JP3801118B2

JP3801118B2 - Ｄ級増幅器

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Publication number: JP3801118B2
Application number: JP2002246957A
Authority: JP
Inventors: 賢一田浦; 雅之辻; 雅之石田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004088431A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は音声信号の電力増幅を主目的とするＤ級増幅器の電源変動除去に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より音声信号の電力増幅を高効率・低損失に行うことで機器の小型化を可能とする方式としてＤ級増幅が用いられてきた。また特開平１１−２６１３４７号公報および特開２００１−２９２０４０号公報に示される通り、デジタル化された音声信号を直接パルス幅変調（ＰＷＭ）信号に変換して電力スイッチに導く構成が知られている。更に、このＰＷＭ変換を行うために必要となる再量子化手段による丸め誤差をデルタシグマ変調を用いて低減する手法が知られている。
【０００３】
図１０に従来のＤ級増幅器の構成を示す。図において１はデルタシグマ変調器、２はＰＷＭ変換手段、３は電力スイッチ手段、４は低域フィルタ、５はスピーカ、１０は遅延手段、1１は減算手段、１２は積分手段、１３は再量子化手段である。
【０００４】
以上のように構成された増幅器において、デジタル音声信号は減算手段１１の一方の入力として与えられる。減算手段１１の他の入力には再量子化手段１３からの出力が１サンプル周期の遅延を与える遅延手段１０を通して与えられる。なおここでデジタル音声信号はデルタシグマ変調動作に適するよう予めオーバーサンプルされる。
【０００５】
こうして減算手段１１の出力にはデジタル音声信号入力と１サンプル周期前の再量子化手段１３との誤差が与えられる、積分手段１２ではこの誤差を積分し、これを再量子化手段１３に出力する。
再量子化手段１３では、その出力信号をＰＷＭ変調手段２に与えるに適当な精度、例えば６ビット程度に打ち切る操作を行うものである。このため再量子化手段１３の出力には入力信号と比較した場合、瞬時的には比較的大きな誤差が含まれることとなるが、この誤差は積分手段１２での累積を伴いながら帰還し補償されることにより比較的低周波数の音声信号領域では十分に低減されることとなる。
【０００６】
ＰＷＭ変調手段２では再量子化手段１３の出力に対し、その数値に対応するデューティ比率をもつ波形、即ちＰＷＭ信号を出力する。図１１は入力が６ビットの場合の出力波形の例を示すものである。この例は６ビットで表せる正負対称の数値範囲である−３１から３１までに範囲を限り、波形の１周期を６４分割して、この単位で出力のデューディ比を入力数値に対応して変えるものである。図は数値−３１に対し最小のデューティ比、数値０に対し５０％のデューティ比、数値３１に対し最大のデューティ比の波形をそれぞれ出力する様子を示している。
【０００７】
図１２は電力スイッチ手段３および低域フィルタ４の構成例を示すものであり、３０はタイミング制御手段、３１は電源側スイッチ素子、３２はグラウンド側スイッチ素子、３３はダイオード、３４はダイオード、４０はインダクタ、４１はコンデンサである。ここにタイミング制御手段３０はＰＷＭ変換手段２からの信号を受けて２つのスイッチ素子３１、３２の一方がオンとなる場合他方をオフとするための信号を生成するものであり、またスイッチ素子のターンオン、ターンオフ遅延により２つの素子が同時にオンとなることが無いよう、各スイッチ素子の駆動信号のタイミングを適当に制御するものである。
【０００８】
２つのスイッチ素子３１、３２は効率の良い増幅を行うためＭＯＳ−ＦＥＴなど内部インピーダンスの低いスイッチ素子で構成されるものである。また２つのダイオード３３、３４は低域フィルタ４が誘導性であるために発生する起電力に基づく電流を還流させるためのものである。なおスイッチ素子がＭＯＳ−ＦＥＴである場合、素子内部に寄生的にダイオードが形成されるため図のように外部にダイオードを設けない場合もある。
こうして電力スイッチ手段３は例えばＰＷＭ変換手段２出力が高レベルの期間、電源側スイッチ素子３２をオン、グラウンド側スイッチ素子３３をオフとして出力端子電圧をほぼ電源電位とし、ＰＷＭ信号が低レベルの期間、電源側スイッチ素子３２をオフ、グラウンド側スイッチ素子３３をオンとして出力端子電圧をほぼグラウンド電位とする。
【０００９】
低域フィルタ４は、電力スイッチ手段３の出力を平滑して、その低域成分のみを通過してスピーカ５に与えるものであり、簡便には、図１１に示すようにインダクタ４０およびコンデンサ４１による２次の低域フィルタとすることができる。ＰＷＭ信号はその低域成分を取り出すことで復調可能であるためスピーカ５により元の音声信号が再生されることとなる。
【００１０】
入力ｖｉが−１〜１の範囲でＰＷＭ信号のデューティ比ｄが０〜１となる。即ち、
ｄ＝０．５＋０．５・ｖｉ・・・（１）
の関係にあるとする。
このとき、ＰＷＭ信号のデューティ比をｄとし電力スイッチ手段３の電源電圧をＶｓｕｐとするとき低域フィルタの出力電圧Ｖｏは、

である。このとき出力される音声信号成分はｖｏｔとなる。
