JP3811030B2 - Digital amplifier - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタルアンプにかかり、特に入力アナログ信号をPWM(Pulse Width Modulation)信号に変換して増幅するPWM方式のデジタルアンプに関する。
【0002】
【従来の技術】
デジタルアンプについては各種の方式が提案されているが大きく分けると次の2種になる。すなわち、PWM信号による方式と、ΔΣ変調方式で代表される1ビット信号による方式である。このうちPWM信号によるデジタルアンプでは、入力となるアナログ信号を三角波や鋸歯状波からなる基準信号と比較して、PWM信号を得る方式が広く知られている。
【0003】
図7は、前記PWM変調方式を用いた従来のデジタルアンプを示す図である。図において、1はアナログ信号を入力するアナログ信号入力端子、2はアナログ信号の入力レベルを調整する可変抵抗器、3は入力アンプ、4はリミッタであり、過大なレベルのアナログ信号による過変調を防止する。5は鋸歯状波等の三角波からなる基準波を発生する基準波発生回路、6は前記リミッタの出力信号と基準信号を比較して比較出力(PWM信号)を生成するコンパレータ、7はドライバ、8はスイッチングアンプであり、前記PWM信号を増幅する。9はLPFであり、ノイズを除去して増幅された前記アナログ信号を出力し、スピーカ10を駆動する。
【0004】
図8は、前記リミッタ4の詳細を示す図である。図において、1はオペアンプ、2,3は抵抗、4,5はオペアンプ1の出力を制限するツェナーダイオードである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記リミッタを用いて過変調を防止する方式では、例えば、クラシック音楽のように平均レベルが比較的低く、かつピークレベルが比較的高い音楽信号を、最大出力が小さいオーディオ装置で再生する場合において、信号レベルの小さな音が良く聞こえるように音量を設定すると、ピークレベルの前記音楽信号が入力したとき、該音楽信号は前記リミッタによりクリップされることになる。前記リミッタの働く領域では出力信号は矩形波状になり、高調波(特に奇数次の高調波)を発生する。この高調波による歪みは、アナログ方式のアンプであれば少し歪んで聞こえるだけであるが、デジタルアンプでは信号の欠落となり大きなノイズを発生することがある。
【0006】
さらに、PWM前のアナログ信号の経路にリミッタ回路あるいはALC回路(信号の平均値を検出して信号の増幅量あるいは減衰量を制御する回路)を挿入する方式では、動作タイミングの設定あるいはリミッタの利き方の設定が難しく、聴覚上不自然になり易い。
【0007】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、相対的にピークレベルの高い信号が入力された場合でも、ノイズのない、聴覚上の不自然さのない出力を得ることのできるデジタルアンプを提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【0009】
三角波状の基準波を出力する基準波発生回路と、入力アナログ信号のレベルを検出するレベル検出器と、該レベル検出器が検出したレベル検出信号を遅延して出力する遅延回路と、該遅延回路から出力される前記レベル検出信号に基づき前記基準波発生回路から出力される基準波の振幅を調整する可変増幅器と、前記入力アナログ信号と前記可変増幅器の出力信号とを比較してパルス幅変調信号を出力するコンパレータと、該コンパレータが出力するパルス幅変調信号を平滑するフィルター回路を備え、前記遅延回路の時定数は、入力アナログ信号のレベルが増加するとき小さく、入力アナログ信号のレベルが減少するとき大きい。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態にかかるデジタルアンプを示す。図において、1はアナログ信号を入力するアナログ信号入力端子、2はアナログ信号の入力レベルを調整する可変抵抗器、3は入力アンプである。41は信号レベル検出回路であり、アナログ信号のレベルを検出し、検出したレベルに応じて、数段階の出力レベルから選択した1つのレベルのレベル検出信号を出力する。42は所定の時定数をもつタイミング回路(遅延回路)であり、アナログ信号の立ち上がり時には短時間の、立ち下がり時には長時間の時定数を有する。43はVCA(voltage control amplifier)等の制御端子付きの可変増幅器であり、信号レベル検出回路41の出力信号にしたがった増幅率で基準波発生回路5の出力を増幅する。5は鋸歯状波等の三角波からなる基準波を発生する基準波信号発生回路、6は入力アンプの出力信号101と基準信号102を比較して比較出力(PWM信号)103を生成するコンパレータ、7はドライバ、8はスイッチングアンプであり、前記PWM信号を増幅する。9はLPFであり、ノイズを除去して増幅された前記アナログ入力信号を出力し、スピーカ10を駆動する。
