JP4825427B2 - 振幅制限回路 - Google Patents

Description

この発明は音質低下が大変少ない再生音を得ることができる音声信号の振幅制限回路に関するものであり、特願２０００−１７２７０５と特願２００４−２２６１７２に関連が深い。

従来、音声信号の増幅器等において能力を大きく越える振幅信号を処理すると、その出力信号による再生音質は著しく低下した。そのため大振幅信号が入力されても再生音質の低下が少ないリミッターや振幅抑圧回路が当発明者によって考案された（特願２０００−１７２７０５、特願２００４−２２６１７２）。特に特願２００４−２２６１７２は補聴器等への適用で顕著な効果が有った。しかし、重度難聴者用としても十分な特性の補聴器を製造するにはもっと正確な振幅制限が、あまり音質低下を伴わないで行われる必要が有った。また、音声信号用パワーアンプ等において、特願２０００−１７２７０５の回路は振幅制限の度合いが大きいと再生音にかなり強い歪みが感じられた。また、特願２００４−２２６１７２では振幅制限値を正確に設定出来ないのでアンプ能力を十分に引き出すことが出来ない欠点が有った。
そのために正確な振幅制限がされても音質低下が少ない再生音が得られる振幅制限回路が望まれていた。

大きな振幅の音信号が入力されても、決められた振幅制限値を殆ど越えることがなく、しかも再生音にあまり歪みが感じられない音信号を出力する振幅制限回路を実現する。

任意の周波数範囲（通常は低域〜３ＫＨｚ以内かもしれない）において振幅が制限値を越えないように信号のバイアスを変化させる。しかし前記任意周波数以外ではあまりバイアス変化が行わなれないようにする。具体的には、特願２００４−２２６１７２の振幅抑圧回路の図１におけるハイカットフィルタの周波数特性を前記任意周波数以下の帯域において平坦にする。そしてハイカットフィルタでは大抵は位相回転が起こるので、減算器に入力される信号の位相をシフトして減算器に入力される複数の信号の位相を合わせる回路を設ける。
また特願２００４−２２６１７２「図１」の回路では大きな振幅の信号を振幅制限するには回路の電源電圧も高い必要が有るが、負帰還によってバイアスをシフトする方法を加えれば、低い電源電圧で大きな比率の振幅制限を行うことが出来る。

「図１」は低域から任意の周波数まで正確に振幅制限が行われるための回路構成ブロックダイヤグラム例である。
「図１」を説明すれば、
１）振幅制限回路１は特願２０００−１７２７０５と同等であり、入力信号が振幅制限される。
２）入力信号と振幅制限回路１の出力信号は減算器２で互いに減算され差分が減算器２から出力される。
３）減算器２の出力信号はハイカットフィルタ３で高い周波数成分がカットされる。特願２００４−２２６１７２のハイカットフィルタとの違いはカットオフ周波数が高く且つ、低域からカットオフ周波数近くまで周波数特性が平坦なことである。
４）入力信号の一つはハイカットフィルタ３の出力信号と同位相になるように位相シフト回路４で位相がシフトされる。そして、そのシフトされた信号は減算器５に入力される。
５）ハイカットフィルタ３の出力と位相シフト回路４の出力は減算器５に入力され互いに減算され、減算器５の出力回路にはその差分信号が現れる。尚、ハイカットフィルタ３では通常位相回転が起こる。そのため位相シフト回路４で減算器５に入力される入力信号の位相もシフトさせている（位相シフト回路４には時定数回路等を利用できる）。
６）ハイカットフィルタの特性がフラットな範囲の周波数域では振幅制限回路１の出力信号と同じレベルの信号が減算器５の出力回路に出力される。しかし、ハイカットフィルタの特性が平坦でない周波数域（つまり高域周波数）では位相シフト回路４の出力信号も減算器５の出力回路に現れる。
５）この回路では振幅制限が行われてもハイカットフィルタ３の働きにより、再生音にはあまり歪みが感じられない。しかしこのハイカットが原因で、ハイカットフィルタの特性が平坦でない周波数帯域では振幅制限が行われない。ところが、高い周波数の音声信号振幅は通常小さいので高い周波数の振幅制限は行われなくても通常はあまり問題が起こらない。もし問題が起こる場合は特願２０００−１７２７０５や従来型リミッターで除いても周波数が高いので音質にはあまり影響しない。

