JP4067475B2 - Signal amplification output device - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチングによるドライブ信号から高域成分の信号を除去するローパスフィルタを備える信号増幅出力装置に関する。 The present invention relates to a signal amplification output device including a low-pass filter for removing a high-frequency component signal from a drive signal by switching.
図2は、従来のスイッチングアンプとローパスフィルタの回路図を示す。 FIG. 2 shows a circuit diagram of a conventional switching amplifier and low-pass filter.
入力端子IN1からのPWM信号やPDM信号等の入力信号を変換し、第1のハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の第1のスイッチング素子M21のゲートと第2のスイッチング素子M23のゲートに供給する第1の二値制御信号a及び第1の二値制御信号と逆相の第2の二値制御信号bを発生する第1の変換器20と、入力端子IN2からのPWM信号を変換し、第2のハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の第1のスイッチング素子M22のゲートと第2のスイッチング素子M24のゲートに供給する第1の二値制御信号a1及び第1の二値制御信号と逆相の第2の二値制御信号b1を発生する第2の変換器40と、第1のスイッチング素子M21及び第2のスイッチング素子M23からなる第1のハーフブリッジ型スイッチングアンプ10と、第1のスイッチング素子M22及び第2のスイッチング素子M24からなる第2のハーフブリッジ型スイッチングアンプ30と、ローパスフィルタ(以下、LPFという)50とを備えている。また、LPF50は、コイルL21とコンデンサC21とからなる第1のLPFと、コイルL22とコンデンサC22とでなる第2のLPFとで構成される。さらに、第1のLPFと第2のLPFの中間に負荷抵抗RLが存在する。
A first signal that converts an input signal such as a PWM signal or a PDM signal from the input terminal IN1 and supplies it to the gate of the first switching element M21 and the gate of the second switching element M23 of the first half-
コイルL21は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の第1及び第2のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第1のLPF用のコイルである。
The coil L <b> 21 is a first LPF coil that filters output signals from the first and second switching elements of the half-
コイルL22は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の第1及び第2のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第2のLPF用のコイルである。
The coil L22 is a second LPF coil that filters output signals from the first and second switching elements of the half-
コンデンサC21は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の第1及び第2のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第1のLPF用のコンデンサである。
The capacitor C <b> 21 is a first LPF capacitor that filters output signals from the first and second switching elements of the half-
コンデンサC22は、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の第1及び第2のスイッチング素子による出力信号をフィルタリングする第2のLPF用のコンデンサである。
The capacitor C22 is a second LPF capacitor that filters the output signals from the first and second switching elements of the half-
次に、従来のスイッチングアンプ1及びローパスフィルタ50の各要素の接続関係を以下に示す。
Next, the connection relation of each element of the
ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の第1のスイッチング素子のソースと第2のスイッチング素子のドレインとの出力接続点S1とコイルL21の一方の端子と接続され、コイルL21の他方の端子は、コンデンサ21の一方の端子と接続されている。この接続によって、第1のローパスフィルタを形成する。この第1のLPFの出力は、負荷RLと接続されている。また、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の第1のスイッチング素子のソースと第2のスイッチング素子のドレインとの出力接続点S2とコイルL22の一方の端子と接続され、コイルL22の他方の端子は、コンデンサC22の一方の端子と接続されている。この接続によって、第2のローパスフィルタを形成する。この第2のLPFの出力は、負荷RLと接続されている。
The output connection point S1 between the source of the first switching element and the drain of the second switching element of the half-
さらに、コンデンサC21及びC22の他方の端子は、それぞれグランドに接続されている。 Further, the other terminals of the capacitors C21 and C22 are each connected to the ground.
従来のスイッチングアンプ及びLPFの動作を入力信号がPWM信号であるときを例にとって図2を参照して説明する。 The operation of the conventional switching amplifier and LPF will be described with reference to FIG. 2 taking as an example the case where the input signal is a PWM signal.
