JP3593192B2

JP3593192B2 - 高効率ブリッジ増幅器

Info

Publication number: JP3593192B2
Application number: JP28785395A
Authority: JP
Inventors: エドアルド・ボッティ; ティツィアナ・マンドリーニ
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2015-10-09
Also published as: JPH08213858A; DE69429660T2; US5654668A; EP0706260B1; EP0706260A1; DE69429660D1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、１対の増幅段に生ずるシングルエンドからブリッジ形態へ及びその逆のスイッチングにより生ずる出力の電圧スパイクを効果的に防止する自己構成増幅器に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
多くの用途において、そして特に例えば設置上の厳格な要求のため本質的にコンパクトであるカーラジオ及び類似装置などのオーディオ再生装置更に携帯装置などでは、各ステレオチャンネル用の１対のラウドスピーカー（前後）を駆動するためにしばしばカッドラプルである最終増幅段の電力消費がヒートバランスの問題を生じさせる。例えば４個の２０Ｗの増幅器は約４×１２＝４８Ｗの電力消費を伴い、ある種の装置において利用できる空間が限定されているため、このような電力は装置の内部温度を増加させることなく消費されることが困難である。他方動作温度が比較的高くそのドライブが単一の装置のケース内に詰め込まれて収容されている磁気テープのカセットや光学ディスク（ＣＤ）を損傷することがある。
【０００３】
これらの装置の多くにおいて二重（又は対称）の電源がないと、例えば所謂クラスＧ形態のような、電力消費に関して高度に効果的な形態の使用が不可能になる。これらの制限を解決しあるいは同じオーディオパワー出力用に幾分かの電力消費を低減するためのこれらの限界にもかかわらず、幾つかの集積増幅器の特定の自己形態特定技術が、信号レベルに関してそれらの形態を修正することにより電力消費を最適化するために開発されている。このタイプのシステムが、両出願ともに本出願人により平成３年１１月２０日に出願された特願平３−３０４８１３号及び平成６年２月２４日に出願された特願平６−５２７５１号に開示されている。
【０００４】
特願平６−５２７５１号に開示された自己形態特定可能なブリッジ増幅器の最後で述べたように、増幅器の各対の増幅器が、他の対の他の増幅器の負荷と直列のそれ自身の負荷を駆動するためのシングルエンド増幅器として機能するような形態を有する動作段階の間、形態特定可能な各対のブリッジ増幅器の共通モードコントロールループは既知技術に従って自動的に不活性化される。増幅器のブリッジ形態の段階の間に活性化され得る共通モードコントロールループの例は、特願平３−３０４８１３号に開示されている。該出願の図４及び図５には、増幅器対Ａ１及びＡ２の共通出力ノードＣ上の一定電圧を維持するために適した分圧器Ｒ６−Ｒ６及び差動増幅器ＴＲにより構成される典型的な共通モードコントロールループが示されている。共通モードコントロールループは形態特定スイッチＦにより活性化されあるいは不活性化される。実際には該ループは、第２の増幅器Ａ２が不活性化され増幅器Ａ１がシングルエンドモードで負荷Ｌを駆動するときに不活性化される。
【０００５】
特願平６−５２７５１号に開示されたものに類似する自己形態特定ダブルブリッジ増幅器を図１に示す。２対の増幅器（ＯＰＡ＋ＦＯＰＡ−Ｆ及びＯＰＡ−ＲＯＰＡ＋Ｒ）の各々のそれぞれの共通モードコントロールループも、図１の回路ダイアグラムに示されている。各共通モードコントロールループは、既知技術に従って、それぞれの分圧器ＲＣ１−ＲＣ２（ＲＣ３−ＲＣ４）、共通モード差動増幅器Ｇｍ１（Ｇｍ２）及び形態特定スイッチＳＷＣＬ１（ＳＷＣＬ２）を含んで成っている。このような共通モードコントロールシステムは幾つかの重要な欠点を生じさせることが知られている。
