JP4983412B2

JP4983412B2 - 電力増幅回路

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Publication number: JP4983412B2
Application number: JP2007149202A
Authority: JP
Inventors: 正幸岩松
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: JP2008306270A

Description

本発明は、電力増幅回路に係り、特に、容量性の負荷を駆動する際に消費電力を低減させる技術に関する。

電力増幅回路の駆動対象として容量性の負荷を用いる場合がある（例えば、特許文献１参照）。図８は、容量性の負荷として圧電スピーカを用いた場合の電力増幅回路の一例を示す回路図である。本図に示すように電力増幅回路２４０は、増幅装置２４１ａと反転増幅装置２４１ｂとをブリッジ接続したＢＴＬ（Bridged Transless）方式を採用しており、大きな出力を得られるようにしている。

電力増幅回路２４０の電源電圧は、リチウムイオン電池等の電源２５０から生成されるが、一般に、圧電スピーカ２２０は、１２Ｖpp〜１５Ｖppという高い駆動電圧を必要とする。このため、３．７Ｖのリチウムイオン電池を用いた場合には、チャージポンプ２６０等を用いて必要な電圧に昇圧して電力増幅回路２４０の電源電圧として供給される。

図９は、圧電スピーカ２２０の周波数特性を示す図で、図９（ａ）は、周波数−インピーダンス特性を示し、図９（ｂ）は、周波数−出力音圧特性を示している。圧電スピーカ２２０は、容量性を有しているため、図９（ａ）に示すように、周波数が高くなると、インピーダンスが極端に低くなっていく。また、図９（ｂ）に示すように周波数が低くなると、出力音圧が落ちていく特性も有している。
特開昭５１−１３２７４６号公報

圧電スピーカ２２０は、周波数が高くなると、インピーダンスが極端に低くなっていくことから、高域では電力増幅回路２４０に流れる電流も増えていく。圧電スピーカ２２０は、駆動電圧も高いことから、高域になると、電力増幅回路２４０における損失が増大し、発熱量も増大するという問題がある。

高域における電流増加を防ぐために、保護抵抗Ｒ１０の値を大きくすると電力増幅回路２４０の出力効率が悪化してしまう。また、電力増幅回路２４０における損失を減少させるためにＤ級増幅化させるとすると、大きな電圧スイッチングが必要となり、不要輻射対策が必要になる。

本発明は、このような状況を鑑みたものであり、容量性の負荷を駆動する電力増幅回路において、損失を低減させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力増幅回路は、入力信号を増幅して出力信号を生成して容量性の負荷を駆動し、出力段にトランジスタを用いた増幅手段と、前記入力信号又は前記出力信号の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段の検出結果に応じて、高電圧と低電圧との一方を選択し電源電圧として前記増幅手段に供給する電源制御手段とを備え、前記電源制御手段は、前記入力信号の電圧を基準電圧と比較する比較手段を備え、前記周波数検出手段によって検出された周波数が第１周波数未満の場合には、前記高電圧を前記増幅手段に供給し、前記周波数検出手段によって検出された周波数が前記第１周波数以上で第２周波数未満の場合において、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記入力信号の電圧が前記基準電圧以上の場合、前記高電圧を前記増幅手段に供給し、前記入力信号の電圧が前記基準電圧未満の場合、前記低電圧を前記増幅手段に供給する、ことを特徴とする。

本発明によれば、周波数検出手段の検出結果に応じて、増幅手段に供給する電源電圧を制御するため、必要に応じて電源電圧を低下させることで電力増幅回路における損失を低減させることができる。すなわち、高域によりインピーダンスが低下して電流が増加しても電源電圧を低下させることで電力増幅回路の消費電力を削減することができる。また、周波数が第１周波数以上で第２周波数未満の場合において、動的に電源電圧を切り替えるので、入力信号が小さい場合に損失を低減させるとともに、入力信号が大きい場合に十分な出力を得ることができる。