入力端子IN1からのPWM信号は、第1の変換器20により第1のスイッチング素子M21及び第2のスイッチング素子M23を駆動するための2種の極性とレベルが異なるPWM信号a,bに変換される。この変換されたPWM信号a,bによって、第1のスイッチング素子M21と第2のスイッチング素子M23は、交互に「ON/OFF」される。第1のスイッチング素子M21が「ON」となったとき、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の出力接続点S1からの出力電流I1がコイルL21とコンデンサC21で形成される第1のLPFへ入力され、高域成分が除去されて、低域成分のみ負荷RLへ供給される。なお、入力端子IN1とIN2に入力するPWM信号の位相は、互いに逆相の関係にある。
The PWM signal from the input terminal IN1 is converted by the
一方、入力端子IN2からのPWM信号は、第1の変換器30により第1のスイッチング素子M22と第2のスイッチング素子M24を駆動するための2種の極性とレベルが異なるPWM信号a1,b1に変換される。PWM信号に変換される。この変換されたPWM信号a1,b1によって、第1のスイッチング素子M22と第2のスイッチング素子M24は、交互に「ON/OFF」される。第1のスイッチング素子M21が「ON」となったとき、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の出力接続点S2からその出力電流I2が第2のLPFへ入力され、高域成分が除去されて、低域成分のみ負荷51(RL)へ供給される。
On the other hand, the PWM signal from the input terminal IN2 is converted into PWM signals a1 and b1 having two different polarities and levels for driving the first switching element M22 and the second switching element M24 by the
上述のような、二値信号をスイッチングした後LPFへ入力し、高域成分を除去して出力する構成は例えば特許文献1に記されている。
For example,
しかるに、入力端子IN1、IN2に入力するPWM信号は、逆相の関係にあるため、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の第1のスイッチング素子M21と第2のスイッチング素子M23による出力電流I1と、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の第1のスイッチング素子M22と第2のスイッチング素子M24による出力電流I2は、互いに逆相出力電流となり、負荷51(RL)に対して平衡出力電流となる。即ち、出力電流I1がアクティブの時、I2=−I1となり、出力電流I2がアクティブの時、I1=−I2となる。
However, since the PWM signals input to the input terminals IN1 and IN2 have a reverse phase relationship, the output current I1 generated by the first switching element M21 and the second switching element M23 of the half-
以上のように、スイッチングアンプによって増幅しLPF50により、高域成分を除去した信号を発生し、高周波ノイズが少ない低周波成分のみの信号を負荷51(RL)に供給することが可能な構成となっている。
As described above, the
上記のような構成において、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10,30に対応してLPF50は、第1のLPFと第2のLPFの2系統があり、この2系統のLPF特性は、同一であることが平衡出力電流上に含まれている高周波ノイズを軽減する上で望ましい。
しかしながら、従来の技術のように、LPF50では、各要素であるコイルL21,22、コンデンサC21,22は、各ディスクリートのパッシブ素子で構成されているため、LPF50のLPFの周波数特性等の偏差は、コイルL21,L22のインダクタンス値の差及びコンデンサC21,C22の容量の差に依存することになる。2系統のコイルの差及びコンデンサの差の両方がLPFの特性に影響を及ぼすので偏差が良好なLPF特性を有するLPFを構成することが困難であり、結果として、高周波ノイズの少ない信号を負荷51に供給することが困難であった。
However, as in the prior art, in the
本発明は、上述した事情に鑑みて提案されたもので、良好なLPF特性を有するLPFを備えたスイッチングアンプを提供することを目的とするものである。 The present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a switching amplifier including an LPF having good LPF characteristics.
本発明に係るスイッチングアンプは、上述した目的を達成するために、以下の特徴点を備えている。 The switching amplifier according to the present invention has the following features in order to achieve the above-described object.
本発明に係る信号増幅出力装置は、第1の信号から、第1及び第2の制御信号を生成する第1の変換器と、前記第1の信号と逆相の第2の信号から、第1及び第2の制御信号をそれぞれ生成する第2の変換器と、第1のスイッチング素子のソースと第2のスイッチング素子のドレインとを接続点を介して接続し、第1のスイッチング素子のドレインに供給電源電圧を印加し、前記第2のスイッチング素子のソースをグランドに接地して、前記第1及び第2の制御信号を最終的に増幅する第1及び第2のハーフブリッジ型スイッチングアンプと、前記第1のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第1のコイル及び第1のコンデンサからなる第1のローパスフィルタと、前記第2のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第2のコイル及び第2のコンデンサからなる第2のローパスフィルタと、を備え、前記第1のコイルと前記第2のコイルは、前記第1の信号及び該第1の信号と逆相の前記第2の信号により生成される磁束が同一方向となるように接続され、結合係数が略1である電磁結合回路を構成し、漏れインダクタンスに依存しない略同一のインダクタンスを形成するようにしたことを特徴とする。 A signal amplification output device according to the present invention includes a first converter that generates first and second control signals from a first signal, and a second signal having a phase opposite to that of the first signal. A second converter that generates the first and second control signals, a source of the first switching element and a drain of the second switching element are connected via a connection point, and the drain of the first switching element; First and second half-bridge switching amplifiers for applying a power supply voltage to the source, grounding the source of the second switching element to ground, and finally amplifying the first and second control signals; , A first low-pass filter comprising a first coil and a first capacitor for passing a low-frequency component of the output signal of the first half-bridge type switching amplifier, and the second half-bridge type switch A second low-pass filter including a second coil and a second capacitor that allows a low-frequency component of the output signal of the guamp to pass therethrough, wherein the first coil and the second coil are the first signal and the second signal. And an electromagnetic coupling circuit in which the magnetic flux generated by the second signal having a phase opposite to that of the first signal is connected in the same direction and the coupling coefficient is approximately 1, and does not depend on the leakage inductance. It is characterized in that the same inductance is formed .
