JP4169124B2 - Class D amplifier - Google Patents
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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等に用いられるD級増幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
音声信号の電力増幅を高効率・低損失に行い、これにより機器の小型化を可能とするためにD級増幅器が従来から用いられている。また、D級増幅器において、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回路に導く構成、また、このPWM変換を行うために使用され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構成が知られている(例えば特開平11−261347、特開2001−29240参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−261347号公報
【特許文献2】
特開2001−29240号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公知の構成により精度の良いパルス幅変調信号を得ることが可能であり、電力スイッチ回路の出力に高精度に反映させることにより増幅器出力として高品位な音声信号を得ることができる。しかしながら電力スイッチ回路に供給される電源電圧が変動する場合、出力信号に歪が生じるという問題がある。定電圧回路を介して電力スイッチ回路に常に一定の電圧を供給するようにすれば出力信号の歪を低減することは可能であるが、電力スイッチ回路の消費する電力は比較的大きくその定電圧回路における電力損失も大きくなるので、音声信号の電力増幅を高効率・低損失で行えなくなるという別の問題が発生する。
【0005】
本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、電力スイッチ回路に供給される電源電圧の変動に起因する出力信号の歪が従来に比べ大幅に低減され、且つ、電源電圧が比較的広い範囲で変化しても無歪最大出力レベルがそれほど低下しない高効率のD級増幅器を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、パルス幅変調された入力信号に従い直流電源電圧をスイッチングするスイッチ手段と、前記スイッチ手段に供給される入力信号のパルス幅を、前記スイッチ手段の出力から生成される帰還信号の振幅に応じて補正する帰還補正手段とを含むD級増幅器であって、前記帰還信号から前記電源電圧の直流成分に基づいて生成される基準電圧を差し引く減算手段と、該減算手段の出力に固定直流電圧を加算する加算手段とを備え、該加算手段の出力を前記帰還補正手段に供給する演算手段を備えることを特徴とするD級増幅器により達成される。
【0007】
上記目的はまた、パルス幅変調された入力信号に従い直流電源電圧をスイッチングするスイッチ手段と、前記スイッチ手段に供給される入力信号のパルス幅を、前記スイッチ手段の出力から生成される帰還信号の振幅に応じて補正する帰還補正手段とを含むD級増幅器であって、前記帰還補正手段が、前記入力信号を積分する第1の積分手段と、前記帰還信号と前記電源電圧の直流成分に基づいて生成される基準電圧との差分を積分する第2の積分手段と、前記第1及び第2の積分手段の出力を比較する比較手段とを備え、該比較手段の出力が前記スイッチング手段に供給されることを特徴とするD級増幅器により達成される。
【0008】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1のブロック図に本発明の実施の形態1に係るD級増幅器の構成を示す。このD級増幅器は、パルス変調手段1、補正回路2、電力スイッチ回路3、帰還回路4、低域フィルタ5、スピーカ6、第1の定電圧回路7、第2の定電圧回路8、直流出力基準信号生成手段10、演算手段11を含む。該D級増幅器には、電源端子9を介して外部の電源から電源電圧Vccが供給される。
【0009】