さらに、前記周波数検出手段によって検出された周波数が第２周波数以上で第３周波数未満の場合において、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記入力信号の電圧が前記基準電圧以上の場合、前記高電圧を前記増幅手段に供給し、前記入力信号の電圧が前記基準電圧未満の場合、前記低電圧を前記増幅手段に供給し、前記入力信号の電圧が前記基準電圧以上となってから所定時間が経過すると、前記入力信号の電圧と無関係に前記低電圧を前記増幅手段に供給することが好ましい。周波数が高くなると、負荷インピーダンスが低下するため増幅手段における損失が増加するが、この発明によれば、周波数が第２周波数以上で第３周波数未満の場合において、入力信号の電圧が基準電圧以上となってから所定時間が経過すると強制的に低電圧を増幅手段に供給するので、増幅手段における過度の発熱を抑制すると共に消費電力を削減することができる。

また、電源制御手段は、電源電圧として高電圧と低電圧との一方を選択的に増幅手段に供給し、周波数検出手段によって検出された周波数が第３周波数以上の場合には、低電圧を増幅手段に供給することができる。これにより、周波数が第３周波数以上の場合に負荷インピーダンスが低下して電流が増加しても電源電圧を低下させることで電力増幅回路の消費電力を削減することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の概要について説明する。図１は、本発明の基本的な構成例を示すブロック図である。本図では、電力増幅回路１０が容量性の負荷である圧電スピーカ２０を駆動する場合を例にしている。電力増幅回路１０は、簡単のため、オペアンプＯｐＡｍｐと抵抗Ｒ１、Ｒ２とを用いた一般的な反転型負帰還増幅回路を用いている。これを正転型負帰還増幅回路で構成してもよいことは勿論である。そして、オペアンプＯｐＡｍｐに供給する電源電圧±Ｖｄを制御部３０が制御する構成となっている。

制御部３０は、高電圧３５と低電圧３６とを生成する電源回路を備えており、高電圧３５と低電圧３６とをスイッチ３７で切り替えて、出力電源３４としてオペアンプＯｐＡｍｐに選択的に供給する。ここで、高電圧３５は±ＶHiであり、低電圧３６は±ＶLoであり、ＶHiはＶLoより高い電圧であるとする。スイッチ３７の切り替えは、周波数検出部３１と入力電圧比較部３２の出力結果に応じて電源電圧設定部３３があらかじめ定めた規則にしたがって行なうものとする。なお、周波数検出部３１は、電力増幅回路１０の出力信号Ｖｏの周波数を検出し、入力電圧比較部３２は、電力増幅回路１０の入力信号Ｖｉが所定の電圧値を超えているかどうかを判定する。

図２は、電源電圧設定部３３が、スイッチ３７を切り替える判断基準となる規則の例を示す図であり、図２（ａ）は、第１の例を示し、図２（ｂ）は別例を示している。本例では、入力信号Ｖｉの電圧区分と、出力信号Ｖｏの周波数区分との組み合わせで、高電圧３５と低電圧３６のどちらを電源電圧として用いるかを判定するようにしている。すなわち、入力信号Ｖｉに基づく音の高低と、大小との組み合わせで電力増幅回路１０に供給する電源電圧を調整することになる。

ここでは、入力信号Ｖｉの電圧区分は、所定の電圧値以上の場合と、所定の電圧値未満との２つに区分され、周波数区分は、低周波数、中低周波数、中高周波数、高周波数の４つの領域に区分されるものとする。なお、周波数区分の判別は、信号出力Ｖｏをそのまま用いてもよいし、代表周波数、例えば、基音周波数を抽出して行なうようにしてもよい。また、電圧区分も、入力信号Ｖｉをそのまま用いてもよいし、振幅に対応する値を抽出して行なうようにしてもよい。それぞれの区分数は本例に限定されない。