また、前記第1の信号及び前記第2の信号が、PDM信号であることを特徴とする。 Further, the first signal and the second signal are PDM signals.
このような構成からなるスイッチングアンプのローパスフィルタ60は、コイルL1とコンデンサC1、コイルL2とコンデンサC2でLPFを構成しており、コイルL1、L2のインダクタンス値がほぼ同一のインダクタンス値で形成することが出来るため、LPF特性の偏差はコンデンサC1、C2の容量値の差のみに依存することとなる。これにより、LPFの偏差が少ない良好なLPF特性を得ることでき、負荷に入力された信号から高域成分の除去を効果的に行うことができる。
In the low-
本発明に係るスイッチングアンプは、上述した構成を備えているため、以下の効果を奏することができる。 Since the switching amplifier according to the present invention has the above-described configuration, the following effects can be obtained.
結合係数が1の結合トランス61のコイルL1,L2のインダクタンス値は、ほぼ同一となり、コイルL1とコンデンサC1及びコイルL2とコンデンサC2のLPFの特性に影響するのは、コンデンサC1、C2の容量値の差のみとなりフィルタの特性が改善することができる。 The inductance values of the coils L1 and L2 of the coupling transformer 61 having a coupling coefficient of 1 are substantially the same, and the capacitance values of the capacitors C1 and C2 affect the characteristics of the LPFs of the coil L1 and the capacitor C1 and the coils L2 and C2. Therefore, the filter characteristics can be improved.
また、ハーフブリッジアンプ10,30に対応するLPFに使用するコイルが従来2個からトランス1個となり、部品点数が減少させることができ、コスト低減、小型化が可能となる。
In addition, the number of coils used in the LPF corresponding to the half-
以下、本発明に係るローパスフィルタの一実施形態を添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a low-pass filter according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図中、同一の符号を付した部分は同一物を表す。基本的な構成は、図1に示すが、ローパスフィルタ60の構成以外、従来のものと同様である。
In the figure, the same reference numerals denote the same parts. The basic configuration is shown in FIG. 1, but is the same as the conventional one except for the configuration of the low-
本発明に係るスイッチングアンプとローパスフィルタの回路図を図1に示す。 A circuit diagram of a switching amplifier and a low-pass filter according to the present invention is shown in FIG.
各ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10及び30の「ON/OFF」動作タイミングおよびLPF60に入力するLPF電流I1、I2の方向、絶対電流値についても従来技術と同様である。ここで、従来技術の構成と異なる構成部分は、図2で示したコイルL21及びL22を用いたLPF50の代わりに、結合係数が1である結合トランスを用いたLPF60である。
The “ON / OFF” operation timing of each of the half-
以下に、各ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の出力接続点S1を電磁結合トランス61のコイルL1の+端子に接続し、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の出力接続点S2を電磁結合トランス61のコイルL2の−端子を接続した時の動作を説明する。
Below, the output connection point S1 of each half-bridge
ハーフブリッジ型スイッチングアンプ10の出力接続点S1を電磁結合トランス61のコイルL1の+端子に接続し、ハーフブリッジ型スイッチングアンプ30の出力接続点S2と電磁結合トランス61のコイルL2の+端子に同相接続すると、コイルL1,L2で発生する磁束は逆方向となるため、磁束を打ち消し合い、コイルL1,L2はコイルの機能を失ってしまうことになる。そこで、LPF電流I1,I2によりコイルL1,L2で発生する磁束は、同一方向となるように接続する。磁束が同一方向となる接続を行うことで、コイルL1,L2は、通常のインダクタンス有するコイルとして作用することになる。
The output connection point S1 of the half-bridge
以上の説明により、ハーフブリッジ型アンプ10の出力接続点S1を電磁結合トランス61のコイルL1の+端子に接続し、ハーフブリッジ型アンプ30の出力接続点S2を電磁結合トランス61のコイルL2の−端子に接続することによって、ハーフブリッジ型アンプ10,30の出力をフィルタリングするLPFを構成することが可能となる。
As described above, the output connection point S1 of the half-