パルス変調手段1は音声信号でパルス幅変調された2値パルス信号(以下、PWM信号という)を生成するものであり、電力スイッチ回路3は補正回路2で補正された2値パルス信号の値に応じて電源(またはグラウンド)と出力との間を接続するスイッチング動作を行うものであり、増幅器出力に接続される負荷(スピーカ6)への電力供給を可能とする。
【0010】
低域フィルタ5は電力スイッチ回路3の出力から高周波成分を除去することにより音声信号を復調してスピーカ6に与えることで、音声の再生を行うものである。帰還回路4は電力スイッチ回路3の出力を適切なレベルに減衰して補正回路2に与えるものである。
【0011】
パルス変調手段1はデジタル化された音声信号をデルタシグマ変調するデルタシグマ変調器101及びデルタシグマ変調された音声信号をPWM信号に変換するPWM変換器102を含む。
【0012】
直流出力基準信号生成手段10は、低域フィルタ201及びレベル調整器202を含み、また、演算手段11は減算器203及び加算器204を含む。
【0013】
第1の定電圧回路7は主に論理回路で構成され、端子9を介して外部電源から供給される電源電圧を一定の値に安定化させ、パルス変調手段1に供給するものである。第2の定電圧回路8も主に論理回路で構成され、端子9を介して外部電源から供給される電源電圧を一定の値に安定化させ、補正回路2に供給するものである。
【0014】
図1では、電力スイッチ回路3は端子9に直接に接続されているが、実際にはインダクタ、コンデンサで構成される低域フィルタを介して接続することが一般的である。但し、これは電源電圧に含まれる高周波ノイズを除去するためのものであり、定電圧回路とは異なり、音声周波数帯の低周波の電圧変動の抑圧効果は持たない。これは前述したように、比較的大きな電力を必要とする電力スイッチ回路3に供給する電圧を安定化させるために定電圧回路を使用すると、この部分で大きな電力損失が発生するという不利益が生じ、またこの回路の搭載のためのコストも大きくなるからである。本実施形態では、定電圧回路に代わるものとして帰還補正を行う補正回路2を用いている。
【0015】
図2のブロック図に補正回路2の内部構成を示す。補正回路2は、第1の減算器20、第1の積分器21、利得調整器22、第2の減算器23、第2の積分器24、比較器25を含む。第1の減算器20、第1の積分器21及び利得調整器22は、出力を入力に負帰還させる手段を備える積分手段を構成している。該積分手段は、パルス変調手段1からのパルス変調信号を積分しその低域成分を強調するとともに利得調整器22を通した負帰還により低周波利得を適度に抑制して積分出力が回路の動作範囲を越えることを防止する動作を行う。
【0016】
また、第2の減算器23及び第2の積分器24は、演算手段11から出力される帰還信号から利得調整器22の出力を差し引いて積分を行うものであり、帰還信号、即ち電力スイッチ回路の出力に含まれる低域成分を強調する作用を有する。比較器25は、第1の積分器21及び第2の積分器24の出力の比較を行い、その差を2値パルス信号(補償PWM信号)として電力スイッチ回路3に出力するものである。
【0017】
図3は、この補正回路2の各部の信号波形を示すものである。図3において30は、パルス変調手段1から出力されるPWM信号波形である。PWM信号の振幅はVsigであり、第1の積分器21がほぼVsig/2を中心に動作するものとすると、第1の積分器21の出力波形は31に示すようなものとなる。また、帰還回路4の利得を1/Kとし、電力スイッチ回路3の出力電圧をVswとすると、演算手段11の出力電圧Vswに対する補正がない場合には、帰還信号Vfbの振幅はVsw/Kとなる。この振幅Vsw/KがほぼVsigに等しく第2の積分器24がほぼVsig/2を中心に動作するものとすると第2の積分器24の出力波形は32に示すようなものとなる。
【0018】
このため比較器25の出力波形は33に示すようなものとなる。また、帰還信号Vfbは、比較器25の出力33から主に電力スイッチ回路3における遅延δだけ遅れ、帰還回路4によりその振幅がほぼ一定量減衰された34に示すような波形を有する。
【0019】
このように、パルス変調手段1が出力するPWM信号と電力スイッチ回路3から出力され、帰還系を通して入力される帰還信号との比較に基づき、補償PWM信号出力が生成され、これが電力スイッチ回路3及び帰還系を経て再び帰還信号になるという一連の帰還動作が行われる。
【0020】