特願２０００−１７２７０５や特願２００４−２２６１７２の振幅制限回路ではその出力信号振幅に比べ大きなダイナミックレンジが回路に要求される。そのため比較的高い電圧の電源が必要である。小さいダイナミックレンジの回路で比較的大きな振幅の信号を処理するには負帰還を利用することを容易に思いつくが、負帰還では制限振幅を正確に設定することが難しい。けれども、負帰還による振幅制限と特願２０００−１７２７０５や特願２００４−２２６１７２に使われている振幅制限回路を組み合わせれば小さなダイナミックレンジ回路で比較的大きな振幅の信号を処理することが出来る。

「図２ Ａ．」は負帰還による振幅抑圧と特願２０００−１７２７０５や特願２００４−２２６１７２に使用されている振幅制限を組み合わせた回路例である。「図２ Ａ．」のオペアンプＯＰ１，ＯＰ２、コンデンサＣ１，Ｃ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、ダイオードＤ１，Ｄ２で構成される回路が負帰還が利用された振幅抑圧回路である。
この回路のＩＮＰＵＴに「図２ Ｂ．」（ａ）の波形信号が入力されると、オペアンプＯＰ１の出力端子には「図２ Ｂ．」（ｃ）の様な波形信号が現れる。
なお、「図２ Ｂ．」（ｂ）の波形は、ダイオードＤ１，Ｄ２が無い場合の回路において、入力回路ＩＮＰＵＴに「図２ Ｂ．」（ａ）の波形が入力された場合に、オペアンプＯＰ１の出力端子に現れる信号波形である。
（特願２０００−１７２７０５や特願２００４−２２６１７２の振幅制限回路で「図２ Ｂ．」（ｄ）と同等の結果を得るには「図２ Ｂ．」（ｂ）の振幅を扱える回路が必要である。）
「図２ Ｂ．」（ｃ）の波形が出力される動作を説明すれば、次の通りである。なお、「図２ Ｂ．」の横軸は時間軸である。
(1) 「図２ Ｂ．」において、符号１，１′，１′′，１′′′と、符号２，２′，２′′，２′′′は、それぞれ振幅制限回路が動作し始める動作電圧を示し、１と２はその初期値である。そして、この初期値１と２間の電圧は、「図２ Ａ．」の回路のダイオードＤ１，Ｄ２に電流が流れた場合の順方向電圧で決まる。
(2) オペアンプＯＰ１の出力端子電位は、時刻ｔ１〜ｔ２まで「図２ Ｂ．」（ｂ）と同様の変化をする。何故ならこの区間では、ダイオードＤ１とＤ２には電流が流れないので、オペアンプＯＰ２の出力電位は動かないからである。
(3) 時刻ｔ２〜ｔ３まで「図２ Ｂ．」（ｃ）の波形は「図２ Ｂ．」（ａ）と同様に変化する。理由はダイオードＤ１に電流が流れ、オペアンプＯＰ２の出力電位がオペアンプＯＰ１の出力電位と共に動くからである。この時波形抑圧回路が動作し始める電位は、オペアンプＯＰ１の出力電位によって符号１′，２′の電位にシフトする。
(4) 次の時刻ｔ３〜ｔ４までオペアンプＯＰ２の出力電位は動かないので、オペアンプＯＰ１の出力電位は「図２ Ｂ．」（ｂ）と同様に変化する。
(5) 時刻ｔ４〜ｔ５までオペアンプＯＰ２の出力電位はオペアンプＯＰ１の出力電位と共に動くので、オペアンプＯＰ１の出力電位は「図２ Ｂ．」（ａ）と同様に変化する。この時波形制限回路が動作し始める電位は符号１′′，２′′へシフトする。
(6) 同様にして時刻ｔ５〜ｔ６までオペアンプＯＰ１の出力電圧は「図２ Ｂ．」（ｂ）と共に変化する。
(7) 更に時刻ｔ６〜ｔ７までオペアンプＯＰ１の出力電圧は「図２ Ｂ．」（ａ）と共に変化する。この時波形制限回路が動作し始める電位は、符号１′′′，２′′′の電圧へシフトする。
(8) 時刻ｔ７以降も前記と同様に動作して「図２ Ｂ．」（ｃ）の波形信号がオペアンプＯＰ１の出力に現れる。
(9) オペアンプＯＰ１、コンデンサＣ３、ダイオードＤ３，Ｄ４及び抵抗Ｒ５によって構成される回路は、特願２０００−１７２７０５や特願２００４−２２６１７２に使用されている回路と同等であり、「図２ Ｂ．」（ｃ）の波形信号は「図２ Ｂ．」（ｄ）の様な波形に整形される。
(10) つまり特願２０００−１７２７０５や特願２００４−２２６１７２使用されている回路で「図２ Ｂ．」（ｄ）の信号を得るには、「図２Ｂ．」（ｂ）の信号以上のダイナミックレンジを扱うことが出来る回路が必要だが、「図２ Ａ．」の回路なら「図２ Ｂ．」（ｃ）の波形以上のダイナミックレンジが扱えればよい。