本図に示すように、制御部３０は、低周波数領域では常に高電圧３５を電力増幅回路１０に供給する。これは、低周波数領域では圧電スピーカ２０のインピーダンスが高いため、入力電圧が高くても大きな電流は流れず、電力増幅回路１０における損失はあまり問題にならないためである。また、常に高電圧３５を供給することで、圧電スピーカ２０の出力音圧特性が比較的低い低周波数領域でも十分な駆動を実現することができる。

中低周波数領域では、入力信号の大小に応じてスイッチ３７を制御することにより、高電圧３５と低電圧３６とを切り替えて電力増幅回路１０に供給する。すなわち、入力電圧が小さい期間は、電源電圧を低電圧３６とすることで、電力増幅回路１０における損失を減らすようにしている。なお、低電圧３６の値は、入力信号が小さい場合に電力増幅回路１０での所定の増幅がまかなえる程度とすることが望ましい。一方、入力電圧が大きい期間は、電源電圧を高電圧３５とすることで、大きい入力信号に対して十分な増幅ができるようにしている。

中高周波数領域では、図２（ｂ）に示すように、制限時間をあらかじめ設定し、制限時間内は、入力電圧の大小に応じてスイッチ３７を制御することにより、高電圧３５と低電圧３６とを切り替えて電力増幅回路１０に供給し、制限時間を経過すると、入力電圧に関わらず低電圧３６を電力増幅回路１０に供給する。中高周波数領域が連続する入力信号は希と考えられるので、連続出力により電力増幅回路１０の温度上昇が過大とならない時間に限定して切り替え可能とするものである。これは、損失の低減、回路保護を優先するためである。

高周波数領域では常に低電圧３６を電力増幅回路１０に供給する。これは、高周波数領域では圧電スピーカ２０のインピーダンスが低くなり、大きな電流が流れるので、電力増幅回路１０の電源電圧を低くすることで電力増幅回路１０における損失を低減させるためである。

次に、実際の回路を例に本発明についてさらに説明する。図３は、本発明を適用した圧電スピーカ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。本図の例では電力増幅の出力段にＢＴＬ接続増幅回路１４０を用いることにより、圧電スピーカ１２０への出力を高めるようにしている。電力増幅の前段には、入力信号（Ｖin、Ｖip）を差動増幅し、正相と逆相の出力を行なうドライブDと増幅率を定める抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを備えて構成される前段増幅回路１１０が設けられている。ドライブＤには、バイアス電圧としてＶBIAS：１．５Ｖが供給され、動作点の中点が定められている。

前段増幅回路１１０の出力信号は、コンパレータ１３２により、所定の電圧と比較され、その結果が制御部１３０に出力される。なお、コンパレータ１３２は、２つの入力信号をそれぞれ基準電圧と比較するものであり、例えば、図４（ａ）に示すような回路で実現することができる。すなわち、通常の２入力のコンパレータ１３２ａとコンパレータ１３２ｂと、両者の出力結果で動作するＯｒ回路１３２ｃとで構成することができる。この結果、２つの入力信号のいずれかが基準電圧より大きくなると、コンパレータ１３２はＨｉレベルを出力することになる。

圧電スピーカ１２０を駆動するＢＴＬ接続増幅回路１４０は、増幅装置１４１ａと増幅装置１４１ｂとをブリッジ接続したものである。ＢＴＬ接続増幅回路１４０を構成する増幅装置１４１は、例えば、図４（ｂ）に示すようなＴｒＮおよびＴｒＰの２つのトランジスタを用いた回路で実現することができる。圧電スピーカ１２０のインピーダンスが低下して大きな電流が流れると、抵抗Ｒｎで多くの電力が消費されることになる。なお、本回路では、圧電スピーカ１２０に直列に保護抵抗を設ける必要がないため、ＢＴＬ接続増幅回路１４０の出力で圧電スピーカ１２０を効率よく駆動することができる。

ＢＴＬ接続増幅回路１４０の電源電圧は、リチウムイオン電池等の電源１５０で生成される。低電圧時には、電源１５０の出力電圧をダイオードＤ１を介してそのまま供給し、高電圧時には、電源１５０の出力電圧をチャージポンプ１６０を用いて昇圧して供給する。なお、チャージポンプ１６０に代え、スイッチング電源等の昇圧装置を用いてもよい。