なお図3に示した波形は、PWM信号と帰還信号の振幅はほぼ等しく、電力スイッチ回路3では時間遅延δがあるのみで波形歪みの発生が無い場合のものであり、PWM信号30と補償PWM信号33とは相似の波形となっている。しかし、電力スイッチ回路3に供給される電源電圧が規定値より大きくなり、それに従い帰還信号の振幅がPWM信号の振幅より大きくなると、第2の積分器24の出力のレベルが増大し、図3では波形32が上方に移動する。この場合、波形31が波形32を上回る期間、即ち比較器25出力が”H”となる期間が短くなり、このとき、第2の積分器24の低域成分に対する利得が十分大であれば、比較器25の出力、即ち補償PWM信号のパルス幅は、帰還信号の低域成分がPWM信号の低域成分にほぼ等しくなるまで減少して行き、電力スイッチ回路3に供給される電源電圧の増大に対する補償が行われることとなる。
【0021】
逆に電力スイッチ回路3に供給される電源電圧が規定値より小さくなり、帰還信号の振幅がPWM信号の振幅より小さくなる場合には、第2の積分器24の出力レベルが減少し、図3では波形32が下方に移動する。この場合、波形31が波形32を上回る期間、即ち比較器25出力が”H”となる期間が長くなり、このとき、第2の積分器24の低域成分に対する利得が十分大であれば、比較器25の出力即ち補償PWM信号のパルス幅は、帰還信号の低域成分がPWM信号の低域成分にほぼ等しくなるまで増加して行き、電力スイッチ回路3に供給される電源電圧の減少に対する補償が行われることとなる。
【0022】
このように、補正回路2はPWM信号に対し、帰還信号との低周波成分の差に基づく補正(パルス幅の補正)を加えながらPWM信号を出力に伝達する動作を行う。
【0023】
図4に補正回路2の具体的な回路構成の例を示す。この例では補正回路2は抵抗器50〜53、コンデンサ54,55、演算増幅器56,57、比較器58を含む。図4において、仮想グラウンドとしての演算増幅器56の反転入力には抵抗器50を通してPWM信号が印加され、更に抵抗器51を通して該演算増幅器56の出力が印加され、これにより、第1の減算器20の動作が実現される。抵抗器50と51の比率の調整により利得調整器22の動作が実現される。また、演算増幅器56の反転入力と出力とに接続されたコンデンサ54に電荷が蓄積されることにより第1の積分手段21の動作が実現される。
【0024】
同様に、仮想グラウンドとしての演算増幅器57の反転入力には抵抗器52を通して演算増幅器56の出力が印加され、更に抵抗器53を通して帰還信号が印加され、これにより、第2の減算器23の動作が実現される。また抵抗器53及び52の比率の調整により利得調整器22の動作が実現される。また、演算増幅器57の反転入力と出力とに接続されたコンデンサ55に電荷が蓄積されることにより第2の積分手段24の動作が実現される。
【0025】
尚、図4の比較器58は図2の比較器25に相当するものであるが、演算増幅器56及び57の出力の正負の符号は、第1の積分器21及び第2の積分器24のそれと逆の関係にあるため、演算増幅器56の出力を比較器58の反転入力に与え、演算増幅器57の出力を比較器58の非反転入力に与えている。
【0026】
以上説明したように、パルス変調手段1から補正回路2に入力されるPWM信号及び電力スイッチ回路3から出力され適切な減衰の後、帰還信号として補正回路2に入力されるPWM信号はともに直流成分を含んでおり、補正回路2ではこの直流成分を含めて補正を行っている。その理由は、直流成分が含まれるとは言えPWM信号は基本的に2値の信号であり、2つの状態”H”及び”L”において取るべき電圧値が回路の各部位において予め決まっており、例えばコンデンサにより直流成分を阻止し、直流動作点のみを別個に設定するといったアナログ回路における常套手段を用いることができないためであり、また補正回路2は内部に直流利得の高い積分器を備えており、直流帰還により回路の動作点を安定化することが現実的でもあるからである。
【0027】
このように帰還補正を直流電位を含めて行っても、電源電圧の変動が小さい場合には特に問題は発生しない。しかしながら、電源電圧が大きく変化する場合には問題が生じる。例えば自動車に搭載する機器においては通常、電源電圧が11Vから16Vの範囲で変化しても支障無く動作することが求められ、そのため設計中心を13.2Vとするとき、電源電圧がほぼ+/−20%の範囲で変動しても支障無く動作することを保証する必要がある。この様な条件において、出力信号の歪を抑制するため上記の補正を行うと、以下に説明するように、特に電源電圧が低下する場合に、最大無歪音声信号出力が急速に小さくなるという問題が生じる。