ここでｖｏｔは、
ｖｏｔ＝Ｖｓｕｐ・ｖｉ／２・・・（３）
となり、入力信号ｖｉと電力スイッチ手段３の電源電圧Ｖｓｕｐに比例するものとなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明のようにＤ級増幅器の音声信号出力は電力スイッチ手段の電源電圧に直接比例するものとなるため、Ｄ級増幅器で歪み無く増幅動作を行うためには電源電圧の変動を厳しく抑制する必要があった。このために電源の安定化を行おうとする場合、この部分での電力損失が避けられず、Ｄ級増幅器の利点である高効率・小型という特長を損なうものであった。また、これは電源電圧の変動が大きく、他の機器からの可聴周波数帯ノイズが重畳しやすい、自動車用の音響機器に適用する場合には特に大きな問題であった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる請求項１のＤ級増幅器は、デジタル音声信号を入力とする電源変動補償手段と、この電源変動補償手段出力に接続されるデルタシグマ変調手段と、このデルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段とを備えたＤ級増幅器であって、
前記電源変動補償手段が、前記ＡＤ変換手段からの検出出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段とを備えた遅延補償手段と、前記遅延補償手段の出力で定格電圧を除して補償係数を算出する補償係数演算手段と、前記補償係数演算手段の出力を前記デジタル音声信号入力に乗ずる第１の乗算手段とを備え、前記電源変動補償手段が前記電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して前記第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２のＤ級増幅器は、デジタル音声信号を入力とする電源変動補償手段と、この電源変動補償手段出力に接続されるデルタシグマ変調手段と、このデルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、この電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、前記電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段とを備えたＤ級増幅器であって、
前記電源変動補償手段が、前記ＡＤ変換手段からの検出出力に対するサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段と、この出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段とを備えた遅延補償手段と、前記遅延補償手段の出力で定格電圧を除して補償係数を算出する補償係数演算手段と、この補償係数演算手段の出力をデジタル音声信号入力に乗ずる第１の乗算手段とを備え、前記電源変動補償手段が前記電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して前記第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３のＤ級増幅器は、請求項１または請求項２に記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、前記第１および第２のＡＤ変換器の出力を加算する加算器を備えて構成されることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４のＤ級増幅器は、請求項１または請求項２に記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、加算器を備え、前記第１のＡＤ変換器出力が遅延補償手段に与えられ、この遅延補償手段の出力と第２のＡＤ変換器出力が前記加算器にて加算され、その出力が前記補償係数演算手段に与えられるよう構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項５のＤ級増幅器は、デジタル音声信号を入力とするデルタシグマ変調手段と、このデルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、この電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、前記電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段と、遅延補償手段と、前記電力スイッチへの供給電圧を供給電圧の定格値もしくは平均値で除した値を出力する正規化手段とを備え、前記デルタシグマ変調手段が減算手段と、積分手段と、再量子化手段と、遅延手段と、第２の乗算手段とを備えて構成され、前記第２の乗算手段が遅延手段から出力される帰還信号に対し前記正規化手段の出力を乗算して前記減算手段に与えることで前記電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して前記第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項６のＤ級増幅器は、請求項５に記載のＤ級増幅器において、遅延補償手段が入力信号に