JP4787742B2 - 信号出力回路、それを用いたオーディオ信号出力装置、電子機器 - Google Patents

信号出力回路、それを用いたオーディオ信号出力装置、電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、信号出力回路に関し、特に電源投入時または停止時の急激な電圧波形変化に伴うノイズ発生を防止する機能を備えた信号出力回路に関する。
近年のLSI技術の発展に伴い、CDプレイヤーやMDプレイヤー等に代表されるデジタルオーディオにおいては、デジタル信号処理およびその増幅に1ビットDAC(Digital Analog Converter)が用いられている。この1ビットDACにおいては、音声信号は、ΔΣ変調器を用いてノイズシェーピングされ、パルス幅変調PWM(Pulse Width Modulation)された1ビット信号として出力される。
この1ビットPWM信号は、負荷であるスピーカを駆動するために所定のレベルまで増幅されるが、これには、高効率が得られるD級アンプが用いられている。増幅された1ビットPWM信号は、後置ローパスフィルタを通してアナログ再生信号となり、スピーカから音声として再生される。
ここで、一般的に音質を重視して設計する場合には、1ビットPWM信号の生成には、高次のΔΣ変調器が使用されている。この高次のΔΣ変調器は、量子化雑音を人間の可聴帯域外へと押しやるノイズシェーピング特性に優れるが、その一方で動作開始時において出力を緩やかに立ち上げられないという特性を有している。この高次のΔΣ変調器の急激な波形の立ち上がりは、D級アンプによって増幅され、負荷回路に使用されるDCカット用のコンデンサに流れ込む突入電流を発生させる。この突入電流は、スピーカもしくはヘッドフォンから不快なノイズとして聴覚を刺激する。動作停止時においても同様の現象により雑音が発生する。
そこで従来では、特許文献1における従来技術として挙げられているように、このノイズを防止するため、負荷回路に設けられたDCカット用のコンデンサとスピーカとの間にミュート回路を追加する。このミュート回路をノイズが発生するタイミングでオンし、出力を接地電位に短絡することによりノイズの発生を抑制している。
また、同文献には、並列に配置された複数のインバータからなるD級アンプにおいて、立ち上げ、立ち下げ時に複数のインバータを漸次オン、またはオフしていくことによってこのノイズの発生を抑える手法が開示されている。
特開2001−223537号公報
しかしながら、ミュート回路によるノイズの抑制は、ミュート回路が必要となり、部品点数が多く、加えてミュート制御端子およびその引き回しが必要であることからセットの小型化の要請にはそぐわないという問題があった。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、突入電流に起因するノイズの抑制および実装面積を低減した信号出力回路の提供にある。
本発明のある態様は、信号出力回路に関する。この信号出力回路は、通常期間か電源遷移期間かに応じ、本来出力すべき有意な信号と、電源遷移期間に出力すべき非有意な信号の一方を選択する選択回路と、選択回路の出力を並列に受ける通常期間のための第1ドライバ回路と、電源遷移期間のための第2ドライバ回路と、非有意な信号を電源の遷移に対応するデジタル信号として生成する信号生成回路とを備え、第1ドライバ回路と第2ドライバ回路の出力を結合して出力する。
この態様によれば、ノイズが発生する電源投入時および停止時においては、ソフトスタート用の非有意信号を第2ドライバ回路によって増幅することで、突入電流を抑えノイズを低減することができる。
本発明の別の態様において、信号生成回路は、電源の遷移を指示するデジタル信号の変化を滑らかにするフィルタ回路と、フィルタ回路の出力をデジタル信号に変換する変換回路と、を備えていてもよい。変換回路は、1次のΔΣ変調器であってもよい。
このフィルタ回路によって、非有意信号の立ち上がり、立ち下りを滑らかにし、非有意信号がスピーカから再生される時に、聴覚上ノイズとして認識されにくくすることができる。