本図の例では、低電圧時、すなわち、スイッチ１３７がＯＦＦのときは、電源１５０の３．７ＶからダイオードＤ１の電圧降下ＶFを引いた電圧がＢＴＬ接続増幅回路１４０の電源電圧として供給され、高電圧時、すなわち、スイッチ１３７がＯＮのときは、チャージポンプ１６０により２倍の７．４Ｖに昇圧された電圧がＢＴＬ接続増幅回路１４０の電源電圧として供給される。また、コンパレータ１３２の基準電圧は、ダイオードＤ１の電圧降下ＶFを０．３Ｖとすると、３．７Ｖ−０．３Ｖ＝３．４Ｖとなる。

制御部１３０について詳細に説明する。図５は、制御部１３０の機能構成を示すブロック図である。本図に示すように、制御部１３０は、前段増幅回路１１０の出力信号の周波数領域を判定する周波数域判定部１３１と、コンパレータ１３２の出力結果と周波数域判定部１３１の判定結果に基づいて、スイッチ１３７を切り替える切替判定部１３３とを備えている。これらの機能部は、ソフトウェアで実現してもよいし、ハードウェアで実現してもよい。

本例において、周波数域判定部１３１は、前段増幅回路１１０の出力信号の周波数が５００Ｈｚ未満の場合には低周波数であると判定し、５００Ｈｚ以上５ｋＨｚ未満の場合には中低周波数であると判定し、５ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ未満の場合には中高周波数であると判定し、１０ｋＨｚ以上の場合には高周波数であると判定するものとする。周波数域判定部１３１の判定結果は、切替判定部１３３に出力される。

切替判定部１３３は、第１タイマと第２タイマとを備えている。上述のように、中高周波数領域では、高電圧３５と低電圧３６とを切り替える期間が制限時間を経過すると、低電圧に切り替える制御を行なう。第１タイマは、中高周波数領域において高電圧と判定された時点からの時間を計測するタイマである。第１タイマが所定の時間を計測するとタイムアップとなり、スイッチ１３７を強制的にＯＦＦにして、低電圧に切り替える。このため、第１タイマのタイムアップ時間は、温度上昇からＢＴＬ接続増幅回路１４０を保護する観点から定めるようにする。なお、第１タイマがタイムアップするとその計測時間はリセットされるようになっている。

第２タイマは第１タイマがタイムアップした後も中高周波数領域でコンパレータ１３２がＨｉ出力を継続している場合に連続時間を計測するタイマである。すなわち、第１タイマがタイムアップして低電圧に切り替わった後、所定の時間が経過すれば上昇した温度も低下すると考えられるので、再度、高電圧に切り替える制御を行なうために設けている。このため、第２タイマのタイムアップ時間は、ＢＴＬ接続増幅回路１４０の温度低下能力を考慮して定めるようにする。ただし、第２タイマは省くようにしてもよい。なお、検出周波数が中高周波数領域から他の領域に移行した場合には、第１タイマおよび第２タイマの値はリセットされるようになっている。

図６は、制御部１３０の処理を説明するフロー図である。中高周波数域においては、図２（ａ）に示した規則を用いるものとする。制御部１３０は、周波数域判定部１３１の判定結果を取得する（Ｓ１０１）。その結果、低周波数であった場合にはスイッチ１３７をＯＮにして、高電圧をＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給する（Ｓ２０１）。

図７（ａ）は、低周波数であった場合の増幅装置１４１ａおよび増幅装置１４１ｂの出力波形と電源電圧の関係を示す図である。本図に示すように、電源電圧（図中太線）は、常に高電圧の７．４Ｖが供給される。増幅装置１４１ａおよび増幅装置１４１ｂの一方がＧＮＤ側で飽和しても他方が振幅を補う形で振幅が増し、圧電スピーカ１２０側では所望の歪まない出力波形を得ることができる。なお、図中の斜線部分は増幅装置１４１のトランジスタＴｒＮ、ＴｒＰにおける損失に結びつくコレクタ・エミッタ間電圧となる。