図３は電源電圧の変動に連動して振幅制限値が変化する回路の例である。
小型機器のオーディオパワーアンプ等で、出来るだけ大きな音量を出すためにはパワーアンプが飽和して歪みが多くなる直前の波高値で本発明の波形制限回路が動作するのが望ましい。そのためには電源電圧の変動に連動して振幅制限値が変化される必要がある。図３はその回路（一部ブロック図）例である。
図３の回路において電源電圧が高い方向に変化した場合、Ｒ８の両端電圧が高くなってＯＰ３の出力電圧は低下する。その結果Ｑ１にエミッタ電流が流れ始めるエミッタ電位は低下する。また、Ｒ１２の両端電圧も高くなるのでＱ２にエミッタ電流が流れ始めるエミッタ電位は高くなる。従ってこの回路の振幅制限値は大きくなる。電源電圧が低くなる場合は前記と反対の動作で制限振幅値も小さくなる。
尚、ＯＰ３とＯＰ４の電圧ゲイン及び振幅制限値をどの位にすべきかは、後段に設けられるパワーアンプの電圧ゲインや最大振幅との関係で決定されるべきである。

補聴器の性能が飛躍的に高まり、一部だが従来の補聴器では役立たなかった重難聴者が補聴器の恩恵を受けることが出来るようになった。そして、「人の耳は様々な雑音の中から聞きたい音だけを選別して聞いているが、補聴器を使うとそれができないので快適な聞こえが得られない」という説明が一般におこなわれ、半ば定説化しているが、それは間違いであることをこの発明が証明した。また、小型音響機器の能力を特願２０００−１７２７０５や特願２００４−２２６１７２の回路よりも更に向上させることが出来た。

図４は防音保護具に本発明が使われた例である。防音保護具は装着すると小さな音が聞こえないので装着したまま会話が出来ない欠点があった。しかし図３の構成にすれば大きな音を十分小さくしても、小さな音はよく聞こえる。だから防音保護具を装着したまま会話もできる。
尚、人間の耳が多くの音の中から目的の音を聞き分ける機能（カクテルパーティー効果）はこのような仕組みによるのではないかと発明者は考えている、それが全てではないにしても。
「図５」の（Ａ）はパワーアンプ、（Ｂ）は補聴器又は助聴器、（Ｃ）は電話機、（Ｄ）は拡声機、（Ｅ）はテープレコーダー、（Ｆ）は望遠マイク、（Ｇ）は音声認識装置にそれぞれ本発明が使用された例のブロックダイヤグラムである。これらの機器に本発明の振幅制限回路が使用された場合の利点は特願２００４−２２６１７２と同様であるが特願２００４−２２６１７２の場合よりも歪み感の少ない、或いは音量感の大きい音が得られる。尚これらのブロックダイヤグラムの中の「振幅制限回路１９」が本発明の振幅制限回路に相当する。