第2ドライバ回路の駆動能力は、第1ドライバ回路の駆動能力より低く設計してもよい。
また、第2ドライバ回路は、その出力に直列に設けられた抵抗素子を含み、信号出力回路は、抵抗素子の出力を、第1ドライバ回路の出力と結合して出力してもよい。
第2ドライバ回路の出力に直列に設けられた抵抗素子、あるいはトランジスタサイズなどの調節によって、第2ドライバ回路の負荷駆動能力を、第1ドライバ回路のそれより低くすることで、ノイズレベルを効果的に抑えることができ、さらに第1ドライバ回路によって有意な信号を再生するときには、第2ドライバ回路の影響を小さくすることができる。
さらに本発明の別の態様において、信号出力回路は、少なくとも選択回路における選択動作および第1ドライバ回路のオンオフを制御する制御回路をさらに備えてもよい。この制御回路は、電源オン時には、最初に選択回路に前記非有意な信号を選択させ、かつ第1ドライバ回路をオフ状態におき、つぎに非有意な信号が所定の状態まで変化した後、第1ドライバ回路をオンするとともに、選択回路に有意な信号を選択させてもよい。
この態様によれば、制御回路によって電源投入時に、選択回路による信号の選択および第1ドライバのオンオフ切り替えのタイミングを任意に調整することができ、効果的なノイズの抑制を図ることができる。
この制御回路は、電源オフ時には、まず選択回路で有意な信号が選択されている状態で前記第1ドライバ回路をオフし、しかる後、選択回路に非有意な信号を選択させてもよい。
この態様によれば、制御回路によって電源停止時に、選択回路による信号の選択および第1ドライバのオンオフ切り替えのタイミングを任意に調整することができる。
信号出力回路は、1つの半導体基板に一体集積化されてもよい。
本発明のさらに別の態様は、オーディオ信号出力装置に関する。このオーディオ信号出力装置は、上述の信号出力回路と、信号出力回路の出力信号の高周波成分を除去するフィルタと、フィルタの出力信号により駆動されるスピーカと、を備える。
この態様によれば、電源投入時や電源オフ時にスピーカからノイズが発生するのを抑制することができる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明に係る信号出力回路により、電源投入もしくは停止時のスピーカから再生されるノイズを低減することができる。
本発明の実施の形態に係る信号出力回路を使用したデジタルオーディオ出力回路を示す図である。 図1の信号出力回路の各部の動作波形およびタイミングチャートを示す図である。
符号の説明
10 音声信号源、 12 高次ΔΣ変調器、 14 有意信号生成回路、 16 第1ドライバ回路、 18 後置ローパスフィルタ、 20 非有意信号生成回路、 22 ステップパルス生成回路、 24 1次ローパスフィルタ、 26 1次ΔΣ変調器、 28 制御回路、 30 選択回路、 32 第2ドライバ回路、 34 スピーカ、 100 信号出力回路、 200 オーディオ信号出力装置、 S 有意信号、 NS 非有意信号、 SPWM 有意PWM信号、 NSPWM 非有意PWM信号、 SEL 選択信号、 C2 DCブロックコンデンサ、 R 抵抗。
本発明の実施の形態を、図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る信号出力回路100を使用したオーディオ信号出力装置200の構成を示す回路図である。
オーディオ信号出力装置200は、CDプレイヤや、MDプレイヤなど音声出力手段を備える電子機器に搭載され、信号出力回路100、後置ローパスフィルタ18、スピーカ34を含む。信号出力回路100は、いわゆるデジタルアンプであって、パルス幅変調されたデジタル信号を出力する。スピーカ34は、イヤホンやヘッドホンなどであってもよい。
後置ローパスフィルタ18は、直列インダクタL1、並列コンデンサC1、DCブロックコンデンサC2を含む。後置ローパスフィルタ18は、信号出力回路100から出力されるデジタル信号の高周波成分および直流成分を除去する。この後置ローパスフィルタ18によって、信号出力回路100から出力されるデジタル信号は、アナログ信号に変換される。後置ローパスフィルタ18から出力されるアナログ再生信号は、スピーカ34に入力され、スピーカ34は音声信号を出力する。