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を備えて構成されることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項７のＤ級増幅器は、請求項５または請求項６に記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、第１および第２のＡＤ変換器の出力を加算する加算器を備えて構成されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項８のＤ級増幅器は、請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、加算器を備え、前記第１のＡＤ変換器出力が前記遅延補償手段に与えられ、この遅延補償手段の出力と前記第２のＡＤ変換器出力が前記加算器にて加算され、その出力が前記正規化手段に与えられるよう構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項９のＤ級増幅器は、請求項５、７および８にいずれかに記載のＤ級増幅器において、
遅延補償手段が入力信号のサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段と、このノイズ低減フィルタ手段出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を備えて構成されることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
先に説明のとおり、音声信号出力ｖｏｕｔは電力スイッチ手段３の電源電圧Ｖｓｕｐに直接比例することとなる。いまＶｓｕｐを電源の定格電圧Ｖｎｏｍと変動成分Ｖｒｐｌとに分けて考える。つまり
Ｖｓｕｐ＝Ｖｎｏｍ＋Ｖｒｐｌ・・・（４）
とするとき、

となる。ここにｖｏｎは電力スイッチ手段３の電源電圧がＶｎｏｍに固定されており変動が無い場合の理想的な出力である。
【００２４】
従って、入力音声信号ｖｉに対する補償によりｖｏｎを得るためには、式（５）の括弧内の値を打ち消す、即ちｖｉに（Ｖｎｏｍ／Ｖｓｕｐ）の値を掛けてやれば良いことが分かる。
【００２５】
実施の形態１．
図１にこの発明の第一の実施形態に係る装置のブロック図を示す。図において１はデルタシグマ変調手段、２はＰＷＭ変換手段、３は電力スイッチ手段、４は第１の低域フィルタ、５はスピーカ、６は補償手段、７はＡＤ変換手段、２０は遅延補償手段、２１は補償係数演算手段、２２は第１の乗算手段である。ここに１〜５および１０〜１３は従来と同等のものであり、従来と同様の動作を行うものである。
【００２６】
このように構成されたＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段７は電力スイッチ手段３に与えられる電源電圧をデジタル信号に変換して、補償手段６に対し出力する。補償手段６では先ず遅延補償手段２０により、電源変動情報のＡＤ変換手段７やＰＷＭ変換手段における時間的な遅延を補償した後、補償係数演算手段２１にてＶｎｏｍ／Ｖｓｕｐの補償係数を求め、これを第１の乗算手段２２にて入力信号に乗ずる。
【００２７】
先に説明のとおり、以上により理想的には電源変動Ｖｒｐｌによる影響を完全に排除することができるはずである。しかしながら、このためには、電力スイッチ手段３の電源電圧の変動に対し同じタイミングで電力スイッチ手段３の入力信号が補償されなければならない。実際にはＡＤ変換手段７での一定の時間遅延があり、ＰＷＭ変換手段でもデータ変換のための一定の時間遅延がある。
【００２８】
このため、これらの遅延時間に対する補償なしに、電源変動の補償を行っても効果は限定されたものとなる。よって本発明構成は、遅延補償手段２０を備えることにより、時間遅延の影響を排除して効果的に歪み補償を行うものである。図２は遅延補償手段２０の処理内容の例を示すブロック図であり、２００、２０４、２０８、２１２および２１６は１サンプル遅延、２０１、２０３、２０５、２０７、２０９、２１１、２１３、２１５、２１７および２１９は減算処理、２０２、２０６、２１０、２１４および２１８は係数乗算処理である。
【００２９】
ここに２００と２０１は１階の差分形成手段を、２０４と２０５は２階の差分形成手段を、２０８と２０９は３階の差分形成手段を、２１２と２１３は４階の差分形成手段を、２１６と２１７は５階の差分形成手段を構成し、２０３、２０７、２１１、２１５および２１９は奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を構成する。
【００３０】
図３は、図２に示す遅延補償手段２０の効果を示すグラフであり、図４に示す遅延補償モデルによりその動作シミュレーションを行ったものである。図４において、５００はサンプリング周波数を７００ｋＨｚとして任意の周波数の正弦波データを出力するテスト信号発生処理、５０１は３サンプル遅延処理、２０は図２に示す遅延補償処理であり、５０２は元のテスト信号と遅延補償手段２０の出力との差を求める減算処理である。
【００３１】
こうして図３は、テスト信号の周波数を横軸に、減算処理５０２出力ｖｅｒｒと元の信号ｖｔｅｓｔとのレベル比をデシベル（ｄＢ）表記にて縦軸にとっている。図中１０００は比較のため遅延補償を行わない場合、即ち係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８に与える係数をすべて０とした場合の特性である。この特性から３サンプル遅延処理５０１の影響により誤差が大きく、電源変動の補償を遅延補償なしで行おうとしても、その効果が小さいことが分かる。