【0011】
図2は、図1に示すデジタルアンプの動作波形を示す図であり、(a)はコンパレータ6の入力波形、(b)はコンパレータに入力する基準波信号の振幅がAで、入力アンプ3の出力が小さい場合の出力PWM信号波形、(c)はコンパレータ6に入力する基準波信号の振幅がAで、入力アンプ3の出力が大きい場合の出力PWM信号波形、(d)はコンパレータ6に入力する基準波信号の振幅が2Aで入力アンプ3の出力が大きい場合の出力PWM波形である。以下、図2を参照しながら、図1に示すデジタルアンプの動作を説明する。
【0012】
入力端子1に入力されたアナログ信号は、可変抵抗器2によりレベルを調整した後、入力アンプ3により増幅してコンパレータ6に入力する。また、入力アンプ3の出力信号は信号レベル検出回路41にも入力される。信号レベル検出回路41は、例えば入力アンプ3の出力信号のレベルに応じて数段階の電圧信号を出力する。また、この電圧信号はタイミング回路42を介して制御端子付きの可変増幅器43の制御端子に制御信号として供給する。
【0013】
一方、基準波発生回路5が発生した基準波信号は、前記可変増幅器43の入力端子に供給し、前記可変増幅器43は前記基準波信号を制御端子に現れる電圧信号のレベルに応じた増幅度で増幅する。
【0014】
コンパレータ6は入力アンプ3の出力信号101と基準波信号102とを比較し、比較結果に基づいて入力アナログ信号を高周波パルス列であるPWM信号103に変換し出力する。また、前記PWM信号103はドライバ7を介して電力スイッチング手段からなるスイッチングアンプ8を制御する。スイッチングアンプ8により増幅したPWM信号はLPF9を介して増幅されたアナログ信号104に変換し、スピーカ10を駆動する。
【0015】
いま、図2(a)に示すように、入力アナログ信号のレベルが101bであり、基準波信号102のレベルが102bである場合は、図2(b)に示すPWM変調信号103aを得ることができる。
【0016】
しかし、入力アナログ信号のレベルが図2(a)に示す101aまで増大すると、PWM信号は図2(c)に示すように、PWM信号からパルスX1およびX2が欠落することになる。このようなパルスの欠落が生じると、スイッチングアンプ8により増幅し、LPF9により平滑して得たオーディオ信号に不連続が生じ、ノイズを発生する。特に入力アナログ信号のレベルが基準波信号のレベルより遙かに大きい場合には、パルスの欠落が基準波信号の数周期に渡ってブロック的に発生し、大きなノイズを発生する。
【0017】
そこで、入力アナログ信号101のレベルが増大したとき、信号レベル検出回路41からの検出信号レベルをもとに可変増幅器43の増幅度を制御して、基準波信号102レベルが、入力アナログ信号101のレベルを下回らないように制御する。図2の例では、基準波信号のレベルを2倍(2A)した例を示している。このとき、得られるPWM信号を図2(d)に示す。
【0018】
ところで、基準波信号のレベルのみを2倍にすると、当然ながらコンパレータ6の出力レベルは1/2となり、LPF9の出力レベルも1/2となる。このようにコンパレータ6の出力が低下し、アンプとしての増幅率が急激に変化すると、スピーカ10から出力するオーディオ信号は聴覚上、不自然な信号となる。
【0019】
前記タイミング回路(遅延回路)42は、前記聴覚上の不自然さを解消するために設けられる回路である。この回路を設けることにより、入力アナログ信号101のレベルが急増する立ち上がり時および急減する立ち下がり時にそれぞれ適した時定数、例えば立ち上がり時に短く、立ち下がり時に長い時定数をもたせて基準波信号のレベルを増大または減少することができ、これにより増幅度の変化に伴う聴覚上の不自然さを解消することができる。
【0020】
図3は信号レベル検出回路41の詳細を示す図である。図において、41aは全波整流回路部、41bは信号レベル検出回路部であり、入力信号のレベルを検出し、検出したレベルに応じて数段階の出力レベルから選択した1つのレベルのレベル検出信号を出力する。また、r1,r2,r3,r4,r5は抵抗、D1,D2はダイオード、A1,A2はオペアンプである。また、32,33はコンパレータ、34,35,36は増幅度を調整する抵抗、37はコンパレータ32,33の出力を合成して増幅出力するオペアンプである。38,39はそれぞれ異なる電圧値V1,V2(V1<V2)を有する基準電圧源である。
【0021】
入力アンプ3により増幅した入力信号は全波整流回路部41aにより全波整流され、コンパレータ32および33に入力する。コンパレータ32および33はそれぞれ入力信号電圧と基準電圧V1およびV2とを比較し、比較結果に応じてHレベルまたはLレベル出力電圧を出力する。前記抵抗34,35,36およびオペアンプ37は前記オペアンプ32,33の出力を合成して3段階のレベル検出信号を生成する。
【0022】
