JP4393259B2 - Class D amplifier - Google Patents

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Description

本発明は、音声信号の電力増幅を主目的とするD級増幅器の電磁波妨害(EMI)低減に関するものである。   The present invention relates to electromagnetic interference (EMI) reduction of a class D amplifier whose main purpose is power amplification of an audio signal.

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。D級増幅器の変調方式としては、パルス幅変調(PWM)タイプとデルタシグマ(ΔΣ)変調タイプに大別され、ΔΣ変調タイプにはPWMを併用する場合もある。例えば、特許文献1に示されているのは、デジタル化された音声入力信号をPWM信号に変換して電力スイッチに導く構成であり、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ΔΣ変調を用いて低減する手法をとっている。   Conventionally, class D amplification has been used as a method that enables downsizing of a device by performing power amplification of an audio signal with high efficiency and low loss. The modulation system of the class D amplifier is roughly classified into a pulse width modulation (PWM) type and a delta sigma (ΔΣ) modulation type, and the ΔΣ modulation type may use PWM together. For example, Patent Document 1 shows a configuration in which a digitized audio input signal is converted into a PWM signal and guided to a power switch, and rounding errors caused by re-quantization means necessary for performing PWM conversion are disclosed. Is taken using ΔΣ modulation.

D級増幅器では、PWM信号によって電力スイッチのON/OFF動作を繰り返すため、その度に大電流を流したり止めたりすることになり、大きな電磁波妨害を発生させるという特徴がある。この改善策として、特許文献2では出力LCフィルタにより復調されたアナログ信号から高周波成分のみを抽出し、その反転信号を作成し、チョークトランスを介して元のアナログ信号から高周波成分を相殺除去する手段を使用し、電磁波妨害の低減を行っている。当文献に記載されている方式は電力スイッチの後段においてなされているので、前述の両変調方式に対応可能なものと推測される。
特開2001−292040号公報(段落0003、図7) 特開2002−118430号公報(段落0016、図1)
Since the class D amplifier repeats the ON / OFF operation of the power switch according to the PWM signal, a large current is passed or stopped each time, and a large electromagnetic interference is generated. As an improvement measure, in Patent Document 2, only high frequency components are extracted from an analog signal demodulated by an output LC filter, an inverted signal thereof is created, and high frequency components are canceled out from the original analog signal via a choke transformer. Is used to reduce electromagnetic interference. Since the system described in this document is performed after the power switch, it can be assumed that both the above-described modulation systems can be used.
JP 2001-292040 A (paragraph 0003, FIG. 7) JP 2002-118430 A (paragraph 0016, FIG. 1)

しかしながら、前述のD級増幅器の電磁波妨害低減方式では、確かにアナログ信号出力ラインからの電磁波妨害を低減しうるが、電力スイッチにおけるON/OFF動作に由来する高周波電流による、電源ラインからの電磁波妨害に対しては何ら低減効果がなかった。つまり、アナログ信号出力ライン及び電源ラインに現れる電磁波妨害の根源は、電力スイッチにおける高周波のON/OFF動作であり、両ラインに共通した発生源に対する改善策は採られていなかった訳である。   However, although the electromagnetic interference reduction method of the class D amplifier described above can certainly reduce electromagnetic interference from the analog signal output line, the electromagnetic interference from the power supply line due to the high-frequency current derived from the ON / OFF operation in the power switch. There was no reduction effect. That is, the source of electromagnetic interference appearing in the analog signal output line and the power supply line is the high frequency ON / OFF operation in the power switch, and no improvement measures have been taken with respect to the source common to both lines.

また、D級増幅器の電磁波妨害は、PWMキャリア周波数の高調波を中心として現れ、音声入力信号の変調度が低いほど中心周波数のレベルが高く現れるという特徴がある。特にPWM信号のデューティ比が50%の時、即ち音声入力信号が無変調の場合に最大となる。このことは、あるEMI規格基準値に対する超過を判定する上で明らかに不利となる現象である。   Moreover, the electromagnetic interference of the class D amplifier is characterized by the fact that the harmonics of the PWM carrier frequency appear in the center, and the level of the center frequency appears higher as the modulation degree of the audio input signal is lower. In particular, it becomes maximum when the duty ratio of the PWM signal is 50%, that is, when the audio input signal is not modulated. This is a phenomenon that is clearly disadvantageous in determining an excess of a certain EMI standard reference value.

本発明の課題は、電力スイッチにおけるON/OFF動作に由来する高調波のレベルを低減し、電磁波妨害を抑えたD級増幅器を提供することである。   The subject of this invention is providing the class D amplifier which reduced the level of the harmonic derived from the ON / OFF operation | movement in a power switch, and suppressed electromagnetic interference.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、以下のような特徴を備えている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has the following features.