本実施形態にかかる信号出力回路100は、有意な信号Sもしくは非有意な信号NSをそれぞれ生成する2つの信号生成回路、すなわち有意信号生成回路14および非有意信号生成回路20と、選択回路30、第1ドライバ回路16,第2ドライバ回路32および制御回路28と、を含む。
ここで、有意な信号Sとは、音声などの情報を有する信号を意味し、非有意な信号NSとは、音声信号とは関係なく、電源投入時または停止時にノイズを低減させるために使用されるソフトスタート用の信号をいう。
本発明の動作状態としては、通常の音声が再生される期間(以下、通常期間という)と、電源投入時もしくは停止時の過渡状態にある期間(以下、電源遷移期間という)が存在し、2つの状態に応じて回路の動作状態を制御することによりノイズの低減を行っている。
はじめに、本実施形態にかかる信号出力回路100の原理について概説する。一般的に高次ΔΣ変調器12は、ゼロ電位から徐々に電圧を上昇させることができず、電源投入時の立ち上がり波形が急峻となる。すなわち、その出力においては、PWM信号として、デューティ比が0%から徐々に大きくなっていく信号を生成することが困難である。したがって、この高次ΔΣ変調器12の出力信号をそのまま第1ドライバ回路16で増幅すると、負荷回路に使用されるDCブロックコンデンサC2に突入電流が流れ込み、ノイズが発生する。
そこで、この高次ΔΣ変調器12とは別に、緩やかに波形を立ち上げることのできる1次ΔΣ変調器26を設け、これにより非有意PWM信号NSPWMを生成し、この非有意PWM信号NSPWMによって所定の出力電圧まで立ち上げた後に、高次ΔΣ変調器12に切り替えることでノイズを抑制する。この1次ΔΣ変調器26は必ずしも1次である必要はなく、たとえば、2次のΔΣ変調器であってもよく、デューティ比がノイズが発生しない程度に十分にゆっくりと大きくなるPWM信号を生成できればよい。ただし、本実施の形態のように、ΔΣ変調器の次数を1次とした場合には、回路面積を小さくできるという利点がある。
また、ドライバ回路についても、通常期間に使用するスピーカ駆動用の第1ドライバ回路16に加えて、駆動能力を落とした第2ドライバ回路32とを設け、電源遷移期間と通常期間とで切り替えて使用することでノイズを抑制している。この第2ドライバ回路32は、負荷であるスピーカ34を駆動することが主たる目的ではなく、DCブロックコンデンサC2を緩やかに充放電するために設けられている。
以下、信号の流れおよび各ブロックの構成について、順に説明していく。有意な信号を生成する信号生成回路14(以下、有意信号生成回路という)は、音声信号源10および高次ΔΣ変調器12を備える。音声信号源10より出力される有意信号Sは、高次ΔΣ変調器12によって、有意PWM信号SPWMに変換される。高次とはたとえば5次、あるいはより低次あるいは、高次であってもよい。高次ΔΣ変調器12の次数の設計は、要求される音質や回路規模に応じて設定すればよい。
一方、非有意な信号を生成する非有意信号生成回路20は、ステップパルス生成回路22、1次ローパスフィルタ24および1次ΔΣ変調器26を備える。ステップパルス生成回路22により生成されるステップ状のパルスSPは、1次ローパスフィルタ24を通過して、緩やかに立ち上がり、あるいは立ち下がる非有意信号NSとなる。1次ΔΣ変調器26は、非有意信号NSをΔΣ変調し、パルス幅変調された非有意PWM信号NSPWMとして出力する。すなわち、1次ΔΣ変調器26は、1次ローパスフィルタ24の出力である非有意信号NSを、パルス幅変調されたデジタル信号へ変換する変換回路として機能する。非有意PWM信号NSPWMのデューティ比は、0%から徐々に広がりながら変化していく。
これらの有意、非有意2系統の1ビットPWM信号NSPWMおよびSPWMは、選択回路30に入力される。この選択回路30は、入力端子A、Bおよび制御端子Sを有しており、A端子に有意PWM信号SPWMが、B端子に非有意PWM信号NSPWMが入力されている。制御端子Sには、制御回路28からの制御信号SELが入力され、その電圧がハイレベルのとき、A端子の入力が出力され、ローレベルのときB端子の入力が出力されるものとする。