すなわち、各コンパレータは入力信号のレベルに応じて、コンパレータ32および33がともにLレベルを出力し、コンパレータ32のみがHレベルを出力し、あるいはコンパレータ32および33がともにHレベルを出力する。そしてオペアンプ37および抵抗34,35,36からなる増幅回路は前記各コンパレータの出力レベルの組み合わせに応じて3段階の出力電圧をレベル検出信号として出力する。
【0023】
図4は、前記タイミング回路(遅延回路)の詳細を示す図である。図において、D10はダイオード、R10は抵抗、C10はコンデンサである。入力電圧Vin増加時の時定数、すなわちダイオードD10およびコンデンサC10で構成する時定数は短く設定し、入力電圧Vin減少時の時定数、すなわち抵抗R10およびコンデンサC10で構成する時定数は長く設定してある。
【0024】
図5は、本発明の第2の実施形態にかかるデジタルアンプを示す図である。図において、51はレベル検出回路、58はアッテネータ、52,53はコンパレータ、54,55はNAND回路56,57はタイミング回路,TR1,TR2はトランジスタ、R20,R21、R22はそれぞれ抵抗である。なお、図において図1および図3に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【0025】
前記第1の実施形態では、基準波発生回路5が発生した基準波信号の振幅を可変増幅器43により可変増幅制御している。これに対して、図5に示すように基準波発生回路5が発生した基準波信号の振幅を十分大きく設定しておき、前記振幅を抵抗R20、R21およびトランジスタTR1、並びに抵抗R20、R22およびトランジスタTR2からなるアッテネータを用いて減衰することにより、基準波信号の振幅を可変減衰制御することができる。
【0026】
図6は、前記タイミング回路(遅延回路)56,57の詳細を示す図である。図において、D11はダイオード、R11は抵抗、C11はコンデンサである。入力電圧Vin減少時の時定数、すなわちダイオードD11およびコンデンサC11で構成する時定数は短く設定し、入力電圧Vin増加時の時定数、すなわち抵抗R11およびコンデンサC11で構成する時定数は長く設定してある。
【0027】
本実施形態の場合、入力信号のレベルに応じてトランジスタTRl、TR2がON・OFFし、減衰率はR20,R21およびR22の組み合わせで決定される。信号の立ち上がり・立ち下がり関係が前記第1の実施形態とは逆になるので、すなわち、入力信号の立ち上がり時にトランジスタTR1あるいはTR2をベース電位を立ち下げて、前記トランジスタをOFFにするので、タイミング回路(遅延回路)のダイオードD11の向きが図4に示すタイミング回路とは逆になる。
【0028】
以上説明したように、本実施形態によればピーク時に過変調になるようなピークレベルの高い入力信号、すなわちアンプの限界出力を超えるような信号が入力された場合においてもノイズを発生しない、したがって平均の試聴レベルを下げる必要のない、特に小出力のアンプに適したデジタルアンプを提供することできる。さらに、本実施形態によれば、単純な三角波あるいは鋸歯状波の振幅を制御するので、複雑な波形の音楽信号を調整するALC(Auto Level Control)回路を用いる従来回路に比して高精度に出力を調整することができ、歪みあるいはノイズをさらに少なくすることができる。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、相対的にピークレベルの高い信号が入力された場合でも、ノイズのない、聴覚上の不自然さのない出力を得ることのできるデジタルアンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態にかかるデジタルアンプを示す図である。
【図2】デジタルアンプの動作波形を示す図である。
【図3】信号レベル検出回路の詳細を示す図である。
【図4】タイミング回路の詳細を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施形態にかかるデジタルアンプを示す図である。
【図6】タイミング回路の詳細を示す図である。
【図7】PWM変調方式を用いた従来のデジタルアンプを示す図でる。
【図8】リミッタの詳細を示す図である。
【符号の説明】
1 アナログ信号入力端子
2 可変抵抗器
3 入力アンプ
4 リミッタ
5 基準波発生回路
6 コンパレータ
7 ドライバ
8 スイッチングアンプ
9 LPF
l0 スピーカ
30 全波整流回路
38,39 基準電圧源
41 信号レベル検出回路
41a 全波整流回路部
41b 信号レベル検出回路部
42、56、57 タイミング回路
43 可変増幅器
51 信号レベル検出回路
58 アッテネータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a digital amplifier, and more particularly to a PWM digital amplifier that converts an input analog signal into a PWM (Pulse Width Modulation) signal and amplifies it.