本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デルタシグマ変調するデルタシグマ変調手段と、前記デルタシグマ変調されたデジタル音声信号からPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、前記PWM信号を電力増幅する電力スイッチ手段と、前記電力スイッチ手段に接続されPWM復調するフィルタ手段とを備えたD級増幅器であって、
前記PWM信号生成手段が、前記デルタシグマ変調されたデジタル音声信号をPWM変換するPWM変換手段と、音声帯域外信号入力に基づいて前記PWM変換手段出力のPWMキャリアの周波数を変動させるPWMキャリア変動手段とを備え
前記PWMキャリア変動手段が、音声信号出力のミュート動作時においてのみPWMキャリア周波数の変動を行うようにしたことを特徴とする。
The class D amplifier according to claim 1 of the present invention includes a delta-sigma modulation means for delta-sigma-modulating a digital audio signal, a PWM signal generation means for generating a PWM signal from the delta-sigma-modulated digital audio signal, and the PWM A class D amplifier comprising power switch means for power-amplifying a signal and filter means for PWM demodulation connected to the power switch means,
The PWM signal generating means PWM converts the delta-sigma modulated digital audio signal, and a PWM carrier changing means for changing the frequency of the PWM carrier output from the PWM converting means based on an audio out-of-band signal input. It equipped with a door,
The PWM carrier changing means changes the PWM carrier frequency only during the mute operation of the audio signal output .

また、請求項2のD級増幅器は、請求項1のD級増幅器において、前記電力スイッチ手段の電源電圧変動を検出する電源電圧検出手段と、前記デルタシグマ変調手段の前段に前記電源電圧検出手段の出力に基づいて前記デジタル音声信号の振幅を補償する振幅補償手段とを備え、前記電力スイッチ手段の電源電圧変動により生ずる前記PWM復調信号の歪みを補償する構成としたことを特徴とする。 A class D amplifier according to claim 2 is the class D amplifier according to claim 1, wherein the power supply voltage detecting means for detecting the power supply voltage fluctuation of the power switch means, and the power supply voltage detecting means before the delta-sigma modulation means. and a amplitude compensation means for compensating the amplitude of the digital audio signal based on the output, characterized by being configured to compensate for the distortion of the PWM demodulated signal generated by the power supply voltage fluctuation of the power switching means.

また、請求項のD級増幅器は、デジタル音声信号と音声帯域外信号とを入力とする信号重畳手段と、前記信号重畳手段出力をデルタシグマ変調するデルタシグマ変調手段と、前記デルタシグマ変調されたデジタル音声信号をPWM変換するPWM変換手段と、前記PWM信号を電力増幅する電力スイッチ手段と、前記電力スイッチ手段に接続されPWM復調するフィルタ手段とを備え、
前記信号重畳手段において、デジタル音声信号に、前記音声帯域外信号に基づいた信号が重畳され
前記信号重畳手段が、音声信号出力のミュート動作時においてのみ前記音声帯域外信号の重畳を行うようにしたことを特徴とする。
The class D amplifier according to claim 3 is a signal superimposing unit that receives a digital audio signal and an out-of-band audio signal, a delta sigma modulating unit that delta-sigma modulates the output of the signal superimposing unit, and the delta-sigma modulated signal. PWM conversion means for PWM-converting the digital audio signal, power switch means for power amplification of the PWM signal, and filter means for PWM demodulation connected to the power switch means,
In the signal superimposing means, a signal based on the audio out-of-band signal is superimposed on the digital audio signal ,
The signal superimposing means superimposes the audio out-of-band signal only when the audio signal output is muted .

また、請求項のD級増幅器は、請求項のD級増幅器において、前記電力スイッチ手段の電源電圧変動を検出する電源電圧検出手段と、前記デルタシグマ変調手段の前段に前記電源電圧検出手段の出力に基づいて前記デジタル音声信号の振幅を補償する振幅補償手段とを備え、前記電力スイッチ手段の電源電圧変動により生ずる前記PWM復調信号の歪みを補償する構成としたことを特徴とする。 A class D amplifier according to claim 4 is the class D amplifier according to claim 3 , wherein the power supply voltage detecting means for detecting the power supply voltage fluctuation of the power switch means, and the power supply voltage detecting means before the delta-sigma modulating means. and a amplitude compensation means for compensating the amplitude of the digital audio signal based on the output, characterized by being configured to compensate for the distortion of the PWM demodulated signal generated by the power supply voltage fluctuation of the power switching means.

本発明によれば、PWM信号に対して、音声信号帯域外の信号による変調を、PWMキャリア周波数或いはPWM変調に与えることになるので、電力スイッチにおけるON/OFF動作に由来する高調波に関して、特に音声信号無変調時のようにその中心周波数にエネルギーが集中する場合において、エネルギーを分散することになるので、アナログ信号出力ライン及び電源ラインからの電磁波妨害が低減されるという効果がある。   According to the present invention, modulation by a signal outside the audio signal band is given to the PWM carrier frequency or PWM modulation with respect to the PWM signal, and particularly with respect to the harmonics derived from the ON / OFF operation in the power switch. When the energy is concentrated at the center frequency as in the case where the audio signal is not modulated, the energy is dispersed, so that electromagnetic interference from the analog signal output line and the power supply line is reduced.