電源遷移期間において、制御回路28は、制御信号SELとしてローレベルを出力する。このとき、選択回路30は入力端子Bに入力される非有意信号生成回路20からの非有意PWM信号NSPWMを選択して出力する。また、音声を再生する通常期間には、制御回路28は、制御信号SELとしてハイレベルを出力する。このとき、選択回路30は、A端子に入力される有意信号生成回路14からの有意PWM信号SPWMを選択するように制御される。
ここで、選択回路30によって、その出力信号が有意PWM信号SPWMから非有意PWM信号NSPWMへ、もしくは逆に非有意PWM信号NSPWMから有意PWM信号SPWMに切り替わる瞬間の両PWM信号のデューティ比が重要となる。なぜならば、切り替えの瞬間における両PWM信号のデューティ比が大きく異なれば、非有意信号NSPWMによって徐々に立ち上げた出力電圧が、切り替えの瞬間に不連続となり、そこで突入電流によるノイズが発生するからである。
従って、本実施の形態においては、切り替え時に有意PWM信号SPWMおよび非有意PWM信号NSPWMの2つのPWM信号をシームレスにつなげ、後置ローパスフィルタ18のDCブロックコンデンサC2に突入電流が流れ込まないように、ひいては不快なノイズが発生しないように、その切り替えの瞬間において、非有意信号NSPWMのデューティ比を、有意信号SPWMのデューティ比に等しいか、またはノイズとして知覚されない程度に近くなるように設計しておく。
例えば、高次ΔΣ変調器12の立ち上げ完了時における有意PWM信号SPWMのデューティ比が50%である場合、選択回路30による切り替え動作時に切り替えノイズが発生しないように、非有意PWM信号NSPWMの立ち上げ完了時のデューティ比は50%程度となるよう設計するのが好ましい。
選択回路30から選択して出力される1ビットPWM信号Vpwmは、並列に接続された第1ドライバ回路16および第2ドライバ回路32に入力されている。このPWM信号Vpwmは、並列に接続された2つのドライバ回路によって増幅され、2つのドライバ回路16、32の出力は再び結合されて、後置ローパスフィルタ18に出力される。
ここで、第1ドライバ回路16は、主として通常期間に有意PWM信号SPWMを増幅するためのものであり、イネーブル端子を備え、電源遷移期間においてはオフするように制御回路28により制御されている。
第2ドライバ回路32は、主として電源遷移期間に、非有意PWM信号NSPWMを増幅するために用いられるものである。したがって、その負荷駆動能力は、後置ローパスフィルタ18のDCブロックコンデンサC2の充放電が行えれば十分であり、第1ドライバ回路16の駆動能力に対して低めに設計されている。本実施形態において、第2ドライバ回路32は、その出力に抵抗Rを備え、負荷駆動能力が低く設定されている。
このように第2ドライバ回路32の負荷駆動能力を落とすことによって、非有意信号から有意信号への切り替えノイズが抑えられる。さらに、第2ドライバ回路32がスピーカ34を駆動する能力は、第1ドライバ回路16がスピーカ34を駆動する能力に比べ無視できるほど小さいため、有意信号が出力される通常期間においては、必ずしも第2ドライバ回路32をオフする必要がなくなり、設計の自由度が高くなる。
ドライバ回路16、32によって増幅され、合成された1ビットPWM信号は、後置ローパスフィルタ18により帯域制限される。この結果、アナログ再生信号として負荷であるスピーカ34に入力され、ユーザはスピーカ34からの出力を音声として知覚する。
以上が、本発明の実施形態にかかる回路の構成である。次に、以上の構成による信号出力回路100の動作について、各素子の動作状態、出力波形、切り替えタイミングを示す図2をもとに、時系列的に説明する。
図2において、時刻T0は電源が投入された時刻を表す。ここでいう電源の投入とは、ユーザによって電源スイッチがオンされることをいい、図1には示されない電源オンオフ指示信号が立ち上がる。
