JP4015648B2 - Ｄ級増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、Ｄ級増幅器に関し、特に改良されたＤ級増幅器に関する。

増幅器は、一般に、ヘッドホン、スピーカーおよび（または）他のオーディオ装置などのオーディオスピーカーに出力される信号を増幅するために使用される。有線アプリケーション或いは据置型アプリケーションでは、Ａ級、Ｂ級、およびＡＢ級増幅器等の線形増幅器が一般に使用されている。線形増幅器は、電流を発生させて負荷に落とし込みながら比較的大きなバイアス電流を引き出す線形出力段を備える。従って、線形増幅器は比較的大量の電力を消費する。携帯用オーディオ装置を購入する消費者はバッテリー寿命の長いことを望むので、線形増幅器は携帯用オーディオアプリケーションでの利用には適していない。

Ｄ級増幅器は非線形出力段を備え、これは、線形増幅器に用いられる大きなバイアス電流を必要としない。しかし、出力段の効率の向上によって、ノイズおよび（または）歪みが大きくなる。電力消費と歪みおよび（または）ノイズとのトレードオフは、一般に携帯用オーディオ装置アプリケーションにおいては許容範囲内である事が分かっている。

図１および２を参照すると、鋸波形発生器１４を備える代表的なＤ級増幅器１０が示されている。図２に見られるように、鋸歯信号Ｖ_ｓａｗは、最小値から最大値に増大する正勾配部分と、これに続く殆ど無限の負勾配での最小値への復帰とを含む。鋸歯信号Ｖ_ｓａｗは比較器１８の反転入力に入力される。オーディオ信号等の入力信号Ｖ_ＩＮは比較器１８の非反転入力に入力される。

比較器１８の出力は、スイッチとして操作される第１トランジスタ２０および第２トランジスタ２２に入力される。この例では、第１トランジスタ２０はＰＭＯＳトランジスタであり、第２トランジスタ２２はＮＭＯＳトランジスタである。比較器１８の出力は、更にインバータ２４により反転されて、スイッチとして操作される第３トランジスタ２６および第４トランジスタ２８に入力される。この例では、第３トランジスタ２６はＰＭＯＳトランジスタであり、第４トランジスタ２８はＮＭＯＳトランジスタである。

図２を参照すると、鋸歯信号Ｖ_ｓａｗは入力信号Ｖ_ＩＮと比較される。入力信号Ｖ_ＩＮが鋸歯信号Ｖ_ｓａｗより大きいとき、出力はハイである。入力信号Ｖ_ＩＮが鋸歯信号Ｖ_ｓａｗより小さい時には、出力はローである。その代わりとしては、入力信号Ｖ_ＩＮが鋸歯信号Ｖ_ｓａｗより大きいとき、出力はローであり、入力信号Ｖ_ＩＮが鋸歯信号Ｖ_ｓａｗより小さいとき、出力はハイである。トランジスタ２０，２２，２６および２８はオンオフされて図１に描かれているように負荷を通して電流を流す。

線形増幅器は、電流を生じさせて負荷に落とし込みながら比較的大きなバイアス電流を導引する線形出力段を備える。従って、線形増幅器は比較的大量の電力を消費する。携帯用オーディオ装置を購入する消費者はバッテリー寿命の長いことを望むので、線形増幅器は携帯用オーディオアプリケーションに用いるのに適していない。

Ｄ級増幅器は非線形出力段を備え、これは、線形増幅器に用いられる大きなバイアス電流を必要としない。しかし、出力段の効率の向上によって、ノイズおよび（または）歪みが大きくなる。電力消費と歪みおよび（または）ノイズとのトレードオフは、一般に携帯用オーディオ装置アプリケーションでは許容範囲無いである事が分かっている。

入力信号を受け取るＤ級増幅器は、ランプ信号と反転ランプ信号とを発生するランプ波発生器を備える。信号発生器は、ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移するときおよび反転ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移するとき、第１信号を発生する。

他の特徴によれば、信号発生器は、ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移するときおよび反転ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移する時に第２信号を発生する。信号発生器はエッジ検出器を備える。信号発生器は更に位相検出器を備える。エッジ検出器は、ランプ信号を入力信号と比較する第１比較器と、反転ランプ信号を入力信号と比較する第２比較器とを備える。