実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係わるD級増幅器の構成を示すブロック図である。図において、デジタル音声信号が音声信号入力端子1から入力され、デルタシグマ変調部2によりデルタシグマ変調された後、PWM信号生成部3に入力される。PWM信号生成部3には変調信号入力端子7から音声帯域外信号が入力され、この音声帯域外信号により変調されたPWM信号が生成される。このPWM信号は電力スイッチ4、フィルタ5により復調され、音声信号出力端子6から音声信号が出力される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a class D amplifier according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, a digital audio signal is input from an audio signal input terminal 1, subjected to delta sigma modulation by a delta sigma modulation unit 2, and then input to a PWM signal generation unit 3. The PWM signal generator 3 receives an audio out-of-band signal from the modulation signal input terminal 7, and generates a PWM signal modulated by the out-of-audio signal. This PWM signal is demodulated by the power switch 4 and the filter 5, and an audio signal is output from the audio signal output terminal 6.

以下、動作について詳細に述べる。このように構成されたD級増幅器において、デルタシグマ変調部2では、デジタル音声信号は減算器2aの一方の入力として与えられる。減算器2aの他の入力には再量子化器2cからの出力が1サンプル周期の遅延を与える遅延器2dを通して与えられる。尚、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。   Hereinafter, the operation will be described in detail. In the class D amplifier configured as described above, in the delta-sigma modulation unit 2, the digital audio signal is given as one input of the subtractor 2a. The other input of the subtractor 2a is supplied with the output from the requantizer 2c through a delay unit 2d which gives a delay of one sample period. Here, the digital audio signal is oversampled in advance so as to be suitable for the delta-sigma modulation operation.

こうして減算器2aの出力にはデジタル音声信号入力と再量子化器2c出力の1サンプル周期前のデジタル音声信号との誤差が与えられる。積分器2bではこの誤差を積分し、これを再量子化器2cに出力する。   Thus, an error between the input of the digital audio signal and the digital audio signal one sample period before the output of the requantizer 2c is given to the output of the subtractor 2a. The integrator 2b integrates this error and outputs it to the requantizer 2c.

再量子化器2cでは、その出力信号をPWM信号生成部3に与える適当な精度、例えば6ビット程度に打ち切る操作を行うものである。このため再量子化器2c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を含むこととなるが、この誤差は積分器2bでの累積を伴いながら帰還して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。   In the requantizer 2c, an operation to cut the output signal to an appropriate accuracy, for example, about 6 bits, is given to the PWM signal generation unit 3. Therefore, when compared with the input signal, the output of the requantizer 2c instantaneously includes a relatively large error, but this error is fed back and compensated while accumulating in the integrator 2b. Thus, it is sufficiently reduced in a relatively low frequency audio signal region.

PWM信号生成部3を構成するPWM変換部3aでは、再量子化器2c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矩形波信号、即ちPWM信号を出力する。図2は入力が6ビットの場合のPWM信号の出力波形を例示するものである。この例では6ビットで表現でき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、この単位で出力のデューテ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に対しては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。   The PWM converter 3a constituting the PWM signal generator 3 outputs a rectangular wave signal having a duty ratio corresponding to the numerical value, that is, a PWM signal, with respect to the output of the requantizer 2c. FIG. 2 illustrates an output waveform of the PWM signal when the input is 6 bits. In this example, the range is from -31 to 31, which is a positive / negative symmetrical numerical range that can be expressed in 6 bits, and one cycle of the waveform is divided into 64, and the output duty ratio is changed in this unit corresponding to the input numerical value. It is. The figure shows a state in which a waveform with a minimum duty ratio is output for the numerical value -31, a duty ratio of 50% for the numerical value 0, and a maximum duty ratio is output for the numerical value 31.

図3はPWM信号生成部3を構成するPWMキャリア変動部3bの構成を例示するものであり、図4はその動作概念を説明するPWM信号の波形を示している。図3において、PWMキャリア変動部3bはメモリ3b1と読出クロック生成部3b2により構成される。メモリ3b1への書込みは上記の例に従えば、例えばPWM信号の1周期を64分割した時間幅のクロック信号(書込クロック)により行われる。メモリ3b1からの読出しは、読出クロック生成部3b2からの読出クロックにより行われる。読出クロック生成部3b2には音声帯域外信号が入力され、書込クロックと同じ周波数を中心とし、音声帯域外信号に基づいて周波数が連続的に変動する読出クロックを発生させる。また、読出クロック生成部3b2の具体例としては、電圧制御発振器の制御電圧を音声帯域外信号に基づいて変化させる構成とすることにより実現できる。尚、この例では外部より音声帯域外信号を供給する構成としているが内部発振で行ってもよい。   FIG. 3 exemplifies the configuration of the PWM carrier fluctuation unit 3b constituting the PWM signal generation unit 3, and FIG. 4 shows the waveform of the PWM signal for explaining the operation concept. In FIG. 3, the PWM carrier variation unit 3b is configured by a memory 3b1 and a read clock generation unit 3b2. According to the above example, the writing to the memory 3b1 is performed by a clock signal (write clock) having a time width obtained by dividing one period of the PWM signal into 64, for example. Reading from the memory 3b1 is performed by a read clock from the read clock generator 3b2. The read clock generation unit 3b2 receives the audio out-of-band signal, and generates a read clock whose frequency is continuously varied based on the out-of-band signal centered on the same frequency as the write clock. A specific example of the read clock generation unit 3b2 can be realized by a configuration in which the control voltage of the voltage controlled oscillator is changed based on an out-of-band signal. In this example, an external audio band signal is supplied from the outside, but internal oscillation may be used.