[0002]
[Prior art]
Various types of digital amplifiers have been proposed, but roughly divided into the following two types. That is, a system using a PWM signal and a system using a 1-bit signal represented by a ΔΣ modulation system. Among these, for a digital amplifier using a PWM signal, a method of obtaining a PWM signal by comparing an input analog signal with a reference signal composed of a triangular wave or a sawtooth wave is widely known.
[0003]
FIG. 7 is a diagram showing a conventional digital amplifier using the PWM modulation method. In the figure, 1 is an analog signal input terminal for inputting an analog signal, 2 is a variable resistor for adjusting the input level of the analog signal, 3 is an input amplifier, 4 is a limiter, and overmodulation by an excessive level analog signal is performed. To prevent. 5 is a reference wave generating circuit for generating a reference wave composed of a triangular wave such as a sawtooth wave, 6 is a comparator for comparing the output signal of the limiter with the reference signal and generating a comparison output (PWM signal), 7 is a driver, Is a switching amplifier and amplifies the PWM signal.
[0004]
FIG. 8 is a diagram showing details of the limiter 4. In the figure, 1 is an operational amplifier, 2 and 3 are resistors, and 4 and 5 are Zener diodes that limit the output of the operational amplifier 1.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the method of preventing overmodulation using the limiter, for example, when a music signal having a relatively low average level and a relatively high peak level, such as classical music, is reproduced by an audio device having a small maximum output, When the volume is set so that a sound with a low signal level can be heard well, when the music signal having a peak level is input, the music signal is clipped by the limiter. In the region where the limiter operates, the output signal has a rectangular wave shape and generates harmonics (particularly odd-order harmonics). The distortion due to the harmonics may sound a little distorted with an analog amplifier, but the digital amplifier may lack a signal and generate large noise.