周波数域判定部１３１の判定結果が高周波数であった場合には、スイッチ１３７をＯＦＦにして、低電圧をＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給する（Ｓ５０１）。

中低周波数であった場合には、コンパレータ１３２の出力に応じて制御を行なう（Ｓ３０１）。すなわち、入力電圧が小さく、コンパレータ１３２がＬｏ出力の場合（Ｓ３０１：Ｎｏ）には、スイッチ１３７をＯＦＦにして、低電圧をＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給する。一方、入力電圧が大きく、コンパレータ１３２がＨｉ出力の場合（Ｓ３０１：Ｙｅｓ）には、スイッチ１３７をＯＮにして、高電圧をＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給する（Ｓ３０３）。

図７（ｂ）は、中低周波数であった場合の増幅装置１４１ａおよび増幅装置１４１ｂの出力波形と電源電圧の関係を示す図である。本図に示すように、電源電圧（図中太線）は、入力電圧が高い場合は高電圧の７．４Ｖが供給され、入力電圧が低い場合は低電圧の３．４Ｖが供給される。すなわち、小振幅のときは増幅装置１４１のトランジスタＴｒＮの電圧を低減させることで電力損失が低減され、破線に示すような出力波形となる。一方、大振幅のときは必要な電圧振幅を出力することができるため、実線に示すような出力波形となる。なお、図中の斜線部分は増幅装置１４１のトランジスタＴｒＮ、ＴｒＰにおける損失に結びつくコレクタ・エミッタ間電圧となる。

周波数域判定部１３１の判定結果が中高周波数であった場合には、まず、コンパレータ１３２の出力がＨｉであるかを判定し（Ｓ４０１）、出力がＬｏの場合（Ｓ４０１：Ｎｏ）には、スイッチ１３７をＯＦＦにして、低電圧をＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給する（Ｓ４０２）。

一方、出力がＨｉの場合（Ｓ４０１：Ｙｅｓ）には、第１タイマが起動中であるかどうかを判断する（Ｓ４０３）。第１タイマが起動中の場合（Ｓ４０３：Ｙｅｓ）は、中高周波数で高電圧・低電圧の切り替えが連続していることを示しているため、第１タイマがタイムアップしているかどうかを判断する（Ｓ４０４）。第１タイマがタイムアップしていない場合（Ｓ４０４：Ｎｏ）は、スイッチ１３７をＯＮのままにして、第１タイマの計時を継続する（Ｓ４０５）。第１タイマがタイムアップしている場合（Ｓ４０４：Ｙｅｓ）は、低電圧に移行する必要があるため、スイッチ１３７をＯＦＦにする。また、低電圧に移行している期間を計測するために第２タイマをスタートし、第１タイマはリセットする（Ｓ４０６）。

第１タイマが起動中であるかどうかを判断した結果、第１タイマが起動中でない場合（Ｓ４０３：Ｎｏ）は、第２タイマが起動中であるかどうかを判断する（Ｓ４０７）。第２タイマが起動中でない場合（Ｓ４０７：Ｎｏ）は、中高周波数で高電圧の供給を開始することを意味するため、スイッチ１３７をＯＮにして、高電圧をＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給するとともに、第１タイマの計時をスタートさせる（Ｓ４０８）。

一方、第２タイマが起動中の場合（Ｓ４０７：Ｙｅｓ）は、第１タイマがタイムアップして強制的に低電圧に移行させていることを意味するため、第２タイマがタイムアップしているかどうかを判断する（Ｓ４０９）。その結果、第２タイマがタイムアップしている場合（Ｓ４０９：Ｙｅｓ）は、高電圧に移行しても問題ないため、スイッチ１３７をＯＮにして、高電圧をＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給する。第２タイマがタイムアップしていない場合（Ｓ４０９：Ｎｏ）は、スイッチ１３７をＯＦＦのままにして、第２タイマの計時を継続する（Ｓ４１１）。