図4において、(a)はPWM変換部3aの出力であり、PWMキャリア変動部3bにおけるメモリ3b1の入力、(b)はメモリ3b2の出力、(c)は読出クロックを周波数変調する音声帯域外信号の1周期を示している。なお、図の横軸は時間軸、縦軸は信号振幅である。実際には(a)と(b)の各矩形状信号は時間的な位置関係にずれを生じているが、この図では各矩形状信号の周期(PWMキャリアの周期)の関係を概念的に示すためにずれがないものとして示している。上述の例に従えば、(a)のように一定周波数のクロックにより64サンプル期間で1PWM周期T1が構成されている。メモリ3b1では一定周波数の書込クロックにより順次記憶され、音声帯域外信号で変調された読出クロックに従って読み出される。その結果、(b)に示すようにPWM信号の周期が変化する。各PWM信号の周期は、T2<T1<T3の関係となっている。   In FIG. 4, (a) is the output of the PWM conversion unit 3a, the input of the memory 3b1 in the PWM carrier fluctuation unit 3b, (b) is the output of the memory 3b2, and (c) is out of the audio band for frequency-modulating the read clock. One cycle of the signal is shown. In the figure, the horizontal axis represents the time axis and the vertical axis represents the signal amplitude. Actually, each rectangular signal of (a) and (b) has a deviation in the temporal positional relationship, but in this figure, the relationship of the period of each rectangular signal (PWM carrier period) is conceptually shown. For the sake of illustration, it is shown that there is no deviation. According to the above-described example, as shown in (a), one PWM cycle T1 is constituted by 64 sample periods by a constant frequency clock. In the memory 3b1, it is sequentially stored by a write clock having a constant frequency, and is read according to a read clock modulated by an audio out-of-band signal. As a result, the period of the PWM signal changes as shown in (b). The period of each PWM signal has a relationship of T2 <T1 <T3.

ここで特徴的なのは、読出クロックが音声帯域外信号に基づいて変動することであり、結果的にPWM信号生成部3の出力は(b)のようにPWMキャリアを音声帯域外信号に基づいて周波数変調した形態となる。また、音声帯域外信号の1周期分について見れば、(a)と(b)のサンプルデータ数が同じであることは言うまでもない。尚、メモリ3b1の容量は、少なくともメモリの書込みと読出しの関係で追越しを生じない規模が必要であるが、例えば音声帯域外信号の1周期分あれば十分である。   What is characteristic here is that the read clock fluctuates based on the out-of-band signal, and as a result, the output of the PWM signal generating unit 3 is changed to the frequency based on the out-of-band signal as shown in (b). It becomes a modulated form. Obviously, the number of sample data in (a) and (b) is the same when viewed for one period of the audio out-of-band signal. The capacity of the memory 3b1 needs to be at least a scale that does not cause overtaking due to the writing and reading of the memory. For example, one cycle of the out-of-band signal is sufficient.

図5及び図6は本発明によるEMI低減の効果を説明するための図であり、音声信号による変調がなくPWM信号のデューティ比が50%の場合に対して、これに音声帯域外信号に基づいて約2%の変調レベルで周波数変調した場合との周波数分布の差を模擬的に比較したものである。音声帯域外信号として30kHz正弦波を用いており、PWM信号のスペクトラムを観測することにより示している。このときPWMキャリア周波数は400kHzとしている。両図とも(a)が音声帯域外信号による変調のない状態でデューティ比が50%固定の場合、(b)は30kHzで約2%変調の周波数変調した例である。図5(a)のピークレベルは奇数次高調波であり、矩形波のフーリエ級数展開式の係数変化とほぼ一致している。図4(a)は101次高調波付近(40.4MHz)を拡大したものである。   FIGS. 5 and 6 are diagrams for explaining the effect of EMI reduction according to the present invention. In the case where there is no modulation by the audio signal and the duty ratio of the PWM signal is 50%, this is based on the out-of-band signal. Thus, the difference in frequency distribution compared with the case where frequency modulation is performed at a modulation level of about 2% is compared. A 30 kHz sine wave is used as the audio out-of-band signal, which is shown by observing the spectrum of the PWM signal. At this time, the PWM carrier frequency is 400 kHz. In both figures, when (a) is not modulated by a signal outside the audio band and the duty ratio is fixed to 50%, (b) is an example of frequency modulation of about 2% modulation at 30 kHz. The peak level in FIG. 5 (a) is an odd-order harmonic, and almost coincides with the coefficient change of the Fourier series expansion formula of a rectangular wave. FIG. 4A is an enlarged view of the vicinity of the 101st harmonic (40.4 MHz).