【０００６】
システムが形態特定スイッチＳＷＦを開きＳＷＣを閉じて機能していると、つまり形態特定ウインドーコンパレーターによりダブルブリッジ増幅器が比較的低い出力パワー（出力シグナルの低レベル）用として形態特定されているときは、共通モードフィードバック増幅器Ｇｍ１及びＧｍ２はそれぞれの形態特定スイッチＳＷＣＬ１及びＳＷＣＬ２により実際上は不活性化される。入力信号レベルが上昇した後に形態特定ウインドーコンパレーターはダブルブリッジ構造を形成するよう形態特定スイッチにコマンドを出しつまりＳＷＦを閉じＳＷＣを開くようにコマンドを出すと、対応するスイッチＳＷＣＬ１及びＳＷＣＬ２が接地電位にスイッチする。
【０００７】
その結果、各共通モード増幅器例えばＧｍ１はそれぞれの負荷（ラウドスピーカー）を駆動する単一ブリッジを構成する演算増幅器対ＯＰＡ＋Ｆ及びＯＰＡ−Ｆに作動し、抵抗ＲＣ１及びＲＣ２の共通ノードの電圧（Ｖｃ１）を接地電位にする。図３ａに示した波形では、ノードＶｃ１がスイッチング前のある電位から接地電位にスイッチするときに、共通モードフィードバック増幅器の反転入力のこれらの遷移が増幅器の出力に突然の電圧変化を生じさせる（Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤで示した瞬間）。特願平３−３０４８１３号の図４及び図５に示されたスキームでのようなその入力を短絡するためのスイッチを使用する代わりに、共通モードコントロールループの使用禁止スイッチを共通モードフィードバック増幅器（Ｇｍ１及びＧｍ２）の出力で使用する場合にも、同様の突然の電圧変化が起こる。
【０００８】
ある形態から他の形態への各遷移で起こるこれらの突然の電圧変化は、これらが、増幅器のフィードバックループのゲイン従って歪みの減少が比較的適度である高周波数調波の範囲を含むため、増幅器のフィードバックシステムにより回復しがたい歪みを生じさせる。これらの突然の電圧変化の他の負の効果は、それらが発生することのある電磁気的乱れ（ｅｍｉ）である。
【０００９】
【発明の構成】
既知システムのこれらの問題点及び限界は本発明により解決される。１対の自己形態特定増幅器の共通モードコントロールループをスイッチにより使用可能又は使用禁止にすることにより生ずる乱れが実質的に除去されることが見出される。これは共通モードコントロールループを異なった方法で使用可能／使用禁止にすることにより達成される。本発明によると、共通モードコントロールループの使用可能／使用禁止は、形態特定スイッチと、該形態特定スイッチが開いている間に共通モード電圧の情報を保持するための蓄積キャパシタンスを使用することにより行なわれる。これは実質的に、それが最後のスイッチングの瞬間に有していたものと同じ値に共通モードコントロールノードの電圧を維持する。
【００１０】
これにより形態特定可能な増幅器の出力信号中の大きくかつ突然の電圧遷移を防止する。形態特定スイッチによりつまり共通モードコントロールループの使用可能／使用禁止を変更することにより起こされる突然の電圧変化に関する問題点の除去は、蓄積キャパシタンスが非常に小さくて良く従って容易に集積できるため、自己形態特定増幅器のシステムの回路の複雑性を全体として無視できる程度に増加させることで達成できる。
【００１１】
本開示発明の別の特徴及び利点が添付図面を参照しながら行なう引き続く重要な態様の説明を通して明らかになるであろう。図１は上述した通り、既知技術によるそれぞれの共通モードコントロールループを有するダブルブリッジ増幅器の回路を機能的に示すものである。図２は、図１の回路に類似する、形態特定スイッチに起因する乱れを抑制するための本発明による回路を機能的に示すものである。図３ａ及び３ｂは、図１の既知回路により及び図２の本発明による回路で生ずる両波形をそれぞれ示すものである。図４は、共通モードコントロールループの出力のカップリングを詳細に示すものである。図５は、本発明の自己形態特定増幅器で使用可能な共通モードフィードバック増幅器の回路ダイアグラムを示すものである。