他の特徴によれば、エッジ検出器は第１および第２の比較器の出力に立ち上がりエッジが生じた時に第１パルスを発生し、第１および第２の比較器の出力に立ち下がりエッジが生じた時に第２パルスを発生する。エッジ検出器は、第１比較器の出力を受け取り、立ち上がりエッジが生じた時に第１パルスを発生する第１ワンショットを備える。第２ワンショットは、第１比較器の出力を受け取り、立ち下がりエッジが生じた時に第２パルスを発生する。第３ワンショットは、第２比較器の出力を受け取り、立ち上がりエッジが生じた時に第１パルスを発生する。第４ワンショットは、第２比較器の出力を受け取り、立ち下がりエッジが生じた時に第２パルスを発生する。

他の特徴によれば、ランプ信号の周波数は、入力信号の周波数よりほぼ２桁大きい。ランプ信号の正の勾配はランプ信号の負の勾配とほぼ等しく、反転ランプ信号の正の勾配は反転ランプ信号の負の勾配とほぼ等しい。出力段は、信号発生器から第１および第２の信号を受け取り、第１および第２の信号に基づいて選択的に出力電流を流す。出力段は、シングルエンド駆動段または平衡Ｈブリッジを備える。

システムが、Ｄ級増幅器を備え、出力電流を受け取る負荷を更に備える。負荷はオーディオスピーカーを備える。Ｄ級増幅器は更に出力段と負荷との間に配置された低域フィルターを備える。

入力信号を受け取るＤ級増幅器を操作する方法が、ランプ信号および反転ランプ信号を発生するステップを備える。第１信号は、ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移する時に発生する。第１信号は、反転ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移する時に発生する。

他の特徴によれば、ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移する時に第２信号が発生する。反転ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移する時に第２信号が発生する。第１および第２信号に基づいて出力電流が選択的に流される。ランプ信号の周波数は入力信号の周波数よりほぼ２桁大きく、ランプ信号の正の勾配はランプ信号の負の勾配とほぼ等しい。出力電流は低域フィルタリングされる。

本発明の別の適用分野は、以下の詳細な記述から明らかとなろう。本発明の好ましい実施態様を示す詳細な記述と特定の例とは、例証のみを目的とするものであって、本発明の範囲を限定することを意図するものでは無い。

本発明のＤ級増幅器は、線形増幅器のように大きなバイアス電流を必要としないので、携帯用オーディオ装置アプリケーションに適している。

本発明は、詳細な記述および添付図面からより充分に理解されよう。

好ましい実施態様についての以下の記述は、本質として代表例を示すだけのものであって、本発明、その適用、或いは使用を限定することを意図するものではない。明瞭性を目的として、図面において同様の要素を特定するために同じ参照番号が使用される。

図３を参照すると、本発明によるＤ級増幅器１００が示されている。Ｄ級増幅器１００は、ランプ信号（Ｖ_ＲＡＭＰ）と反転ランプ信号（数１）とを発生するランプ波発生器１１０を備える。ここで使われるランプ信号および反転ランプ信号という用語は、交互に現れる実質的に等しい正勾配および負勾配を有する信号を指す。ランプ信号Ｖ_ＲＡＭＰは、出力段１１８のためにアップ信号およびダウン信号を発生する信号発生器１１１に出力される。出力段１１８は、アップ信号およびダウン信号に基づいて負荷を通して電流を流す。信号発生器１１１は、エッジ検出器１１４と位相検出器１１６とを備える。ランプ信号Ｖ_ＲＡＭＰ、反転ランプ信号（数１）および入力信号Ｖ_ＩＮはエッジ検出回路１１４に出力される。