図5及び図6の(a)と(b)の比較から、音声帯域外信号に基づいてPWMキャリアの周波数を変動させることにより、PWMキャリア信号の高調波中心周波数のエネルギーが分散するので、PWMキャリア信号の高調波によるEMIのピークレベルは全周波数に渡って低減していることがわかる。   From the comparison of FIGS. 5 and 6A and 6B, the energy of the harmonic center frequency of the PWM carrier signal is dispersed by changing the frequency of the PWM carrier based on the out-of-band audio signal. It can be seen that the peak level of EMI due to the harmonics of the carrier signal is reduced over the entire frequency.

以上のように、音声信号が無変調のときにPWMキャリア信号の高調波のレベルが最も高くなるので、この場合は特にEMI低減効果が高くなる。そのため、音声信号のミュート動作と連動し、ミュート時にのみPWMキャリア変動部3bを動作させる構成をとることによっても低減効果を得られる。   As described above, since the harmonic level of the PWM carrier signal is the highest when the audio signal is unmodulated, the EMI reduction effect is particularly enhanced in this case. Therefore, a reduction effect can also be obtained by adopting a configuration in which the PWM carrier fluctuation unit 3b is operated only at the time of mute in conjunction with the mute operation of the audio signal.

実施の形態2.
図7は本発明の実施の形態2に係わるD級増幅器の構成を示すブロック図である。図において、電力スイッチ4の電源変動を電源変動検出部8により検出し、振幅補償部9の係数生成部9bにより電源変動を補償する振幅補償係数を発生し、乗算器9aによりデジタル音声信号入力信号にこの振幅補償係数を乗じてデジタル音声信号の振幅補償を行う。なお、その他の構成と動作は図1と同様であるので、説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a class D amplifier according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, the power supply fluctuation of the power switch 4 is detected by the power supply fluctuation detector 8, the coefficient generator 9b of the amplitude compensator 9 generates an amplitude compensation coefficient for compensating the power fluctuation, and the multiplier 9a generates a digital audio signal input signal. Is multiplied by this amplitude compensation coefficient to compensate for the amplitude of the digital audio signal. Other configurations and operations are the same as those in FIG.

図8は電力スイッチ4及びフィルタ5の構成例を示すものである。図中、電力スイッチ4は、タイミング制御部4a、電源側スイッチ素子4bとダイオード4d、グラウンド側スイッチ素子4cとダイオード4eで構成され、フィルタ5は、インダクタ5aとコンデンサ5bで構成される。   FIG. 8 shows a configuration example of the power switch 4 and the filter 5. In the figure, the power switch 4 includes a timing control unit 4a, a power supply side switching element 4b and a diode 4d, a ground side switching element 4c and a diode 4e, and the filter 5 includes an inductor 5a and a capacitor 5b.

以下、動作について詳細に述べる。タイミング制御部4aはPWM変換部3からの信号を受けて2つのスイッチ素子4b、4cの一方がオンとなる場合に他方がオフとするための信号を生成するものであり、スイッチのターンオン、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に駆動信号のタイミングを制御するものである。2つのスイッチ素子4b、4cは効率の良い増幅を行うために内部インピーダンスの低いMOS−FETなどで構成され、フィルタ5が誘導性であるために生ずる起電力に基づく電流を還流させるためにダイオード4d、4eを設けるが、スイッチ素子にMOS−FETを使用する場合などでは素子内部の寄生ダイオードで代用することもある。   Hereinafter, the operation will be described in detail. The timing control unit 4a receives a signal from the PWM conversion unit 3 and generates a signal for turning off the other when one of the two switch elements 4b and 4c is turned on. The switch is turned on and turned off. The timing of the drive signal is controlled so that the two elements do not turn on simultaneously due to the delay. The two switch elements 4b and 4c are composed of a low-impedance MOS-FET or the like for efficient amplification, and a diode 4d for circulating a current based on the electromotive force generated because the filter 5 is inductive. 4e is provided, but when a MOS-FET is used as the switch element, a parasitic diode inside the element may be substituted.

このようにして、電力スイッチ4は例えばPWM信号生成部3出力が高レベル期間で、電源側スイッチ素子4bをオン、グランド側スイッチ素子4cをオフとして出力端子電圧は電源電位、PWM信号生成部3出力が低レベル期間ではスイッチ素子動作が逆となって出力端子電圧はグラウンド電位とするように動作する。   In this way, the power switch 4 has, for example, the output of the PWM signal generation unit 3 in a high level period, the power supply side switch element 4b is turned on, the ground side switch element 4c is turned off, the output terminal voltage is the power supply potential, and the PWM signal generation unit 3 When the output is at a low level, the switch element operation is reversed and the output terminal voltage operates to be at the ground potential.

フィルタ5は、電力スイッチ4の出力を平滑して元の音声信号を取り出し、音声信号復調出力を得ることになる。フィルタとしては簡便には図示のようにインダクタ5aとコンデンサ5bによる2次の低域フィルタとすることができる。   The filter 5 smoothes the output of the power switch 4 and extracts the original audio signal to obtain an audio signal demodulated output. As a filter, a secondary low-pass filter composed of an inductor 5a and a capacitor 5b can be used as shown in FIG.