この電源オンオフ指示信号の立ち上がりを受けて、時刻T1に、制御回路28は第2ドライバ回路32のイネーブル信号EN2(以下第2イネーブル信号という)をハイレベルとして、第2ドライバ回路32をオンにする。このとき、第1ドライバ回路16のイネーブル信号EN1(以下第1イネーブル信号という)はローレベルであり、オフしている。
その後、時刻T2にステップ波形SPが立ち上がり、1次ローパスフィルタ24を通過した非有意信号NSが緩やかに立ち上がる。この非有意信号NSは、1次ΔΣ変調器26によって1ビットのPWM信号に変調され、デューティ比0%から徐々にパルス幅が広がっていく非有意PWM信号NSPWMとして出力される。このとき選択信号SELはローレベルに設定されており、選択回路30は、非有意PWM信号NSPWMを出力するように制御されている。この間に、有意信号生成回路14の高次ΔΣ変調器12も立ち上げられているが、選択回路30により選択されていないため、出力されない。
非有意PWM信号NSPWMのデューティ比が所定の値まで大きくなり、高次ΔΣ変調器12の出力が安定するのを待って、時刻T3に、制御回路28は、選択信号SELをハイレベルに切り替える。これにより、選択回路30の出力は、有意PWM信号SPWMに切り替えられる。この時刻T3における非有意PWM信号NSPWMと有意PWM信号SPWMのデューティ比が近ければ、ノイズの発生を抑えることができる。
さらに、このとき、第1ドライバ回路16はオフしており、第2ドライバ回路32のみがオンしているため、仮にデューティ比に不一致があったとしても、第2ドライバ回路32の出力に設けられた抵抗RによってDCブロックコンデンサC2の充放電能力は制限されているため、切り替え時のノイズ音はスピーカ34から聴こえづらくなっている。
その後、時刻T4に、制御回路28は、第1イネーブル信号EN1をハイレベルとして、第1ドライバ回路16をオンすることで、電源遷移期間が終了する。図2中、Taで示される時刻T0から時刻T4までの期間が電源遷移期間に相当し、その後、通常期間Tbへと移行し、音声信号源10より出力される有意信号Sが、高次ΔΣ変調器12によって有意PWM信号SPWMに変調され、第1ドライバ回路16により増幅され、後置ローパスフィルタ18を通過し、再生アナログ信号としてスピーカ34へ供給され、音声として再生される。
電源停止時における電源遷移期間Tcにおいては、上述の電源投入時のプロセスが逆に進行されていく。すなわち、時刻T5においてユーザが電源停止を行うと同時に、電源オンオフ指示信号がローレベルに落ちる。これを受けて、時刻T6に制御回路28は、第1イネーブル信号EN1をローレベルとし、第1ドライバ回路16をオフする。その後、時刻T7に、制御回路28は、選択信号SELをローレベルとし、選択回路30は、有意PWM信号SPWMから非有意PWM信号NSPWMへとその出力を切り替える。
時刻T7にステップパルス信号SPがローレベルになると、1次ローパスフィルタ24から出力される非有意信号NSは時定数に従って低下していく。その結果、1次ΔΣ変調器26から出力される非有意PWM信号NSPWMのデューティ比は、50%程度から徐々に小さくなっていく波形となる。この間は第2ドライバ回路32のみがオンされており、ノイズが耳につくことなく出力波形は小さくなっていく。その後、時刻T8において1次ΔΣ変調器26および高次ΔΣ変調器が立ち下げられ、時刻T9には第2ドライバ回路32がオフされて、電源停止のプロセスが終了することとなる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。本実施の形態によれば、電源投入もしくは停止時のスピーカから再生されるノイズを低減することができる。加えて、スイッチ用のトランジスタ等の外付け部品が不要となり、信号出力回路100は、すべてLSI内部の素子で構成することができるため、チップ面積および基板面積を削減することができ、セットの小型化を実現することができる。
この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
たとえば、本実施例においては、第2ドライバ回路32は通常期間中Tbにおいて常時オンの状態で説明したが、第2イネーブル信号EN2によって、通常期間Tbと電源遷移期間Ta,Tcかに応じて適宜オン、オフを制御することが有効な場合もある。通常期間Tbにおいて第2ドライバ回路32がオフされれば、消費電力を抑えられるといった利点がある。