[0006]
Furthermore, in the method of inserting a limiter circuit or an ALC circuit (a circuit that detects the average value of a signal and controls the amount of amplification or attenuation of the signal) in the path of the analog signal before PWM, the operation timing is set or the limiter is effective. Is difficult to set and tends to be unnatural in nature.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and a digital amplifier that can obtain an output without noise and without unnaturalness even when a signal having a relatively high peak level is input. provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
[0009]
Reference wave generating circuit for outputting a triangular reference wave, a level detector for detecting the level of an input analog signal, a delay circuit for delaying and outputting a level detection signal detected by the level detector , and the delay circuit A variable amplifier that adjusts the amplitude of the reference wave output from the reference wave generation circuit based on the level detection signal output from the signal, and a pulse width modulation signal by comparing the input analog signal and the output signal of the variable amplifier And a filter circuit for smoothing the pulse width modulation signal output from the comparator, the time constant of the delay circuit is small when the level of the input analog signal is increased, and the level of the input analog signal is decreased. When big.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a digital amplifier according to a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is an analog signal input terminal for inputting an analog signal, 2 is a variable resistor for adjusting the input level of the analog signal, and 3 is an input amplifier. A signal
[0011]
2A and 2B are diagrams showing operation waveforms of the digital amplifier shown in FIG. 1. FIG. 2A is an input waveform of the
[0012]
The analog signal input to the input terminal 1 is adjusted in level by the
[0013]
On the other hand, the reference wave signal generated by the reference
[0014]
The
[0015]
Now, as shown in FIG. 2 (a), a
[0016]
However, when the level of the input analog signal increases to 101a shown in FIG. 2A, the pulses X1 and X2 are missing from the PWM signal, as shown in FIG. 2C. When such a missing pulse occurs, discontinuity occurs in the audio signal obtained by amplification by the switching
[0017]
Therefore, when the level of the
[0018]
By the way, if only the level of the reference wave signal is doubled, the output level of the
[0019]
The timing circuit (delay circuit) 42 is a circuit provided to eliminate the unnaturalness in hearing. By providing this circuit, the level of the reference wave signal is adjusted by providing a time constant suitable for each rising edge when the level of the
[0020]
FIG. 3 is a diagram showing details of the signal
[0021]
The input signal amplified by the
[0022]
That is, in each comparator, both the
[0023]
FIG. 4 is a diagram showing details of the timing circuit (delay circuit). In the figure, D10 is a diode, R10 is a resistor, and C10 is a capacitor. The time constant when the input voltage Vin increases, that is, the time constant composed of the diode D10 and the capacitor C10 is set short, and the time constant when the input voltage Vin decreases, that is, the time constant composed of the resistor R10 and the capacitor C10 is set long. is there.
[0024]
FIG. 5 is a diagram showing a digital amplifier according to the second embodiment of the present invention. In the figure, 51 is a level detection circuit, 58 is an attenuator, 52 and 53 are comparators, 54 and 55 are
[0025]
In the first embodiment, the amplitude of the reference wave signal generated by the reference
[0026]
FIG. 6 is a diagram showing details of the timing circuits (delay circuits) 56 and 57. In the figure, D11 is a diode, R11 is a resistor, and C11 is a capacitor. The time constant when the input voltage Vin decreases, that is, the time constant constituted by the diode D11 and the capacitor C11 is set short, and the time constant when the input voltage Vin increases, that is, the time constant constituted by the resistor R11 and the capacitor C11 is set long. is there.
[0027]
In the case of this embodiment, the transistors TRl and TR2 are turned on and off according to the level of the input signal, and the attenuation rate is determined by the combination of R20, R21 and R22. Since the signal rise / fall relationship is opposite to that in the first embodiment, that is, the base potential of the transistor TR1 or TR2 is lowered at the rise of the input signal, and the transistor is turned off. The direction of the diode D11 of the (delay circuit) is opposite to that of the timing circuit shown in FIG.