以上の処理を繰り返し行なうことで、制御部１３０は、ＢＴＬ接続増幅回路１４０に供給する電源電圧を適正に制御することができる。なお、上記の例では、出力信号の周波数を検出するようにしていたが、入力信号の周波数を検出するようにしてもよい。また、入力信号の電圧を基準電圧と比較するようにしていたが、出力信号の電圧を基準電圧と比較するようにしてもよい。
なお、上述した実施形態では、増幅回路の一例としてＢＴＬ接続増幅回路１４０を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その形式はシングルエンドの増幅回路であってもよいことは勿論である。
また、低周波数、中低周波数、中高周波数、および高周波数といったように周波数を４つに区分して、各区分に応じた電源電圧の制御を実行したが、これらの区分を任意に組み合わせて電源電圧の制御を実行してもよいことは勿論である。

本発明の基本的な構成例を示すブロック図である。電源電圧設定部が、スイッチを切り替える判断基準となる規則の一例を示す図である。本発明を適用した圧電スピーカ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。コンパレータとＢＴＬ接続増幅回路を構成する増幅装置の具体的な回路構成を示す図である。制御部の機能構成を示すブロック図である。制御部の処理を説明するフロー図である。増幅装置の出力信号と電源電圧の関係を示す図である。容量性の負荷として圧電スピーカを用いた場合の電力増幅回路の一例を示す回路図である。圧電スピーカの周波数特性を示す図である。

符号の説明

１０…電力増幅回路、２０…圧電スピーカ、３０…制御部、３１…周波数検出部、３２…入力電圧比較部、３３…電源電圧設定部、３４…出力電源、３５…高電圧、３６…低電圧、３７…スイッチ、１１０…前段増幅回路、１２０…圧電スピーカ、１３０…周波数検出手段、１３０…制御部、１３１…周波数域判定部、１３２…コンパレータ、１３３…切替判定部、１３７…スイッチ、１４０…ＢＴＬ接続増幅回路、１４１…増幅装置、１５０…電源、１６０…チャージポンプ、２４０…電力増幅回路、２２０…圧電スピーカ、２５０…電源、２６０…チャージポンプ

Claims

入力信号を増幅して出力信号を生成して容量性の負荷を駆動し、出力段にトランジスタを用いた増幅手段と、
前記入力信号又は前記出力信号の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記周波数検出手段の検出結果に応じて、高電圧と低電圧との一方を選択し電源電圧として前記増幅手段に供給する電源制御手段とを備え、
前記電源制御手段は、
前記入力信号の電圧を基準電圧と比較する比較手段を備え、
前記周波数検出手段によって検出された周波数が第１周波数未満の場合には、前記高電圧を前記増幅手段に供給し、
前記周波数検出手段によって検出された周波数が前記第１周波数以上で第２周波数未満の場合において、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記入力信号の電圧が前記基準電圧以上の場合、前記高電圧を前記増幅手段に供給し、前記入力信号の電圧が前記基準電圧未満の場合、前記低電圧を前記増幅手段に供給する、
ことを特徴とする電力増幅回路。
前記電源制御手段は、
前記周波数検出手段によって検出された周波数が前記第２周波数以上で第３周波数未満の場合において、
前記比較手段の比較結果に基づいて、前記入力信号の電圧が前記基準電圧以上の場合、前記高電圧を前記増幅手段に供給し、前記入力信号の電圧が前記基準電圧未満の場合、前記低電圧を前記増幅手段に供給し、
前記入力信号の電圧が前記基準電圧以上となってから所定時間が経過すると、前記入力信号の電圧と無関係に前記低電圧を前記増幅手段に供給する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅回路。
前記電源制御手段は、
前記周波数検出手段によって検出された周波数が前記第３周波数以上の場合には、前記低電圧を前記増幅手段に供給する、
ことを特徴とする請求項２に記載の電力増幅回路。