ここで、入力信号Viが−1〜1の範囲でPWM信号のデューティ比dが0〜1となる場合、
d=0.5+0.5*Vi ・・・(1)
の関係にあるとする。このとき、電力スイッチ4の電源電圧をVsupとすると、低域フィルタの出力電圧Voは、
Vo=Vsup*d
=Vsup(0.5+0.5*Vi)
=0.5*Vsup+Vot ・・・(2)
である。出力される音声信号成分Votは、
Vot=0.5*Vsup*Vi ・・・(3)
となり、入力信号Viと電力スイッチ4の電源電圧をVsupに比例するものとなる。更に、Vsupを定格電圧Vnomと変動成分Vrplに分けて考えると、
Vsup=Vnom+Vrpl ・・・(4)
とするとき、
Vot=0.5*Vi*Vnom*(Vsup/Vnom)
=Von*(Vsup/Vnom) ・・・(5)
となる。ここで、Von=0.5*Vi*Vnomは電力スイッチ4の電源電圧がVnomに固定され、変動がない場合の理想的な出力である。
Here, when the input signal Vi is in the range of −1 to 1 and the duty ratio d of the PWM signal is 0 to 1,
d = 0.5 + 0.5 * Vi (1)
Suppose that At this time, if the power supply voltage of the power switch 4 is Vsup, the output voltage Vo of the low-pass filter is
Vo = Vsup * d
= Vsup (0.5 + 0.5 * Vi)
= 0.5 * Vsup + Vot (2)
It is. The output audio signal component Vot is
Vot = 0.5 * Vsup * Vi (3)
Thus, the input signal Vi and the power supply voltage of the power switch 4 are proportional to Vsup. Furthermore, when Vsup is divided into the rated voltage Vnom and the fluctuation component Vrpl,
Vsup = Vnom + Vrpl (4)
And when
Vot = 0.5 * Vi * Vnom * (Vsup / Vnom)
= Von * (Vsup / Vnom) (5)
It becomes. Here, Von = 0.5 * Vi * Vnom is an ideal output when the power supply voltage of the power switch 4 is fixed to Vnom and there is no fluctuation.

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ために、補償係数Vnom/Vsupを掛ければよいことが分かる。図7の電源変動検出部8ではこの電源電圧Vsupを検出し、係数生成部9bにおいてVnom/Vsupを算出し、乗算器9aによってデジタル音声信号入力に電源変動の補償を行うことで電源変動による歪みが低減される。具体的には、電源変動検出部8において、例えばADコンバータにより電力スイッチ4の電源電圧を逐次数値化し、係数生成部9bは例えば変換テーブルや変換式演算により上記補償係数Vnom/Vsupに相当する数値に変換し、乗算器9aにおいてデジタル音声信号入力に補償係数を乗ずる構成により実現できる。なお、電源変動検出部8と振幅補償部9以外の構成と動作は実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。   Therefore, in order to obtain Von by compensation for the input audio signal Vi, it is understood that the compensation coefficient Vnom / Vsup should be multiplied in order to cancel the value in parentheses in the equation (5). The power supply fluctuation detection unit 8 in FIG. 7 detects this power supply voltage Vsup, the coefficient generation unit 9b calculates Vnom / Vsup, and the multiplier 9a compensates the power supply fluctuation for the digital audio signal input, thereby distortion due to power supply fluctuation. Is reduced. Specifically, in the power supply fluctuation detecting unit 8, the power supply voltage of the power switch 4 is sequentially converted into a numerical value by, for example, an AD converter, and the coefficient generating unit 9b is a numerical value corresponding to the compensation coefficient Vnom / Vsup by, for example, a conversion table or a conversion formula calculation. And the multiplier 9a multiplies the digital audio signal input by a compensation coefficient. Since the configuration and operation other than the power supply fluctuation detection unit 8 and the amplitude compensation unit 9 are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

実施の形態3
図9は本発明の実施の形態3に係わるD級増幅器の構成を示すブロック図である。図において、信号重畳部11は、加算器11aと重畳信号生成部11bで構成される。なお、PWM変換部10は実施の形態1のPWM変換部3aと同様であり、その他の構成と動作は図1と同様であるので、説明を省略する。
Embodiment 3
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a class D amplifier according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, the signal superimposing unit 11 includes an adder 11a and a superimposed signal generating unit 11b. The PWM converter 10 is the same as the PWM converter 3a of the first embodiment, and the other configuration and operation are the same as those in FIG.

信号重畳部11において、音声帯域外信号を所望の変調レベルとして重畳するために重畳信号生成部11bにおいて音声帯域外信号に基づく重畳信号を作成し、加算器11aにおいてデジタル音声信号と加算し、デルタシグマ変調部2の減算器2aへと供給する。このとき、音声帯域外信号のサンプリング周波数はオーバーサンプルされたデジタル音声信号の周波数と一致させるのが望ましいので、音声帯域より高く、かつ、サンプリング周波数で十分に表現可能なやや低い周波数の音声帯域外信号が選ばれることになる。   In the signal superimposing unit 11, in order to superimpose the audio out-of-band signal as a desired modulation level, a superimposed signal based on the out-of-band signal is generated in the superimposed signal generating unit 11b, added to the digital audio signal in the adder 11a, and delta This is supplied to the subtracter 2a of the sigma modulation unit 2. At this time, it is desirable that the sampling frequency of the audio out-of-band signal matches the frequency of the oversampled digital audio signal, so that it is higher than the audio band and outside the audio band of a slightly lower frequency that can be sufficiently expressed by the sampling frequency. The signal will be selected.

