JP3801118B2 - D級増幅器 - Google Patents
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Description
【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、2 PWM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、7 AD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 (9)
- 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。
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