さらに、コイルL1,L2を2並行線で構成した場合、結合係数はほぼ1とすることができる。即ち、相互インダクタンスMは、M2=L1*L2となる。尚且つ、コイルL1,L2のインダクタンス値は、ほぼ同一値とすることができる(M=L1又はL2)。従って、コイルL1とコンデンサC1、コイルL2とコンデンサC2でLPFを構成しており、コイルL1、L2のインダクタンス値がほぼ同一値で形成することができるため、LPF特性の偏差はコンデンサC1、C2の容量値の差のみに依存することとなる。これにより、従来のLPFの偏差より、さらに偏差が少なくなり、LPFの特性を改善することができる。 Furthermore, when the coils L1 and L2 are configured by two parallel lines, the coupling coefficient can be approximately 1. That is, the mutual inductance M is M 2 = L1 * L2. In addition, the inductance values of the coils L1 and L2 can be substantially the same value (M = L1 or L2). Therefore, the coil L1 and the capacitor C1, and the coil L2 and the capacitor C2 constitute an LPF, and the inductance values of the coils L1 and L2 can be formed with substantially the same value. It depends only on the difference in capacitance value. As a result, the deviation is further smaller than the deviation of the conventional LPF, and the characteristics of the LPF can be improved.
スイッチングアンプを使用してオーディオ信号増幅を行う際に、高周波信号を含むスイッチング信号から低周波信号のみを効率的に通過させるローパスフィルタの用途にも使用できる。 When an audio signal is amplified using a switching amplifier, it can be used for a low-pass filter that efficiently passes only a low-frequency signal from a switching signal including a high-frequency signal.
1 従来のスイッチングアンプ及びローパスフィルタ
3 本発明に係るスイッチングアンプ及びローパスフィルタ
10 ハーフブリッジ型スイッチングアンプ
20 第1の変換器
30 ハーフブリッジ型スイッチングアンプ
40 第2の変換器
50 ローパスフィルタ
51 負荷抵抗
60 ローパスフィルタ
61 電磁結合トランス
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第1の信号と逆相の第2の信号から、第1及び第2の制御信号をそれぞれ生成する第2の変換器と、
第1のスイッチング素子のソースと第2のスイッチング素子のドレインとの接続点を介して接続し、第1のスイッチング素子のドレインに供給電源電圧を印加し、前記第2のスイッチング素子のソースをグランドに接地して、前記第1及び第2の制御信号を最終的に増幅する第1及び第2のハーフブリッジ型スイッチングアンプと、
前記第1のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第1のコイル及び第1のコンデンサからなる第1のローパスフィルタと、前記第2のハーフブリッジ型スイッチングアンプの出力信号の低域成分を通過せしめる第2のコイル及び第2のコンデンサからなる第2のローパスフィルタと、
を備え、
前記第1のコイルと前記第2のコイルは、前記第1の信号及び該第1の信号と逆相の前記第2の信号により生成される磁束が同一方向となるように接続され、結合係数が略1である電磁結合回路を構成し、漏れインダクタンスに依存しない略同一のインダクタンスを形成するようにしたことを特徴とする信号増幅出力装置。 A first converter for generating first and second control signals from the first signal;
A second converter for generating a first control signal and a second control signal, respectively, from a second signal having a phase opposite to that of the first signal;
Connection is made via a connection point between the source of the first switching element and the drain of the second switching element, a supply power supply voltage is applied to the drain of the first switching element, and the source of the second switching element is grounded And first and second half-bridge switching amplifiers for finally amplifying the first and second control signals;
A first low-pass filter comprising a first coil and a first capacitor that allows a low-frequency component of the output signal of the first half-bridge switching amplifier to pass; and an output signal of the second half-bridge switching amplifier. A second low-pass filter comprising a second coil and a second capacitor that allow low-pass components to pass;
With
The first coil and the second coil are connected such that the magnetic flux generated by the first signal and the second signal having a phase opposite to the first signal are in the same direction, and a coupling coefficient A signal amplification output device comprising an electromagnetic coupling circuit in which substantially 1 is formed and substantially the same inductance independent of leakage inductance is formed .
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