この程度の技術が手つかずで残されていたことに不思議さを感じるが、手つかずであるがゆえに、非常に広範囲に利用の可能性が有ると考えられる。

本発明の振幅制限回路ブロックダイヤグラム例図 大きな振幅信号を処理出来る本発明の回路例と、その動作説明波形図 電源電圧の変動に連動して制限値が変化する振幅制限回路例（一部ブロックダイヤグラム）図 本発明が防音保護具に使用された実施例図 本発明が実施された音響機器回路のブロックダイヤグラム例図

符号の説明

１は振幅制限回路 ２は減算器
３はハイカットフィルタ ４は位相シフト回路
５は減算器 ６は位相シフト回路
７は減算器 ８はハイカットフィルタ
９は減算器 １０は防音保護具本体
１１はスピーカ １２は回路ブロック
１３はマイクロホン １４はマイクアンプ
１５は本発明の振幅制限回路 １６はパワーアンプ
１７はプリアンプ １８はアッテネータ
１９は本発明の振幅制限回路 ２０はパワーアンプ
２１はマイクロホン ２２はマイクアンプ
２３はイヤホン ２４はスピーチネットワーク回路
２５はハンズフリー回路 ２６はダイヤル回路
２７は送受話器 ２８はスピーカ
２９は録音／再生ヘッド ３０は録音アンプ
３１は再生アンプ ３２は鋭指向性マイク
３３は分析回路
Ｒ１〜Ｒ１４は抵抗 Ｃ１〜Ｃ４はコンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４はダイオード ＯＰ１〜ＯＰ４はオペアンプ
Ｑ１、Ｑ２はトランジスタ ＩＮ ＰＵＴは入力回路
ＯＵＴ ＰＵＴは出力回路 ＧＮＤは接地回路
＋Ｖｃｃはプラス電源回路 −Ｖｃｃはマイナス電源回路

Claims (3)

1. 信号波形の起点となる電位のバイアスが変化される或いは別の信号が減算又は加算されることによって、入力信号の振幅抑圧が行われる振幅制限回路を有する音声信号振幅抑圧回路において、
   減算器とその減算器に入力される信号の位相をシフトする手段を備え、
   前記位相をシフトする手段が、入力信号と前記振幅制限回路からの出力の差分を出力する第１の減算器からの出力信号中の高い周波数成分をカットするハイカットフィルタからの出力信号と、前記入力信号とを入力し、その入力信号の位相を前記ハイカットフィルタからの出力信号と同位相になるようにシフトするものであり、
   前記減算器が、ハイカットフィルタの出力と、位相シフト回路の出力を減算し、その差分を出力することを特徴とする音声信号振幅抑圧回路。
2. 前記振幅制限回路が、
   アンプ出力の振幅が一定レベルを越えると、その越えた信号によってアンプ入力側の信号波形の起点となる電位のバイアスがシフトされることで、出力信号の振幅が抑圧され、
   振幅が基準レベルを越えようとすると前記バイアスが変化して振幅が基準レベルを越えることがないことを特徴とする請求項１に記載の音声信号振幅抑圧回路。
3. 前記振幅制限回路が、
   既定レベルを越える振幅信号が入力されると、既定レベル以下の振幅部分はほぼそのままで、既定レベルを越える振幅部分において、低い周波数信号の方が高い周波数信号よりも強く振幅抑圧が行われることを特徴とする請求項１に記載の音声信号振幅抑圧回路。

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