エッジ検出回路１１４は、ランプ信号および反転ランプ信号の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジがそれぞれ入力の上および下へ遷移する時に第１および第２のパルスを出力する。換言すれば、エッジ検出回路１１４は、Ｖ_ＲＡＭＰがＶ_ＩＮ未満の値からＶ_ＩＮより高い値へ遷移する時に第１パルスを出力し、Ｖ_ＲＡＭＰがＶ_ＩＮより高い値からＶ_ＩＮ未満の値へ遷移する時に第２パルスを出力する。エッジ検出回路１１４は、（数１）がＶ_ＩＮ未満の値からＶ_ＩＮより高い値へ遷移する時にも第１パルスを出力し、（数１）がＶ_ＩＮより高い値からＶ_ＩＮ未満の値へ遷移する時にも第２パルスを出力する。

エッジ検出回路１１４の出力は位相検出器１１６に入力される。位相検出器１１６は、第１パルスが受信されたとき、第２パルスが受信されるまでアップ信号を送る。第２パルスが受信されたとき、位相検出器１１６は第１パルスが受信されるまでダウン信号を送る。位相検出器１１６の出力は出力段１１８に送られ、これは、アップ信号およびダウン信号に基づいて負荷を通して電流を流す。

図４を参照すると、Ｄ級増幅器１００の代表的実施態様が示されている。エッジ検出回路１１４は、比較器１１９−１および１１９−２と、ワンショット回路１２０−１および１２０−３並びに１２０−２および１２０−４とをそれぞれ備える。ランプ信号Ｖ_ＲＡＭＰは第１比較器１１９−１の非反転入力に出力される。反転ランプ信号（数１）は第２比較器１１９−２の非反転入力に出力される。入力信号Ｖ_ＩＮは、比較器１１９−１および１１９−２の反転入力に入力される。

比較器１１９−１および１１９−２の出力はワンショット回路１２０に入力される。一実施態様において、ワンショット回路１２０−１および１２０−２は、入力において正のエッジが感知された時に出力パルスを発生する。ワンショット回路１２０−３および１２０−４は、入力において負のエッジが感知された時に出力パルスを発生する。

ワンショット回路１２０−１および１２０−２の出力はＯＲゲート１３０に入力される。ワンショット回路１２０−３および１２０−４の出力はＯＲゲート１３２に入力される。ＯＲゲート１３０および１３２の出力は位相検出器１１６に入力される。位相検出器１１６は、現在のフェーズロックドループ（ＰＬＬ）の位相検出器と同様に動作する。現在のＰＬＬにおいては、位相にエラーが無ければ、非常に小さなアップおよびダウン・パルス電流が発生する。しかし、Ｄ級増幅器では、電流の代わりに電圧パルスが使用される。

一実施態様において、位相検出器１１６は、ＯＲゲート１３０の出力と通信するフリップフロップ１４２と、ＯＲゲート１３２の出力と通信するフリップフロップ１４４とを備える。フリップフロップ１４２および１４４のＤ入力は電圧バイアスＶ_ＢＢに接続されている。フリップフロップ１４２のＱ出力は第１信号即ちアップ信号を提供する。フリップフロップ１４４のＱ出力は第２信号即ちダウン信号を提供する。アップ信号およびダウン信号はＡＮＤゲート１５０と遅延１５２とを通してフリップフロップ１４２および１４４のリセット（Ｒ）入力にフィードバックされる。アップ信号およびダウン信号は、後述するように出力段１１８にも送られる。ランプ信号は入力周波数より２桁高い周波数を有するのが好ましい（例えば２０ｋＨｚおよび１〜２ＭＨｚ）。

図５を参照すると、ランプ信号Ｖ_ＲＡＭＰ、反転ランプ信号（数１）、および入力信号Ｖ_ＩＮが示されている。アップ信号は、入力信号Ｖ_ＩＮを横切るランプ信号Ｖ_ＲＡＭＰまたは反転ランプ信号（数１）の立ち上がりエッジで開始される。ダウン信号は、入力信号Ｖ_ＩＮを横切るランプ信号Ｖ_ＲＡＭＰまたは反転ランプ信号（数１）の立ち下がりエッジで開始される。

図６を参照すると、代表的な出力段１１８は、アップ信号が第１状態を有する時にオンに転換され、アップ信号が第２状態を有する時にオフに転換される増幅器１８０を備える。増幅器１８２は、ダウン信号が第１状態を有する時にオンに転換され、アップ信号が第２状態を有する時にオフに転換される。

