的な増幅
    器応答を形成する入力フィルタが追加されることを特徴
    とする請求項１および２に記載の電力増幅器。
11. 【請求項１１】前記スイッチングステージからの負のフ
    ィードバック内の適応ゲイン調整によって、電源電圧の
    変動を補償する手段を備えたことを特徴とする請求項１
    および２に記載の電力増幅器。
12. 【請求項１２】パルス変調のための非ヒステリシス・コ
    ンパレータを備えたパルス変調器と、変調信号を増幅す
    るスイッチングステージとを備え、前記スイッチングス
    テージの出力が復調フィルタ内で低域濾波されてアナロ
    グ出力を得、それが消費装置に送られる、音声周波数領
    域用のパルス変調電力増幅器において、 前記スイッチングステージ出力から一つまたは複数の先
    行する前置増幅器に戻される一つまたは複数のループに
    導入される第１の負のフィードバックとを備え、このフ
    ィードバックが少なくとも２つのポール手段により実現
    される高次振動ループを確立することを特徴とするパル
    ス変調電力増幅器。