また、図1中、第2ドライバ回路32の駆動能力を落とすために、その出力に抵抗Rを設けた例を示しているが、これはドライバに使用するD級アンプのトランジスタサイズなどを調節することによっても同様の効果を得ることができる。
実施の形態に係るオーディオ信号出力装置200が搭載される電子機器としては、実施の形態で説明したCDプレイヤやMDプレイヤの他、携帯電話端末、PDA(Personal Digital Assistance)、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなど、オーディオ信号の出力手段を備える装置に広く用いることができる。
本発明は、デジタルオーディオ機器などの分野で利用することができる。

Claims (9)

  1. 本来出力すべき有意な信号をΔΣ変調し、有意パルス変調信号を生成する第1ΔΣ変調器と、
    そのレベルが緩やかに変化するソフトスタート用信号をΔΣ変調し、そのデューティ比が0から徐々に大きくなる非有意パルス変調信号を生成する1次もしくは2次の第2ΔΣ変調器と、
    前記有意パルス変調信号と前記非有意パルス変調信号を受け、通常期間において前記有意パルス変調信号を選択し、電源遷移期間において前記非有意パルス変調信号を選択する選択回路と、
    前記選択回路の出力を増幅するD級アンプである第1ドライバ回路と、
    前記選択回路の出力を増幅するD級アンプであって、その出力が前記第1ドライバ回路の出力と結合されており、その駆動能力が前記第1ドライバ回路よりも低い、第2ドライバ回路と、
    を備えることを特徴とする信号出力回路。
  2. 電源の遷移を指示するデジタル信号の変化を滑らかにし、前記ソフトスタート用信号を生成するフィルタ回路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の信号出力回路。
  3. 前記第2ΔΣ変調器の次数は1次であることを特徴とする請求項1に記載の信号出力回路。
  4. 記第2ドライバ回路は、その出力に直列に設けられた抵抗素子を含むことを特徴とする請求項3に記載の信号出力回路。
  5. なくとも前記選択回路における選択動作および前記第1ドライバ回路のオンオフを制御する制御回路をさらに備え、
    この制御回路は、電源オン時には、最初に前記選択回路に前記非有意パルス変調信号を選択させ、かつ前記第1ドライバ回路をオフ状態におき、つぎに前記非有意パルス変調信号が所定の状態まで変化した後、前記第1ドライバ回路をオンするとともに前記選択回路に前記有意パルス変調信号を選択させることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の信号出力回路。
  6. 少なくとも前記選択回路における選択動作および前記第1ドライバ回路のオンオフを制御する制御回路をさらに備え、
    この制御回路は、電源オフ時には、まず前記選択回路で前記有意パルス変調信号が選択されている状態で前記第1ドライバ回路をオフし、しかる後、前記選択回路に前記非有意パルス変調信号を選択させることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の信号出力回路。
  7. 請求項1からのいずれかに記載の信号出力回路において、
    1つの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする信号出力回路。
  8. 請求項1からのいずれかに記載の信号出力回路と、
    前記信号出力回路の出力信号の高周波成分を除去するフィルタと、
    前記フィルタの出力信号により駆動されるスピーカと、
    を備えることを特徴とするオーディオ信号出力装置。
  9. 請求項8に記載のオーディオ信号出力装置を備えることを特徴とする電子機器。
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