図７を参照すると、別の出力段１１８はシングルエンド駆動段として構成されている。出力段１１８は反転入力を有するＡＮＤゲート１９０を備え、該反転入力はアップ信号と被遅延ダウン信号とに接続されている。アップ信号は第１スイッチ１９４を制御する。ＡＮＤゲート１９０の出力は第２スイッチ１９６を制御する。第１スイッチ１９４はＶ_ＤＤをノード２００に選択的に接続する。第２スイッチ１９６は、ノード２００をグランドに選択的に接続する。被遅延ダウン信号は第３スイッチ１９８を制御し、これはノード２００を負のＶ_ＥＥに選択的に接続する。負荷１８４はノード２００とグランドとの間に接続されている。

好ましい実施形態において、スイッチ１９４と１９８のコンフリクトを避けるために、ダウン信号は少なくとも位相検出器１１６の最小パルス幅だけ遅延される。好ましい実施形態において、遅延は、上記最小遅延の少なくとも２倍であるのが好ましい。スイッチ１９６は、アップ信号および被遅延ダウン信号が非アクティブである時に限ってオンである。ＰＬＬアプリケーションでは、電流が使用されるのでダウン信号を遅延させる必要はない。従ってアップ信号およびダウン信号は同時に生じても良い。電圧信号では、共にオンになっている上側トランジスタおよび下側トランジスタのクローバー短絡効果を避けるためにダウン信号は遅延されるのが好ましい。

図８を参照すると、別の出力段１１８は、平衡Ｈブリッジ実施態様として構成されている。アップ信号は、第１スイッチ２１０および第２スイッチ２１２を制御すると共に、反転入力を有するＡＮＤゲート２１４に入力される。被遅延ダウン信号は、スイッチ２１８および２２２を制御すると共にＡＮＤゲート２１４に入力され、このＡＮＤゲートは反転入力を有する。ＡＮＤゲート２１４の出力はスイッチ２３０および２３２を制御し、これらのスイッチは負荷１８４の両端間に接続されている。スイッチ２１０および２２２は、それぞれ、Ｖ_ＤＤとノード２３４および２３６との間に接続されている。スイッチ２１８および２１２は、それぞれ、ノード２３４および２３６とグランドとの間に接続されている。

図９を参照すると、図８の出力段と類似する別の出力段１１８が示されている。図９の出力段１１８は、ＡＮＤゲート２１４の出力により制御される付加的なスイッチ２５０を備える。スイッチ２５０は負荷１８４の両端間に接続されている。

図８および９に示されている出力段１１８の出力同相モードは様々に変化するのでは無くて、正供給電力と負供給電力との間に中心を有することが分かる。

図１０を参照すると、１つ以上の低域フィルター回路３００を使って負荷１８４への信号をフィルタリングすることができる。低域フィルター回路３００は、高周波スイッチング成分を除去する１つ以上のインダクターおよび／またはコンデンサを備えることができる。例えば、フィルターは直列インダクターおよび並列コンデンサを備えることができる。もし負荷が機械的に低域フィルターに同様であるスピーカー負荷等の誘導性負荷であるならば、任意的なフィルター３００はおそらく不要であろう。

以上の記述から、本発明の広範な教示を種々の形で実施し得る事を当業者は認識し得る。従って、本発明は特定の例に関して説明されたが、図面、明細書並びに以下の特許請求の範囲を検討すれば、他の変更が当業者にとって明らかになり得るので、本発明の真の範囲はこれに限定されるべきではない。

従来技術によるＤ級増幅器の電気回路図である。 従来技術による鋸歯信号Ｖ_ｓａｗと入力信号Ｖ_ＩＮとを示す波形図である。 本発明によるＤ級増幅器の機能ブロック図である。 図３のＤ級増幅器の一実施態様の電気回路図である。 本発明によるランプ信号Ｖ_ＲＡＭＰおよび入力信号Ｖ_ＩＮの波形図である。 本発明によるＤ級増幅器の出力段の一例を示す。 本発明によるＤ級増幅器のためのシングルエンド出力段を示す。 本発明によるＤ級増幅器のための平衡Ｈブリッジ出力段を示す。 本発明によるＤ級増幅器のための別の平衡Ｈブリッジ出力段を示す。 Ｄ級増幅器の低域フィルターと負荷とを示す。