【００３２】
また特性１００１〜１００５は係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８に与える有効な係数の数を変えた場合のものである。特性１００５は係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８の各係数を３、６、１０、１５および２１とした例を示す。特性１００４では前記係数の内、係数乗算処理２１８の係数を０とし、特性１００３では係数乗算処理２１４および２１８の係数を０とした例である。同様に１００２および１００１も順次有効な係数を減らしテストしたものである。
【００３３】
この結果より、遅延補償処理２０を用いることにより、遅延に伴う誤差を効果的に補償でき、各種モータの駆動やパッシングランプ駆動などに伴う比較的高い周波数の電源変動成分がある場合にもその効果除去効果を保ち得ることが明かである。
【００３４】
また図２では、入力信号に対し５階までの差分を求め処理を行う構成を示したが必要とされる電源変動補償の精度に応じて、その構成を変化することができる。例えば３階までの差分を用いる構成では図中２１１〜２１８の構成要素は不要となる。また更に構成要素を増して６階以上の差分を用いる構成とすることもできる。
【００３５】
以上説明において、電源変動の検出から、これに基づきデジタル音声信号に対して行う補償の効果が電力スイッチ手段３の入力に現れるまでの時間、つまり図１においては、ＡＤ変換手段７、補償係数演算手段２１、第１の乗算手段２２、デルタシグマ変調手段１およびＰＷＭ変換手段２の各信号処理に伴う遅延の総量を３サンプル期間と想定し、その遅延を補償する場合の例を示したが、補償する遅延時間が異なる場合にも同様に補償が可能である。但しこの場合、係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８の各係数を、その遅延時間に応じて変更する必要がある。また遅延時間が大きくなる場合、図３の特性は周波数軸に対し左にシフトするため、同じ遅延補償の効果を得ようとする場合、使用する差分の階数を増してゆくことが必要となり、構成が複雑化するとともに、補正誤差としての高周波成分が出力に大きく現れることとなる。
【００３６】
よって、前記各信号処理に伴う遅延の総量をできる限り小さく抑えることが効果的な補償を行う上で望ましい。
【００３７】
図５は、補償係数演算手段２１の処理内容を示すブロック図であり、２１０は除算処理である。補償係数演算処理はＶｎｏｍ／Ｖｓｕｐの演算を行うものであり、遅延補償手段２０からは、その情報が電力スイッチに達する時点でＶｓｕｐと一致するよう補償されたデータが与えられるから、ここでの処理は定数Ｖｎｏｍを被除数とする除算処理となる。
【００３８】
こうして、この補償係数演算手段２１の出力を、乗算手段２２により音声信号データに乗ずることにより、電力スイッチ手段３の電源電圧に含まれる変動成分Ｖｒｐｌの影響を除くことで、電源の安定化を簡易化することが可能となり、構成が簡易、高効率・小型、且つ低歪みの増幅器を構成することが可能となる。
【００３９】
実施の形態２．
実施の形態１においては、ＡＤ変換手段７の変換速度と変換精度は必要な性能を満足することを前提に特に言及していない。しかしながら、実際には補償すべき遅延時間をできる限り小さくし、数サンプル時間以内にしないと遅延補償処理２０の実現が実際上困難となる。そのためには、ＡＤ変換手段７の変換速度は３００キロサンプル毎秒〜１．４メガサンプル毎秒程度が、また、変換精度は電源変動に対する補償精度を誤差０．１％以下とする場合、少なくとも誤差０．１％以下、分解能１０ｂｉｔ以上が必要となる。これらの仕様は、現在実現困難なものではないが、その回路規模が大きなものとなるため経済的ではない。
【００４０】
図６は、ＡＤ変換手段７をより経済的に実現するための構成を示すものであり、７０は高域フィルタ、７１は第１のＡＤ変換器、７２は第２の低域フィルタ、７３は第２のＡＤ変換器、７４は加算手段である。
【００４１】
図６では、入力に与えられる電力スイッチ手段３の電源電圧は、高域フィルタ７０および第２の低域フィルタ７３により、可聴周波数以下の周波数を境として、可聴周波電源変動成分と、超低周波成分を含む直流成分とに分離され、第１のＡＤ変換器７１および第２のＡＤ変換器７３とにより別個にＡＤ変換され、その結果の出力が加算手段７４にて加算出力される。
【００４２】
以上の構成において、例えば第１のＡＤ変換器７１に入力される可聴周波電源変動成分を定格電圧の＋／−１０％とする。これはＤ級増幅器の使用される多くの場合に無理のない仮定である。この条件において第１のＡＤ変換器７１の変換入力範囲は、ＡＤ変換を１個のＡＤ変換器で行う場合の変換入力範囲に対し、約０．１８（＝０．２／１．１）倍となる。このため所要の変換精度（または分解能）は約２ｂｉｔ以上低減されることとなる。
【００４３】
一方、第２の低域フィルタ７２を通過する超低周波成分を含む直流成分は、図３の遅延補償なしの特性１０００からも明らかなとおり、信号の周波数が低くなるほど遅延の影響を受けにくくなる。そのため、第２のＡＤ変換器７３については変換遅延時間に関する要求は、ＡＤ変換を１個のＡＤ変換器で行う場合に比べ緩くすることができる。