図10及び図11は本発明によるEMI低減の効果を説明するための図であり、音声信号による変調がなくPWM信号のデューティ比が50%の場合に対して、これに音声帯域外信号を約2%の変調レベルで重畳した場合との周波数分布の差を模擬的に比較したものである。コンパレータで構成するPWM変換部において、入力信号を0レベルとしたときにPWM信号のデューティ比が50%となる設定とし、30kHz正弦波を約2%の変調レベルで入力した場合との差を、PWM信号のスペクトラムを観測することにより示している。このときPWMキャリア周波数は400kHzとしている。両図とも(a)が音声帯域外信号による変調のない状態でデューティ比が50%固定の場合、(b)は30kHzで約2%変調の信号を入力した例である。図10(a)のピークレベルは奇数次高調波であり、矩形波のフーリエ級数展開式の係数変化とほぼ一致している。図11(a)は101次高調波付近(40.4MHz)を拡大したものである。   10 and 11 are diagrams for explaining the effect of EMI reduction according to the present invention. In the case where there is no modulation by the audio signal and the duty ratio of the PWM signal is 50%, the out-of-band signal is reduced to about 50%. This is a simulation comparison of the difference in frequency distribution from the case of superimposing at a modulation level of 2%. In the PWM conversion unit constituted by a comparator, the duty ratio of the PWM signal is set to 50% when the input signal is set to 0 level, and the difference from the case where a 30 kHz sine wave is input at a modulation level of about 2%, This is shown by observing the spectrum of the PWM signal. At this time, the PWM carrier frequency is 400 kHz. In both figures, (a) is an example in which a signal with a modulation of about 2% at 30 kHz is input when the duty ratio is fixed at 50% in a state where there is no modulation by a signal outside the audio band. The peak level in FIG. 10 (a) is an odd-order harmonic, and almost coincides with the coefficient change of the Fourier series expansion formula of a rectangular wave. FIG. 11A is an enlarged view of the vicinity of the 101st harmonic (40.4 MHz).

図10及び図11の(a)と(b)の比較から、音声帯域外信号をデジタル音声信号入力に重畳することにより、PWMキャリア信号の高調波中心周波数のエネルギーが分散するので、PWMキャリア信号の高調波によるEMIのピークレベルは全周波数に渡って低減していることがわかる。   From the comparison of FIGS. 10 and 11A and 11B, the energy of the harmonic center frequency of the PWM carrier signal is dispersed by superimposing the audio out-of-band signal on the digital audio signal input. It can be seen that the EMI peak level due to the higher harmonics is reduced over the entire frequency.

以上のように、音声信号が無変調のときにPWMキャリア信号の高調波のレベルが最も高くなるので、この場合は特にEMI低減効果が高くなる。そのため、音声信号のミュート動作と連動し、ミュート時にのみ信号重畳部11において音声帯域外信号を重畳させる構成をとることによっても低減効果を得られる。   As described above, since the harmonic level of the PWM carrier signal is the highest when the audio signal is unmodulated, the EMI reduction effect is particularly enhanced in this case. Therefore, a reduction effect can also be obtained by linking the audio signal mute operation and superposing the audio out-of-band signal in the signal superimposing unit 11 only at the time of mute.

図12は図9の構成において、実施の形態2で説明した電源変動検出部8と振幅補償部9を含めた構成を示したものであり、電源電圧変動を補償する形態としたものである。その他の構成と動作については上述とほぼ同様であるので、説明を省略する。   FIG. 12 shows a configuration including the power supply fluctuation detection unit 8 and the amplitude compensation unit 9 described in the second embodiment in the configuration of FIG. 9 and compensates for power supply voltage fluctuation. Other configurations and operations are substantially the same as those described above, and a description thereof will be omitted.

この発明の実施の形態1のD級増幅器の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the class D amplifier of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1のD級増幅器のPWM変換部の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation | movement of the PWM conversion part of the class D amplifier of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1のPWMキャリア変動部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the PWM carrier fluctuation | variation part of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1のPWMキャリア変動部の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation | movement of the PWM carrier fluctuation | variation part of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1の構成によるEMI低減効果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the EMI reduction effect by the structure of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1の構成によるEMI低減効果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the EMI reduction effect by the structure of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2のD級増幅器の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the class D amplifier of Embodiment 2 of this invention. 電力スイッチ及びフィルタの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of a power switch and a filter. この発明の実施の形態3のD級増幅器の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the class D amplifier of Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3の構成によるEMI低減効果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the EMI reduction effect by the structure of Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3の構成によるEMI低減効果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the EMI reduction effect by the structure of Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3のD級増幅器の他の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other structural example of the class D amplifier of Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 音声信号入力端子
2 デルタシグマ変調部
2a 減算器
2b 積分器
2c 再量子化器
2d 遅延器
3 PWM信号生成部
3a PWM変換部
3b PWMキャリア変動部
4 電力スイッチ
5 フィルタ
6 音声信号出力端子
7 変調信号入力端子