【００１２】
図１及び図２の回路ダイアグラムの例示は、前述の本出願人による特願平６−５２７５１号で述べたタイプの例えばオーディオ再生装置のステレオチャンネル用の自己形態特定ダブルブリッジ増幅器を示す。既述の通り、増幅器の各対がスイッチＳＷＣを開きスイッチＳＷＦを閉じるようなブリッジ形態の状態にあると、増幅器の各対のそれぞれの共通モードコントロールループは、対応する形態特定スイッチＳＷＣＬ１及びＳＷＣＬ２を接地電位にスイッチすることにより使用可能になる。対応する共通モードフィードバック増幅器Ｇｍ１の共通出力ノードＶｃ１の及び反転入力の出力ＶｏｕｔＦ＋及びＶｏｕｔＦ−の波形が図３ａに示されている。図から判るように、動作のあるモードから他のモードへのスイッチングの瞬間つまりそれぞれの共通モードコントロールループの使用可能及び使用禁止の瞬間には、補償しがたい乱れと電磁気的乱れの発生を生じさせる突然の変化が出力電圧に生ずる。
【００１３】
本発明方法によると、これらの突然の電圧変化が、自己形態特定システムが動作する手法を修正し（対応する共通モードコントロールループを使用可能及び使用禁止にする）かつ共通モードコントロールループが不活性化される段階の間、つまり共通モードフィードバック増幅器（Ｇｍ１）が短絡しているときに取る共通モードコントロールノードの実際の電圧（Ｖｃ１）を、フィードバック増幅器の反転入力と接地間に接続された蓄積キャパシターに正確に蓄積させることにより、回避できる。これにより入力短絡スイッチの開閉がこれらの入力ノードで突然の電圧変化を生じさせなくなる。
【００１４】
本発明のシステムは、共通モードフィードバック差動増幅器Ｇｍ１（Ｇｍ２）の反転入力と接地間に接続された（図２に例示したように）蓄積キャパシターＣＭ１（ＣＭ２）を導入することにより、かつ自己形態特定システムが増幅器対ＯＰＡ＋Ｆ及びＯＰＡ−Ｆ（ＯＰＡ−Ｒ及びＯＰＡ＋Ｒ）のブリッジ形態をコマンドするときに共通モードフィードバック増幅器の反転入力を非反転入力と短絡させるための単純な形態特定スイッチＳＷＣＬ１（ＳＷＣＬ２）を使用することにより図２に示したように形成される。勿論、前記蓄積キャパシターＣＭ１（ＣＭ２）及び明らかなように対応する形態特定スイッチＳＷＣＬ１（ＳＷＣＬ２）も択一的に共通モードフィードバック差動増幅器Ｇｍ１（Ｇｍ２）の他の（非反転）入力に接続していても良い。この場合にも、キャパシターは形態特定スイッチの閉段階間に共通出力ノードＶｃ１（Ｖｃ２）を蓄積する。
【００１５】
ブリッジ形態特定可能な増幅器の任意の対、例えばＯＰＡ＋Ｆ及びＯＰＡ−Ｆから成る対を参照すると、スイッチＳＷＣＬ１が閉じ従って共通モードフィードバック増幅器Ｇｍ１の入力が短絡している段階では、蓄積キャパシターＣＭ１が共通モードコントロールノードＶｃ１の電圧まで充電し、これは共通モードコントロールネットワークの抵抗ＲＣ１及びＲＣ２から成る抵抗の分圧器の中間ノードに対応する。蓄積キャパシターＣＭ１はこの電圧情報を、形態特定スイッチＳＷＣＬ１が開状態に維持され従って共通モードコントロールループに作動し共通モードコントロールノードＶｃ１の電位をそれがスイッチングの瞬間に有していたと同じ値に全期間の間、保持する。図３ｂの一連の波形から判るように、本発明のシステムは、スイッチングの瞬間Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに対応する出力電圧の任意の突然の変化を除去する。
【００１６】
本発明のデバイスは容易に実現でき、これは蓄積キャパシタンスＣＭ１の値が非常に小さく従って容易に集積できるからである。勿論、増幅器の２個の自己形態特定対の一方の共通モードコントロールループ用に行なわれた考慮は、図示の自己形態特定ダブルブリッジ増幅器を構成する他の増幅器対の類似の共通モードコントロールループについても有効である。共通モードフィードバック差動増幅器の出力の増幅器対のそれぞれの形態特定可能な増幅器へのカップリングは種々の手法で実現できる。特に有効な態様が、図４の部分回路に示されている。実際に図２の機能的ダイアグラムのシングルエンドモードで機能するよう形成されることのできる増幅器の１対の演算増幅器ＯＰＡ＋Ｆのフィードバックループの抵抗Ｒ２及びＲ３は、それぞれ図４に示すように２対の抵抗Ｒ２−Ｒ２´及びＲ３−Ｒ３´を使用して更に分割できる。ＯＰＡ＋Ｆ演算増幅器の反転入力に接続された抵抗Ｒ２´及びＲ３´の共通ノードは共通モードフィードバック増幅器Ｇｍ１の出力に更に接続されている。