【0028】
例えば、補正回路2を含む帰還系において、電源電圧が設計中心である13.2Vの時、パルス変調手段1からのPWM信号が無変調である場合、言い換えればパルスのデューティ比が50%の場合に増幅器出力の直流電位が電源電圧の1/2である6.6Vとなるように利得を調整したと仮定する。この場合、電源電圧が例え11Vから16Vの範囲に渡って変化しても、PWM信号が無変調の時の増幅器出力直流電位(以下、単に無変調時増幅器出力電位という)は帰還補正によりほぼ6.6Vに維持されることになる。またこの調整では、電源電圧が設計中心である13.2Vの時、パルス変調手段1が出力するPWM信号のパルス・デューティ比が約80%の場合に増幅器出力直流電位が11Vに達することとなるが、電源電圧が13.2Vから11Vに低下しても、帰還補正によりPWM信号のパルス・デューティ比が約80%の場合には増幅器出力直流電位が11Vに達することとなる。即ち、電源電圧が11Vに低下した場合には、PWM信号のパルス・デューティ比が約80%を超えた時点で増幅器出力が飽和してしまうことを意味する。
【0029】
図5は、この状況を信号波形により説明するものであり、40は無変調時増幅器出力電位を6.6Vに設定した状態で電源電圧が11Vに低下した時の無歪最大出力状態の出力信号の波形(正弦波)を示す。この無歪最大出力信号のレベルは(11−6.6)×2=8.8Vppである。ここで、無変調時増幅器出力電位を、この時の電源電圧(11V)の1/2である5.5Vにシフトした場合、無歪最大出力状態の出力信号の波形(正弦波)は41で示すものとなる。この場合には、無歪最大出力信号のレベルは5.5×2=11Vppに増加する。
【0030】
このように、電源電圧が比較的広い範囲で変化する場合には、無歪最大出力をできるだけ大きくするため、その時々の電源電圧に応じてPWM信号パルス・デューティ比と増幅器出力直流電位の対応を変えること、具体的には無変調時増幅器出力電位が常に電源電圧の1/2となるよう帰還系の設定を変更することが望ましい。そのため、本実施形態では、直流出力基準信号生成手段10及び演算手段11を備えている。以下にこれらの手段について説明する。
【0031】
直流出力基準信号生成手段10は、無変調時増幅器出力電位を目標値に維持するために用いる基準信号を生成するものである。ここで無変調時増幅器出力電位の目標値は、電力スイッチ回路3に供給される電源電圧Vccのその時々の値の1/2であることであることは先に説明した通りである。このため本実施形態においては、帰還回路4の利得1/Kに対し、直流出力基準信号生成手段10は、利得1/2Kを有する内部のレベル調整器202により入力電圧、即ち電源電圧VccをVcc/(2・K)に減衰させる。なお、電源電圧に含まれる交流変動成分は直流出力基準信号生成手段10の低域フィルタ201により除去されるので、生成される基準信号は交流変動の影響を受けない。
【0032】
演算手段11は、減算器203により帰還回路4の出力から直流出力基準信号生成手段10の出力する直流出力基準信号を差し引き、更に加算器12により、固定電位Vsig/2を加算する。ここで電力スイッチ回路3の出力に含まれる直流成分をVswとすると、演算手段11の出力Vfbは、
Vfb=Vsw/K−Vcc/(2・K)+Vsig/2 …(1)
と表すことができる。
【0033】
ここで補正回路2は、PWM信号が無変調の場合、帰還信号に含まれる低域成分、即ちVfbが該PWM信号に含まれる低域成分Vsig/2に等しくなるように動作する。従って(1)式にVfb=Vsig/2の関係を適用すると、Vsw=Vcc/2となる。低域フィルタ5はVswから増幅器出力を生成するので、上記構成により所望の動作が得られること明らかである。
【0034】
なお本実施形態では、演算手段11による直流電位の減算及び加算を帰還回路4を通過した信号に対して行っているが、これを電力スイッチ回路3の出力に対して直接行い、その結果を帰還回路4を通して減衰させる構成とすることも可能である。この場合、減算する信号をVcc/2とし、加算する信号をK・Vsig/2とすべきことは言うまでもない。また、減算及び加算の順序を入れ替えても差し支えない。
【0035】
実施の形態2.
