JP5333111B2

JP5333111B2 - 増幅装置

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Publication number: JP5333111B2
Application number: JP2009216336A
Authority: JP
Inventors: 達也岸井; 裕利土屋; 勝義中村; 雅人宮崎; 彰久姫野
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: US8159305B2; JP2011066726A; US20110068866A1

Description

本発明は、電気信号を増幅する技術に関する。

図６に示すように、増幅器９２に供給される正側電源電位ＶAおよび負側電源電位ＶBの生成にチャージポンプ回路９４を利用した増幅装置９０が例えば特許文献１に開示されている。チャージポンプ回路９４は、外部から供給される正側電源電位ＶAの降圧で負側電源電位ＶBを生成して増幅器９２に供給する。

特開平５−３４７５１９号公報

しかし、特許文献１の技術のもとでは、出力振幅の拡大（高出力化）と消費電力の低減との両立が困難であるという問題がある。すなわち、消費電力の低減のために正側電源電位ＶAを低下させると出力振幅が縮小し、出力振幅の拡大のために正側電源電位ＶAを上昇させると消費電力が増大する。以上の事情を考慮して、本発明は、出力振幅の拡大と消費電力の低減との両立を目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の増幅装置は、相異なる第１電源電位（例えば図２や図５の電源電位Ｖ1[±]）および第２電源電位（例えば図２や図５の電源電位Ｖ2[±]）の何れかを選択する選択手段と、選択手段が選択した電源電位から第３電源電位（例えば図２や図５の電源電位Ｖ3[±]）を生成する電位生成回路と、第１電源電位および第３電源電位の供給で動作する増幅器と、増幅器の入力側の信号の振幅と増幅器の出力側の信号の振幅と第３電源電位とのうちの少なくともひとつに応じて選択手段による選択の対象を可変に制御する制御回路とを具備し、第１電源電位および第２電源電位は、基準電位に対して正側および負側の一方の電位であり、第３電源電位は、基準電位に対して正側および負側の他方の電位であり、第１電源電位は、第２電源電位と基準電位との間の電位であり、電位生成回路は、選択手段が第１電源電位を選択した場合には、絶対値が第１電源電位の絶対値を下回る第３電源電位を生成し、選択手段が第２電源電位を選択した場合には、絶対値が第１電源電位の絶対値を上回る第３電源電位を生成する
。

以上の構成においては、電位生成回路が第３電源電位の生成に利用する電源電位（第１電源電位および第２電源電位の何れか）が増幅器の入力側または出力側の信号の振幅や第３電源電位に応じて可変に制御される。したがって、消費電力の削減と出力振幅の拡大とを両立することが可能である。なお、「増幅器の入力側の信号」とは、増幅器の入力信号または当該入力信号の基礎となる信号の発生源から増幅器の入力端までの間の任意の信号を意味し、例えば図１における入力信号ＳAや中間信号ＳBを包含する概念である。また、「増幅器の出力側の信号」とは、増幅器の出力端から負荷（増幅器の出力信号で駆動される要素）までの間の任意の信号を意味し、例えば図１における出力信号ＳCを包含する概念である。

本発明の第１態様における制御回路は、増幅器の入力側または出力側の信号の振幅が閾値を下回る場合に第１電源電位が選択され、増幅器の入力側または出力側の信号の振幅が閾値を上回る場合に第２電源電位が選択されるように、制御回路は選択手段を制御する。また、本発明の第２態様における制御回路は、第３電源電位が閾値に対して基準電位側にある場合に第２電源電位が選択され、第３電源電位が閾値に対して基準電位とは反対側にある場合に第１電源電位が選択されるように、選択手段を制御する。

第１実施形態に係る増幅装置のブロック図である。電源電位の高低を示す模式図である。制御回路の動作を示す模式図である。第２実施形態における制御回路の動作を示す模式図である。変形例における電源電位の高低を示す模式図である。従来の増幅装置のブロック図である。