【００１７】
増幅器の集積を意図する場合、必然的に小さい集積エリアを必要とし従って比較的小さいキャパシタンスを有する蓄積キャパシターＣＭ１の電圧情報を保持する能力は、共通モードフィードバック増幅器Ｇｍ１の入力電流を最小にすることにより高めることができる。電界入力トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）を好ましく使用できる。好適な共通モード差動フィードバック増幅器回路が図５に概略的に示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知技術による共通モードコントロールループを有するダブルブリッジ増幅器の回路を機能的に示す回路ダイアグラム。
【図２】図１の回路に類似する、形態特定スイッチに起因する乱れを抑制するための本発明による回路を機能的に示す回路ダイアグラム。
【図３】図３ａ及び３ｂは、それぞれ図１の既知回路により及び図２の本発明による回路で生ずる両波形を示す図。
【図４】共通モードコントロールループの出力のカップリングを詳細に示す図。
【図５】本発明の自己形態特定増幅器で使用可能な共通モードフィードバック増幅器の回路ダイアグラム。
【符号の説明】
Ｇｍ１、Ｇｍ２・・・共通モード差動増幅器
ＳＷＣＬ１、ＳＷＣＬ２・・・形態特定スイッチ
ＣＭ１、ＣＭ２・・・出力キャパシター

Claims

第１の負荷を駆動するためのブリッジ形態で及び入力信号のレベルの関数として前記第１の負荷を駆動するための１対の増幅器の一方の増幅器の動作のシングルエンドモードで自己形態特定する１対の増幅器用であり、前記増幅器対の共通モードコントロールノードに接続された非反転入力及び形態特定手段によりスイッチされる反転入力を有する少なくとも１個の共通モード差動フィードバック増幅器を含んで成る共通モードコントロール回路において、
前記形態特定手段が、
前記反転入力を前記非反転入力に短絡するために適した形態特定スイッチ、
前記２個の入力の任意の一方及び前記増幅器の回路の共通電圧ノード間に接続された蓄積キャパシターを含んで成ることを特徴とする共通モードコントロール回路。
前記共通モード差動フィードバック増幅器が、１対の電界効果入力トランジスターを含んで成る請求項１に記載の共通モードコントロール回路。
前記蓄積キャパシターが前記共通モード増幅器の反転入力に接続されている請求項１に記載の共通モードコントロール回路。
前記増幅器対の前記増幅器が、少なくとも一方の前記入力信号のレベルの関数として、類似する自己形態特定増幅器対の第２の負荷と直列の前記第１の負荷をブリッジモードで駆動するためにシングルエンド動作モードで形態特定されている請求項１に記載の回路。
増幅器対の共通モードコントロールノードに接続された非反転入力及び形態特定手段によりスイッチされる反転入力を有する少なくとも１個の共通モード差動フィードバック増幅器を含んで成り、第１の負荷を駆動するためのブリッジ形態で及び入力信号のレベルの関数として前記第１の負荷を駆動するための１対の増幅器の一方の増幅器の動作のシングルエンドモードで自己形態特定する１対の増幅器の出力における突然の電圧変化の防止方法において、前記両入力が形態特定スイッチにより短絡されているときの形態の第１段階の間に、前記増幅器対の前記出力ノードの電圧を、前記共通モード差動増幅器の入力と増幅器の回路の共通電位ノード間に接続されたキャパシターに蓄積し、前記短絡スイッチが開いているときの第２の形態の段階の間に、前記キャパシターに蓄積された電圧情報を前記共通モードコントロールノードの電圧を一定に維持するために使用することを特徴とする突然の電圧変化の防止方法。