【００４４】
なお図６の構成では、第１のＡＤ変換器７１および第２のＡＤ変換器７３の出力の和を遅延補償手段２０に与えて遅延補償を行うようにしたが、低速ＡＤ変換手段７３の出力は超低周波成分を含む直流成分であるので、元来遅延補償の必要性は小さい。
【００４５】
このため図７は遅延補償を第１のＡＤ変換器７１の出力についてのみ行う構成を示すものである。図において７０〜７３の動作は既に説明のとおりであり、遅延補償手段２０に対し第１のＡＤ変換器７１の出力のみが与えられ、加算手段７４ではこの遅延補償手段２０の出力と第２のＡＤ変換器７３の出力が加算されて補償係数演算手段２１に対し出力される。
【００４６】
以上のように、第１のＡＤ変換器７１の分解能、即ち出力のビット幅を２ビット強程度小さくでき、遅延補償手段２０に要求される演算の精度もこれに伴い小さくなるので、その実現が容易となる。そのため、Ｄ級増幅器の経済的な構成に寄与するものとなる。
【００４７】
実施の形態３．
図８は遅延補償手段２０の別の実現形態を示すものである。図において２３０は図２をもって先に説明した遅延補償を行う遅延補償処理部であり、２４０は、遅延補償処理において強調されるノイズを予め低減するノイズ低減フィルタである。この様な構成を採る理由は、遅延補償処理部２３０が、図のとおり基本構造として信号の１サンプル期間の差分をとり、これに１を越える係数を掛けて元の信号に加えるものであるため、入力信号に不要なノイズがある場合、その高域成分ほど強調されて出力に現れることとなり、目的とする電源変動の補償に悪影響を与えるためである。
【００４８】
特にサンプリング周波数ｆｓの１／２周波数付近のノイズ成分については差分の階数が上がる毎にそのレベルがほぼ２倍となるため、その影響が深刻である。このためノイズ低域フィルタ２４０はｆｓ／２に伝送零点を持つようなフィルタであることが望まれる。またこのフィルタによる群遅延時間はやはり、遅延補償手段２０において補償すべき時間に加算されることとなる。この時間が大きくなる程、補償は困難となるためノイズ低域フィルタ２４０における遅延はできる限り小さいことが望まれる。
【００４９】
図８にはノイズ低域フィルタ２４０の構成例を同時に示している。図において２４１は１サンプル遅延処理、２４２および２４３は定係数乗算処理、２４４は加算処理である。なお定係数乗算処理２４２および２４３はいずれも入力に対し０．５の係数を乗算するものである。この構成のノイズ低減フィルタ２４０はｆｓ／２に伝送零点をもち、１／２サンプル時間の遅延を与えるものであり、前記の条件に合致するものとなる。
【００５０】
実施の形態４．
図９は本発明の実施の形態４を示すブロック構成図である。図において、１はデルタシグマ変調手段、２はＰＷＭ変換手段、３は電力スイッチ手段、４は第１の低域フィルタ、５はスピーカ、７はＡＤ変換手段、１０は遅延手段、1１は減算手段、１２は積分手段、１３は再量子化手段、１４は第２の乗算手段、２０は遅延補償手段、３０は正規化手段である。ここに１〜５および１０〜１３は従来と同等のものであり、従来と同様の動作を行うものである。
【００５１】
このように構成されたＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段７により検出された電力スイッチ手段３への供給電圧は、遅延補償手段２０および正規化手段３０を通して、第２の乗算手段１４の一方の入力に与えられる。正規化手段３０は電力スイッチ手段３への供給電圧Ｖｓｕｐを表す入力データに対し、電力スイッチ手段３への供給電圧の定格値もしくは平均値Ｖｎｏｍを表す値の逆数を乗じて、Ｖｓｕｐ／Ｖｎｏｍを表す数値データを出力するものである。
【００５２】
ここで第２の乗算手段１４はデルタシグマ変調手段１の帰還路に組み込まれており、そのもう一方の入力には再量子化手段１３からの帰還信号が遅延手段１０を通して与えられる。このように変形されたデルタシグマ変調手段１では、第２の乗算手段１４の出力の低周波音声信号成分がデジタル音声信号入力と実質的に等しくなるよう帰還動作が行われ、ノイズ低減作用が行われることとなる。
【００５３】
ここで第２の乗算手段１４は遅延手段１０からの帰還信号に対し、Ｖｓｕｐ／Ｖｎｏｍを乗ずるものであるから、このデルタシグマ変調手段１の作用は、これが乗算された結果をデジタル音声信号入力と実質的に等しくなるようにするものとなる。これは遅延手段１０の出力、従って再量子化手段１３の出力が元のデジタル音声信号に対し実質的にＶｎｏｍ／Ｖｓｕｐを乗じたものとなることを意味する。
【００５４】
電力スイッチ手段３における電源変動の作用は式（５）で示すとおり、電源変動の無い理想的な出力ｖｏｎに対しＶｓｕｐ／Ｖｎｏｍを乗ずるものであるから、デルタシグマ変調手段１において実質的にＶｎｏｍ／Ｖｓｕｐを乗算する作用は予め電力スイッチ手段３における電源変動の影響を補償するものとなる。
【００５５】
なお以上の説明では便宜上、電源変動のタイミングの一致については述べていないが電力スイッチ手段３における電源変動の影響が、ＡＤ変換手段７、ＰＷＭ変換手段２などの時間遅延に先行して第２の乗算処理１４において補償されるべきことは、実施の形態１にて説明のとおりであり、このために遅延補償手段２０を備えることが効果を発揮する。
【００５６】