図6のブロック図に本発明の第2の実施形態に係るD級増幅器の構成を示す。実施の形態2は、演算手段11を備えず、補正回路2に代えて補正回路13を用いる点で実施の形態1と異なる。
【0036】
補正回路13は、実施の形態1における補正回路2と基本的には同じ動作を行うものであるが、直流出力基準信号生成手段10からの出力を受けて無変調時増幅器出力電位を制御する機能を内包している。この補正回路13の回路構成を図7に示す。
【0037】
同図に示すように、補正回路13は、第2の積分器を構成する差動入力形式の演算増幅器57の非反転入力には、抵抗器60を通して直流出力基準信号生成手段の出力が印加され、この非反転入力は更に抵抗器59を通して直流電位Vc1を与える固定電位点に接続されている点で補正回路2の構成と異なる。
【0038】
図示の回路構成のように信号の帰還経路に直流利得の非常に大きな積分器が挿入される場合、帰還動作により決定される直流動作点は、該積分器の動作によりほぼ決定される。具体的には、演算増幅器57で構成される第2の積分器は、直流信号に対してはほぼ無帰還の状態における演算増幅器57の有する利得を持つこととなるから、帰還動作の結果、演算増幅器56が出力する直流出力の電位がどのように変化しても、それによって生じる差動入力間の差は僅少となる。言いかえれば、この条件が成立するよう関係する部位の直流動作点が決まることとなる。
【0039】
演算増幅器57の反転入力及び非反転入力のインピーダンスを、該反転入力及び非反転入力に接続された抵抗器52,53,59及び60の抵抗値に比べ十分大きくし、抵抗器52,53,59及び60を通して信号を与える各素子の出力インピーダンスを十分低くすることに実現上の困難は無い。
【0040】
ここで説明の便宜上、抵抗器52及び59の抵抗値を等しくR3とし、抵抗器53及び60の抵抗値を等しくR4とする。また直流出力基準信号生成手段10からの出力を実施の形態1同様Vcc/(2・K)とすると、演算増幅器57の非反転入力の直流電位Vpは、
Vp=(Vc1・R4+Vcc・R3/(2・K))/(R3+R4)…(2)
となる。
【0041】
また、演算増幅器57の反転入力の直流電位をVnとすると、直流成分に対してはコンデンサ55のインピーダンスは無限大であるため、その影響を無視することができるから、
Vn=(Vt0・R4+Vfb・R3)/(R3+R4)…(3)
となる。Vt0は演算増幅器56が出力する直流電位である。
【0042】
ここで入力されるPWM信号の無変調時直流電位をVsig/2とし、このときのVt0の値をVt00とすると、
Vt00=Vc0・(R1+R2)/R1−Vsig・R2/(2・R1)
となる。ここでは抵抗器50の抵抗値をR1、抵抗器51の抵抗値をR2としている。
【0043】
この式に示されるように、Vt00の値はPWM信号の直流電位、演算増幅器56の非反転入力に与えられる固定電位Vc0及び抵抗器50及び51の抵抗値により定まる固定の値である。従って、固定電位Vc1をVt00に等しくなるように設定すればPWM信号無変調時の(2)及び(3)式の右辺第1項は等しくなる。
【0044】
先に説明した通り、補正回路13が正常に動作している場合、(2)及び(3)式で表したVp及びVnはほぼ等しくなるから、この場合(2)及び(3)式の右辺第2項も等しくなる。即ち、Vfb=Vcc/(2・K)となる。これはPWM信号無変調時に、帰還信号の直流電位が、直流出力基準信号に等しくなるよう帰還動作が行われることを示している。
【0045】
また、これは電力スイッチ回路3の直流成分をVswとし、Vfb=Vsw/Kとするとき、Vswが電源電圧Vccの1/2となるよう帰還動作が行われること、即ち所望の動作が行われることを示している。
【0046】
なお設定条件として、R1〜R4をすべて同一の抵抗値Rとし、固定電位Vc0をVsig/2に設定することも可能であり、このようにすればVt00=Vsig/2となり、固定電位Vc1を同じくVsig/2とすることができるため、回路構成が簡単になる。
【0047】
以上説明した回路構成では、抵抗器52及び59の抵抗値が相等しく、抵抗器53及び60の抵抗値が相等しいが、それらが異なる構成であっても同じ効果を得るこができる。
【0048】
更に、若干構成が複雑にはなるが、直流出力基準信号生成手段10の出力を第2の積分器を構成する差動増幅器57の非反転入力に与える代わりに、この信号を反転させる手段、即ち電源電圧の増減に対し直流出力基準信号の増減の方向を逆転させる手段を設け、この反転された信号を抵抗器を介して差動増幅器57の反転入力に与える構成とすることも可能である。この場合、差動増幅器の非反転入力の電位は固定となるため、この増幅器の実現が容易となる。
【0049】
なお以上説明したD級増幅器は、出力段がシングルエンドになっているが、本発明はそれに限定されるものではなく、互いに180度位相の異なる音声信号を出力する2つの出力段を備えた、いわゆるBTL構成にも適用可能である。すなわちBTL構成の各出力段に対し、上記構成の補正回路を追加適用することにより、上記の歪み改善効果を同様に得ることができる。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、電力スイッチ回路に供給される電源電圧の変動に起因する出力信号の歪が従来に比べ大幅に低減され、且つ、電源電圧が比較的広い範囲で変化しても無歪最大出力レベルがそれほど低下しない高効率のD級増幅器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係るD級増幅器の構成を示すブロック図である。
【図2】 実施の形態1のD級増幅器の補正回路の構成を示すブロック図である。
【図3】 実施の形態1のD級増幅器の各部の信号波形を示す図である。
【図4】 実施の形態1のD級増幅器の補正回路の回路図である。
【図5】 実施の形態1のD級増幅器の出力波形を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態2に係るD級増幅器の構成を示すブロック図である。
【図7】 実施の形態2のD級増幅器の補正回路の回路図である。
【符号の説明】
1 パルス変調手段、 2 補正回路、 3 電力スイッチ回路、 4 帰還回路、 5 低域フィルタ、 6 スピーカ、 7 第1の定電圧回路、 8 第2の定電圧回路、 9 電源端子、 10 直流出力基準信号生成手段、 11 演算手段、 13 補正回路、 20 第1の減算器、 21 第1の積分器、 22 利得調整器、 23 第2の減算器、 24 第2の積分器、 25
比較器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a class D amplifier used for power amplification of an audio signal.