[0028]
As described above, according to the present embodiment, noise is not generated even when an input signal having a high peak level that is overmodulated at the peak, that is, a signal exceeding the limit output of the amplifier is input. It is possible to provide a digital amplifier that is not particularly required to lower the average audition level and that is particularly suitable for a small output amplifier. Furthermore, according to the present embodiment, since the amplitude of a simple triangular wave or sawtooth wave is controlled, it is more accurate than a conventional circuit using an ALC (Auto Level Control) circuit that adjusts a music signal having a complex waveform. The output can be adjusted, and distortion or noise can be further reduced.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a digital amplifier capable of obtaining an output free from noise and without unnaturalness even when a signal having a relatively high peak level is input. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a digital amplifier according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating operation waveforms of a digital amplifier.
FIG. 3 is a diagram showing details of a signal level detection circuit.
FIG. 4 is a diagram showing details of a timing circuit.
FIG. 5 is a diagram illustrating a digital amplifier according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing details of a timing circuit.
FIG. 7 is a diagram illustrating a conventional digital amplifier using a PWM modulation method.
FIG. 8 is a diagram showing details of a limiter.
[Explanation of symbols]
1 Analog
4
10
Claims (3)
入力アナログ信号のレベルを検出するレベル検出器と、
該レベル検出器が検出したレベル検出信号を遅延して出力する遅延回路と、
該遅延回路から出力される前記レベル検出信号に基づき前記基準波発生回路から出力される基準波の振幅を調整する可変増幅器と、
前記入力アナログ信号と前記可変増幅器の出力信号とを比較してパルス幅変調信号を出力するコンパレータと、
該コンパレータが出力するパルス幅変調信号を平滑するフィルター回路を備え、
前記遅延回路の時定数は、入力アナログ信号のレベルが増加するとき小さく、入力アナログ信号のレベルが減少するとき大きいことを特徴とするデジタルアンプ。A reference wave generating circuit that outputs a triangular reference wave;
A level detector for detecting the level of the input analog signal;
A delay circuit for delaying and outputting the level detection signal detected by the level detector ;
A variable amplifier that adjusts the amplitude of the reference wave output from the reference wave generating circuit based on the level detection signal output from the delay circuit ;
A comparator that compares the input analog signal with the output signal of the variable amplifier and outputs a pulse width modulation signal;
A filter circuit for smoothing the pulse width modulation signal output by the comparator;
The time constant of the delay circuit is small when the level of the input analog signal increases and large when the level of the input analog signal decreases.
入力アナログ信号のレベルを検出するレベル検出器と、
該レベル検出器が検出したレベル検出信号を遅延して出力する遅延回路と、
該遅延回路から出力される前記レベル検出信号に基づき前記基準波発生回路から出力される基準波の振幅を調整する減衰率可変のアッテネータと、
前記入力アナログ信号と前記アッテネータの出力信号とを比較してパルス幅変調信号を出力するコンパレータと、
該コンパレータが出力するパルス幅変調信号を平滑するフィルター回路を備え、前記遅延回路の時定数は入力アナログ信号のレベルが増加するとき小さく、入力アナログ信号のレベルが減少するとき大きいことを特徴とするデジタルアンプ。A reference wave generating circuit that outputs a triangular reference wave;
A level detector for detecting the level of the input analog signal;
A delay circuit for delaying and outputting the level detection signal detected by the level detector ;
A variable attenuation factor attenuator for adjusting the amplitude of the reference wave output from the reference wave generation circuit based on the level detection signal output from the delay circuit ;
A comparator that compares the input analog signal and the output signal of the attenuator to output a pulse width modulation signal;
A filter circuit for smoothing a pulse width modulation signal output from the comparator is provided, and the time constant of the delay circuit is small when the level of the input analog signal increases and large when the level of the input analog signal decreases. Digital amplifier.
前記レベル検出器は、検出した入力アナログ信号のレベルに応じて、複数の出力レベルから選択した1つのレベルのレベル検出信号を出力することを特徴とするデジタルアンプ。The digital amplifier according to claim 1, wherein:
The level detector outputs a level detection signal of one level selected from a plurality of output levels according to the level of the detected input analog signal.
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