ここで本実施の形態４ではＡＤ変換手段７で検出されたＶｓｕｐデータに対する補償のための演算、即ち正規化手段３０での処理が単に１／Ｖｎｏｍを乗ずるという乗算処理となる。Ｖｎｏｍは通常、固定値であるため１／Ｖｎｏｍもまた固定値となる。このため実施の形態１の補償係数演算手段２１の処理、つまりＶｎｏｍを変数Ｖｓｕｐで除することに比べ実現が容易となる利点がある。
【００５７】
なお本実施の形態をとる場合においても、図６および図７に示すＡＤ変換手段７および遅延補償手段２０の異なる構成方法を採ることができる。更に図２および図８に示す遅延補償手段２０の異なる構成方法をそれぞれ採ることができることは明らかである。
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５８】
この発明の請求項１のＤ級増幅器は、電源の供給電圧変動に起因して電力スイッチ手段において発生する音声信号歪みを低減するため、電源変動補償手段により予め入力音声信号に対し電源変動分を補償し、また、電源変動の検出および増幅器動作に伴う時間遅延を補償するようにしたので、電力損失の少ない電源を使用することができ、更に、時間遅延を効果的に補償する遅延補償手段を簡便な構成で実現できるので、小型、高効率、低歪み、且つ安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【００５９】
また、請求項２のＤ級増幅器は、遅延補償手段において、差分形成手段の差分階数が上がるたびに約２倍になるサンプリング周波数の１／２周波数付近のノイズ成分をサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段により除去するようにしたので、時間遅延を効果的に補償すると同時に、これによるノイズ発生を抑えるための簡便な構成を与えるため電力スイッチ手段の電源変動に起因する音声信号歪みを効果的に低減したＤ級増幅器を提供することができる。
【００６１】
また、請求項３のＤ級増幅器は、電力スイッチ手段の供給電圧を検出するＡＤ変換手段を可聴周波数電源変動成分検出用の第１のＡＤ変換器と超低周波成分を含む直流成分検出用第２のＡＤ変換器に分離したので、高速サンプルが要求される第１のＡＤ変換器の分解能を下げることができ、安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【００６２】
また、請求項４のＤ級増幅器は、電力スイッチ手段の供給電圧を検出するＡＤ変換手段を可聴周波数電源変動成分検出用の第１のＡＤ変換器と超低周波成分を含む直流成分検出用第２のＡＤ変換器に分離したので、高速サンプルが要求される第１のＡＤ変換器の分解能を下げることができ、また、第１のＡＤ変換器の出力だけを遅延補償手段で補償するようにしたので、更に安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【００６４】
また、請求項５乃至９のＤ級増幅器は、電力スイッチ手段の供給電圧変動に対する補償手段をデルタシグマ変調手段の帰還路に入れることで信号処理の負荷を軽減し、安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１乃至３のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１および２の遅延補償手段の構成例を示すブロック図である。
【図３】遅延補償手段の効果の一例を示す図である。
【図４】遅延補償手段の動作シミュレーションブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１乃至３の補償係数演算手段の構成例を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態２のＡＤ変換手段の構成例を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２のＡＤ変換手段および遅延補償手段の構成例を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態３の遅延補償手段の構成例を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態４のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図１０】従来のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図１１】ＰＷＭ変換手段の動作を説明するための図である。
【図１２】電力スイッチ手段および低域フィルタの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１デルタシグマ変調手段、２ＰＷＭ変換手段、３電力スイッチ手段、４低域フィルタ、５スピーカ、６補償手段、７ＡＤ変換手段、１０遅延手段、1１減算手段、１２積分手段、１３再量子化手段、１４第２の乗算手段、２０遅延補償手段、２１補償係数演算手段、２２第１の乗算手段。

Claims

デジタル音声信号を入力とする電源変動補償手段と、この電源変動補償手段出力に接続されるデルタシグマ変調手段と、このデルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段とを備えたＤ級増幅器において、