[0002]
[Prior art]
A class D amplifier has been conventionally used in order to perform power amplification of an audio signal with high efficiency and low loss, thereby enabling downsizing of the device. Further, in the class D amplifier, a configuration in which a digitized audio signal is directly converted into a pulse width modulation (PWM) signal and led to a power switch circuit, and also by a requantization means used for performing this PWM conversion A configuration for reducing the rounding error by using delta-sigma modulation is known (see, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-261347 and 2001-29240).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-261347 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-29240
[Problems to be solved by the invention]
With the above known configuration, it is possible to obtain a pulse width modulation signal with high accuracy, and it is possible to obtain a high-quality audio signal as an amplifier output by reflecting it with high accuracy in the output of the power switch circuit. However, when the power supply voltage supplied to the power switch circuit varies, there is a problem that distortion occurs in the output signal. Although it is possible to reduce the distortion of the output signal by always supplying a constant voltage to the power switch circuit via the constant voltage circuit, the power consumed by the power switch circuit is relatively large. As a result, the power loss of the audio signal becomes large, which causes another problem that the power amplification of the audio signal cannot be performed with high efficiency and low loss.
[0005]
The present invention has been made in view of the above problems, and distortion of an output signal caused by fluctuation of a power supply voltage supplied to a power switch circuit is greatly reduced as compared with the conventional one, and the power supply voltage is within a relatively wide range. An object of the present invention is to provide a high-efficiency class D amplifier whose distortion-free maximum output level does not decrease so much even if it changes.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The object is to switch the DC power supply voltage according to a pulse width modulated input signal, and to change the pulse width of the input signal supplied to the switch means to the amplitude of the feedback signal generated from the output of the switch means. depending a class D amplifier comprising a feedback correction means for correcting, subtracting means for subtracting the reference voltage generated on the basis of the feedback signal to the DC component of the power supply voltage, a fixed DC voltage output of the subtraction means It is achieved by a class D amplifier, characterized in that it comprises an adding means for adding and an arithmetic means for supplying the output of the adding means to the feedback correction means .