符号の説明

１１０ ランプ波発生器
１１１ 信号発生器
１１４ エッジ検出器
１１６ 位相検出器
１１８ 出力段

Claims (18)

1. 入力信号を受信するＤ級増幅器であって、
   ランプ信号および反転ランプ信号を発生するランプ波発生器と、
   前記ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移する時、および前記反転ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移する時に、第１信号を発生し、前記ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移する時、および前記反転ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移する時に、前記信号発生器が第２信号を発生する、信号発生器と
   を備える、Ｄ級増幅器。
2. 前記信号発生器がエッジ検出器を備える、請求項１に記載のＤ級増幅器。
3. 前記信号発生器が位相検出器を更に備える、請求項２に記載のＤ級増幅器。
4. 前記エッジ検出器が、
   前記ランプ信号を入力信号と比較する第１比較器と、
   前記反転ランプ信号を入力信号と比較する第２比較器と
   を備える、請求項２に記載のＤ級増幅器。
5. 前記エッジ検出器が、前記第１比較器および前記第２比較器の出力に立ち上がりエッジが生じた時に第１パルスを発生し、前記第１比較器および前記第２比較器の前記出力に立ち下がりエッジが生じた時に第２パルスを発生する、請求項４に記載のＤ級増幅器。
6. 前記エッジ検出器が、
   前記第１比較器の出力を受け取り、立ち上がりエッジが生じた時に前記第１パルスを発生する第１ワンショットと、
   前記第１比較器の出力を受け取り、立ち下がりエッジが生じた時に前記第２パルスを発生する第２ワンショットと、
   前記第２比較器の出力を受け取り、立ち上がりエッジが生じた時に前記第１パルスを発生する第３ワンショットと、
   前記第２比較器の出力を受け取り、立ち下がりエッジが生じた時に前記第２パルスを発生する第４ワンショットと
   を備える、請求項５に記載のＤ級増幅器。
7. 前記ランプ信号の周波数が入力信号の周波数よりほぼ２桁高い、請求項１に記載のＤ級増幅器。
8. 前記ランプ信号の正の勾配が前記ランプ信号の負の勾配とほぼ等しく、前記反転ランプ信号の正の勾配が前記反転ランプ信号の負の勾配とほぼ等しい、請求項１に記載のＤ級増幅器。
9. 前記信号発生器から前記第１信号および前記第２信号を受け取り、前記第１信号および前記第２信号に基づいて出力電流を選択的に流す出力段を更に備える、請求項１に記載のＤ級増幅器。
10. 前記出力段がシングルエンド駆動段を備える、請求項９に記載のＤ級増幅器。
11. 前記出力段が平衡Ｈブリッジを備える、請求項９に記載のＤ級増幅器。
12. 請求項９に記載のＤ級増幅器を備え、前記出力電流を受け取る負荷を更に備えるシステム。
13. 前記負荷がオーディオスピーカーを備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記Ｄ級増幅器が、前記出力段と前記負荷との間に配置された低域フィルターを更に備える、請求項１２に記載のシステム。
15. 入力信号を受け取るＤ級増幅器を操作する方法であって、
    ランプ信号を発生するステップと、
    反転ランプ信号を発生するステップと、
    前記ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移する時に第１信号を発生するステップと、
    前記反転ランプ信号が入力信号未満から入力信号の上へ遷移する時に前記第１信号を発生するステップと、
    前記ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移する時に第２信号を発生するステップと、
    前記反転ランプ信号が入力信号の上から入力信号未満へ遷移する時に前記第２信号を発生するステップと
    を備える、方法。
16. 前記第１信号および前記第２信号に基づいて出力電流を選択的に流すステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ランプ信号の周波数が入力信号の周波数よりほぼ２桁高く、前記ランプ信号の正の勾配が前記ランプ信号の負の勾配とほぼ等しい、請求項１５に記載の方法。
18. 前記出力電流を低域フィルタリングするステップを更に備える、請求項１６に記載の方法。

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