前記電源変動補償手段が、前記ＡＤ変換手段からの検出出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段とを備えた遅延補償手段と、前記遅延補償手段の出力で定格電圧を除して補償係数を算出する補償係数演算手段と、前記補償係数演算手段の出力を前記デジタル音声信号入力に乗ずる第１の乗算手段とを備え、
前記電源変動補償手段が前記電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して前記第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とするＤ級増幅器。
デジタル音声信号を入力とする電源変動補償手段と、この電源変動補償手段出力に接続されるデルタシグマ変調手段と、このデルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、この電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、前記電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段とを備えたＤ級増幅器において、
前記電源変動補償手段が、前記ＡＤ変換手段からの検出出力に対するサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段と、この出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段とを備えた遅延補償手段と、前記遅延補償手段の出力で定格電圧を除して補償係数を算出する補償係数演算手段と、この補償係数演算手段の出力をデジタル音声信号入力に乗ずる第１の乗算手段とを備え、
前記電源変動補償手段が前記電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して前記第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とするＤ級増幅器。
ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、前記第１および第２のＡＤ変換器の出力を加算する加算器を備えて構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＤ級増幅器。
ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、加算器を備え、前記第１のＡＤ変換器出力が遅延補償手段に与えられ、この遅延補償手段の出力と第２のＡＤ変換器出力が前記加算器にて加算され、その出力が前記補償係数演算手段に与えられるよう構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＤ級増幅器。
デジタル音声信号を入力とするデルタシグマ変調手段と、このデルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、この電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、前記電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段と、遅延補償手段と、前記電力スイッチへの供給電圧を供給電圧の定格値もしくは平均値で除した値を出力する正規化手段とを備え、前記デルタシグマ変調手段が減算手段と、積分手段と、再量子化手段と、遅延手段と、第２の乗算手段とを備えて構成され、前記第２の乗算手段が遅延手段から出力される帰還信号に対し前記正規化手段の出力を乗算して前記減算手段に与えることで前記電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して前記第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とするＤ級増幅器。
遅延補償手段が入力信号に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を備えて構成されることを特徴とする請求項５に記載のＤ級増幅器。
ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、第１および第２のＡＤ変換器の出力を加算する加算器を備えて構成されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のＤ級増幅器。
ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、加算器を備え、前記第１のＡＤ変換器出力が前記遅延補償手段に与えられ、この遅延補償手段の出力と前記第２のＡＤ変換器出力が前記加算器にて加算され、その出力が前記正規化手段に与えられるよう構成されることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のＤ級増幅器。
遅延補償手段が入力信号のサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段と、このノイズ低減フィルタ手段出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する前記係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を備えて構成されることを特徴とする請求項５、７および請求項８のいずれかに記載のＤ級増幅器。