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Audio | voice signal input terminal 2 Delta-sigma modulation part 2a Subtractor 2b Integrator 2c Requantizer 2d Delay device 3 PWM signal generation part 3a PWM conversion part 3b PWM carrier fluctuation | variation part 4 Power switch 5 Filter 6 Audio | voice signal output terminal 7 Modulation Signal input terminal

Claims (4)

デジタル音声信号をデルタシグマ変調するデルタシグマ変調手段と、
前記デルタシグマ変調されたデジタル音声信号からPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、
前記PWM信号を電力増幅する電力スイッチ手段と、
前記電力スイッチ手段に接続されPWM復調するフィルタ手段とを備えたD級増幅器において、
前記PWM信号生成手段が、前記デルタシグマ変調されたデジタル音声信号をPWM変換するPWM変換手段と、音声帯域外信号入力に基づいて前記PWM変換手段出力のPWMキャリアの周波数を変動させるPWMキャリア変動手段とを備え
前記PWMキャリア変動手段が、音声信号出力のミュート動作時においてのみPWMキャリア周波数の変動を行うようにしたことを特徴とするD級増幅器。
Delta-sigma modulation means for delta-sigma modulating a digital audio signal;
PWM signal generating means for generating a PWM signal from the delta-sigma modulated digital audio signal;
Power switch means for power amplifying the PWM signal;
In a class D amplifier comprising filter means connected to the power switch means for PWM demodulation,
The PWM signal generating means PWM converts the delta-sigma modulated digital audio signal, and a PWM carrier changing means for changing the frequency of the PWM carrier output from the PWM converting means based on an audio out-of-band signal input. It equipped with a door,
The class D amplifier characterized in that the PWM carrier fluctuation means changes the PWM carrier frequency only during the mute operation of the audio signal output .
前記電力スイッチ手段の電源電圧変動を検出する電源電圧検出手段と、前記デルタシグマ変調手段の前段に前記電源電圧検出手段の出力に基づいて前記デジタル音声信号の振幅を補償する振幅補償手段とを備え、前記電力スイッチ手段の電源電圧変動により生ずる前記PWM復調信号の歪みを補償する構成としたことを特徴とする請求項1に記載のD級増幅器。 Power supply voltage detection means for detecting a power supply voltage fluctuation of the power switch means, and amplitude compensation means for compensating the amplitude of the digital audio signal based on the output of the power supply voltage detection means before the delta-sigma modulation means. 2. The class D amplifier according to claim 1, wherein a distortion of the PWM demodulated signal caused by a power supply voltage fluctuation of the power switch means is compensated. デジタル音声信号と音声帯域外信号とを入力とする信号重畳手段と、
前記信号重畳手段出力をデルタシグマ変調するデルタシグマ変調手段と、
前記デルタシグマ変調されたデジタル音声信号をPWM変換するPWM変換手段と、
前記PWM信号を電力増幅する電力スイッチ手段と、
前記電力スイッチ手段に接続されPWM復調するフィルタ手段とを備え、
前記信号重畳手段において、デジタル音声信号に、前記音声帯域外信号に基づいた信号が重畳され
前記信号重畳手段が、音声信号出力のミュート動作時においてのみ前記音声帯域外信号の重畳を行うようにしたことを特徴とするD級増幅器。
Signal superimposing means for inputting a digital audio signal and an out-of-band audio signal;
Delta-sigma modulation means for delta-sigma modulating the signal superimposing means output;
PWM conversion means for PWM converting the delta-sigma modulated digital audio signal;
Power switch means for power amplifying the PWM signal;
Filter means connected to the power switch means for PWM demodulation,
In the signal superimposing means, a signal based on the audio out-of-band signal is superimposed on the digital audio signal ,
The class D amplifier characterized in that the signal superimposing means superimposes the audio out-of-band signal only during the mute operation of the audio signal output .
前記電力スイッチ手段の電源電圧変動を検出する電源電圧検出手段と、前記デルタシグマ変調手段の前段に前記電源電圧検出手段の出力に基づいて前記デジタル音声信号の振幅を補償する振幅補償手段とを備え、前記電力スイッチ手段の電源電圧変動により生ずる前記PWM復調信号の歪みを補償する構成としたことを特徴とする請求項に記載のD級増幅器。 Power supply voltage detection means for detecting a power supply voltage fluctuation of the power switch means, and amplitude compensation means for compensating the amplitude of the digital audio signal based on the output of the power supply voltage detection means before the delta-sigma modulation means. 4. The class D amplifier according to claim 3 , wherein a distortion of the PWM demodulated signal caused by a power supply voltage fluctuation of the power switch means is compensated.
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