[0007]
The above object is also achieved by switching means for switching a DC power supply voltage in accordance with a pulse width modulated input signal, and the pulse width of the input signal supplied to the switching means, the amplitude of the feedback signal generated from the output of the switching means. And a feedback correction unit that corrects the input signal according to the first correction unit that integrates the input signal, the feedback signal, and a DC component of the power supply voltage. A second integrating means for integrating the difference from the generated reference voltage; and a comparing means for comparing the outputs of the first and second integrating means, and the output of the comparing means is supplied to the switching means. This is achieved by a class D amplifier.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The block diagram of FIG. 1 shows the configuration of a class D amplifier according to
[0009]
The pulse modulation means 1 generates a binary pulse signal (hereinafter referred to as a PWM signal) that is pulse-width modulated with an audio signal, and the
[0010]
The low-
[0011]
The pulse modulation means 1 includes a delta-
[0012]
The DC output reference signal generation means 10 includes a
[0013]
The first
[0014]
In FIG. 1, the
[0015]
The internal configuration of the
[0016]
The
[0017]
FIG. 3 shows signal waveforms at various parts of the
[0018]
For this reason, the output waveform of the
[0019]
Thus, a compensated PWM signal output is generated based on a comparison between the PWM signal output from the pulse modulation means 1 and the feedback signal output from the
[0020]
Note that the waveforms shown in FIG. 3 are those in which the amplitudes of the PWM signal and the feedback signal are substantially equal, and the
[0021]
Conversely, when the power supply voltage supplied to the
[0022]
As described above, the
[0023]
FIG. 4 shows an example of a specific circuit configuration of the
[0024]
Similarly, the output of the
[0025]
The
[0026]
As described above, both the PWM signal input from the pulse modulation means 1 to the
[0027]
Thus, even if feedback correction is performed including the DC potential, no particular problem occurs when the fluctuation of the power supply voltage is small. However, problems arise when the power supply voltage changes significantly. For example, in a device mounted on an automobile, it is usually required to operate without any trouble even if the power supply voltage changes in the range of 11V to 16V. Therefore, when the design center is 13.2V, the power supply voltage is almost +/−. It is necessary to ensure that it operates without trouble even if it fluctuates within a range of 20%. Under such conditions, when the above correction is performed to suppress distortion of the output signal, the maximum undistorted audio signal output is rapidly reduced particularly when the power supply voltage is lowered, as will be described below. Occurs.
[0028]
For example, in the feedback system including the
[0029]
FIG. 5 illustrates this situation with a signal waveform.
[0030]
In this way, when the power supply voltage changes in a relatively wide range, in order to maximize the undistorted maximum output, the correspondence between the PWM signal pulse / duty ratio and the amplifier output DC potential depends on the power supply voltage at that time. Specifically, it is desirable to change the setting of the feedback system so that the unmodulated amplifier output potential is always ½ of the power supply voltage. Therefore, in this embodiment, the DC output reference signal generation means 10 and the calculation means 11 are provided. These means will be described below.
[0031]
The DC output reference signal generating means 10 generates a reference signal used for maintaining the amplifier output potential at the time of no modulation at a target value. Here, as described above, the target value of the unmodulated amplifier output potential is ½ of the current value of the power supply voltage Vcc supplied to the
[0032]
The calculating means 11 subtracts the DC output reference signal output from the DC output reference signal generating means 10 from the output of the
Vfb = Vsw / K-Vcc / (2.K) + Vsig / 2 (1)
It can be expressed as.
[0033]
Here, when the PWM signal is not modulated, the
[0034]
In the present embodiment, the subtraction and addition of the DC potential by the calculation means 11 is performed on the signal that has passed through the
[0035]
The block diagram of FIG. 6 shows the configuration of a class D amplifier according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment is different from the first embodiment in that the
[0036]
The
[0037]
As shown in the figure, in the
[0038]
When an integrator having a very large DC gain is inserted in the signal feedback path as in the illustrated circuit configuration, the DC operating point determined by the feedback operation is substantially determined by the operation of the integrator. Specifically, since the second integrator constituted by the
[0039]
The impedance of the inverting input and the non-inverting input of the
[0040]
Here, for convenience of explanation, the resistance values of the
Vp = (Vc1 · R4 + Vcc · R3 / (2 · K)) / (R3 + R4) (2)
It becomes.
[0041]
Further, if the DC potential of the inverting input of the
Vn = (Vt0 · R4 + Vfb · R3) / (R3 + R4) (3)
It becomes. Vt0 is a DC potential output from the
[0042]
If the unmodulated DC potential of the PWM signal input here is Vsig / 2, and the value of Vt0 at this time is Vt00,
Vt00 = Vc0 · (R1 + R2) / R1−Vsig · R2 / (2 · R1)
It becomes. Here, the resistance value of the
[0043]
As shown in this equation, the value of Vt00 is a fixed value determined by the DC potential of the PWM signal, the fixed potential Vc0 applied to the non-inverting input of the
[0044]
As described above, when the
[0045]
In addition, when the DC component of the
[0046]
As a setting condition, it is possible to set all of R1 to R4 to the same resistance value R and set the fixed potential Vc0 to Vsig / 2. In this way, Vt00 = Vsig / 2 and the fixed potential Vc1 is the same. Since Vsig / 2 can be set, the circuit configuration is simplified.
[0047]
In the circuit configuration described above, the resistance values of the
[0048]
Further, although the configuration is slightly complicated, instead of supplying the output of the DC output reference signal generating means 10 to the non-inverting input of the
[0049]
The class D amplifier described above has a single-ended output stage, but the present invention is not limited to this, and has two output stages that output audio signals that are 180 degrees out of phase with each other. The present invention can also be applied to a so-called BTL configuration. That is, the distortion improvement effect can be obtained in the same manner by additionally applying the correction circuit having the above configuration to each output stage having the BTL configuration.
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, the distortion of the output signal due to the fluctuation of the power supply voltage supplied to the power switch circuit is greatly reduced compared to the conventional case, and the distortion-free maximum even if the power supply voltage changes within a relatively wide range. A high-efficiency class D amplifier is provided that does not significantly reduce the output level.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a class D amplifier according to
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a correction circuit of the class D amplifier according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing signal waveforms at various parts of the class D amplifier according to the first embodiment.
4 is a circuit diagram of a correction circuit of the class D amplifier according to
FIG. 5 is a diagram showing an output waveform of the class D amplifier according to the first embodiment.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a class D amplifier according to
FIG. 7 is a circuit diagram of a correction circuit of the class D amplifier according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 pulse modulation means, 2 correction circuit, 3 power switch circuit, 4 feedback circuit, 5 low-pass filter, 6 speaker, 7 first constant voltage circuit, 8 second constant voltage circuit, 9 power supply terminal, 10 DC output reference Signal generating means, 11 computing means, 13 correction circuit, 20 first subtractor, 21 first integrator, 22 gain adjuster, 23 second subtractor, 24 second integrator, 25
Comparator.
Claims (4)
前記帰還信号から前記電源電圧の直流成分に基づいて生成される基準電圧を差し引く減算手段と、該減算手段の出力に固定直流電圧を加算する加算手段とを備え、該加算手段の出力を前記帰還補正手段に供給する演算手段を備えたことを特徴とするD級増幅器。Switch means for switching a DC power supply voltage in accordance with a pulse width modulated input signal, and correcting the pulse width of the input signal supplied to the switch means in accordance with the amplitude of the feedback signal generated from the output of the switch means A class D amplifier including feedback correction means,
Subtracting means for subtracting a reference voltage generated based on a DC component of the power supply voltage from the feedback signal, and adding means for adding a fixed DC voltage to the output of the subtracting means, the output of the adding means being the feedback A class D amplifier comprising arithmetic means for supplying correction means .
前記帰還補正手段が、前記入力信号を積分する第1の積分手段と、前記帰還信号と前記電源電圧の直流成分に基づいて生成される基準電圧との差分を積分する第2の積分手段と、前記第1及び第2の積分手段の出力を比較する比較手段とを備え、該比較手段の出力が前記スイッチング手段に供給されることを特徴とするD級増幅器。Switch means for switching a DC power supply voltage in accordance with a pulse width modulated input signal, and correcting the pulse width of the input signal supplied to the switch means in accordance with the amplitude of the feedback signal generated from the output of the switch means A class D amplifier including feedback correction means,
The feedback correction means is a first integration means for integrating the input signal; a second integration means for integrating a difference between the feedback signal and a reference voltage generated based on a DC component of the power supply voltage; Comparing means for comparing the outputs of the first and second integrating means, and the output of the comparing means is supplied to the switching means.
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