＜Ａ：第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る増幅装置１００の回路図である。増幅装置１００の入力端子ＴINには、コンデンサＣ0で直流成分を除去した入力信号ＳAが供給される。増幅装置１００は、入力信号ＳAを増幅した出力信号ＳCを生成して出力端子ＴOUTから負荷に出力する。例えば、音響の波形を表す入力信号ＳAの増幅で出力信号ＳCを生成して出力端子ＴOUTから放音機器（ヘッドホンやスピーカ）に出力するヘッドホンアンプとして増幅装置１００は好適に利用される。増幅装置１００は、典型的には単一の集積回路（チップ）に形成される。ただし、増幅装置１００の各要素を複数の集積回路に分散した構成も採用される。

図１に示すように、相異なる正側電源電位Ｖ1[+]および正側電源電位Ｖ2[+]が外部から増幅装置１００に供給される。図２に示すように、正側電源電位Ｖ2[+]は、所定の基準電位Ｖ0（０Ｖ）に対して正側の定電位（例えば3.7Ｖ）であり、例えば電池（図示略）から増幅装置１００の電源端子Ｔ2に供給される。他方、正側電源電位Ｖ1[+]は、基準電位Ｖ0に対して正側の範囲内で正側電源電位Ｖ2[+]を下回る定電位（例えば1.8Ｖ）であり、例えば正側電源電位Ｖ2[+]から外部のスイッチングレギュレータ（図示略）にて生成されて増幅装置１００の電源端子Ｔ1に供給される。

図１に示すように、増幅装置１００は、増幅器１２と増幅器１４と選択部２０と電位生成回路３０と制御回路４０とを含んで構成される。増幅器１２は、正側電源電位Ｖ1[+]を電源として動作するプリアンプであり、入力信号ＳAを増幅した中間信号ＳBを生成する。増幅器１４は、正側電源電位Ｖ1[+]および負側電源電位Ｖ3[-]（詳細は後述する）を電源として動作するメインアンプであり、増幅器１２が出力する中間信号ＳBの増幅で出力信号ＳCを生成する。なお、増幅器１２は省略され得る。

選択部２０は、電源端子Ｔ1の正側電源電位Ｖ1[+]と電源端子Ｔ2の正側電源電位Ｖ2[+]との何れかを選択する。選択部２０が選択した電位（Ｖ1[+]，Ｖ2[+]）は電位生成回路３０に供給される。図１に示すように、選択部２０は、相補的に動作するスイッチ２２とスイッチ２４とで構成される。すなわち、スイッチ２２およびスイッチ２４の一方がオン状態になると他方はオフ状態となる。

電位生成回路３０は、選択部２０が選択した電位（Ｖ1[+]，Ｖ2[+]）から負側電源電位Ｖ3[-]を生成するＤＣ-ＤＣコンバータである。具体的には、コンデンサＣXおよびコンデンサＣYを利用して負側電源電位Ｖ3[-]を生成するチャージポンプ回路が電位生成回路３０として好適に利用される。図２に示すように、負側電源電位Ｖ3[-]は、基準電位Ｖ0（０Ｖ）に対して負側の電位である。電源端子Ｔ1に供給される正側電源電位Ｖ1[+]と電位生成回路３０が生成する負側電源電位Ｖ3[-]とが増幅器１４に供給される。したがって、増幅器１４が出力する出力信号ＳCの電位は、基準電位Ｖ0に対して正側および負側の双方に変動する。

電位生成回路３０が生成する負側電源電位Ｖ3[-]は選択部２０が選択した電位に応じて変化する。具体的には、図２に示すように、選択部２０が正側電源電位Ｖ1[+]を選択した場合には電位Ｖ3[-]_1（例えば-1.0Ｖ）が負側電源電位Ｖ3[-]として増幅器１４に供給され、選択部２０が正側電源電位Ｖ2[+]を選択した場合には、電位Ｖ3[-]_1を下回る電位Ｖ3[-]_2（例えば-2.0Ｖ）が負側電源電位Ｖ3[-]として増幅器１４に供給される。

図１の制御回路４０は、選択部２０による選択の対象（正側電源電位Ｖ1[+]および正側電源電位Ｖ2[+]の何れを選択するか）を、増幅器１４に供給される中間信号ＳBの振幅αBに応じて可変に制御する。振幅αBは、中間信号ＳBの電位の最大値と最小値との差分に相当する全振幅（peak to peak）を意味する。

具体的には、制御回路４０は、中間信号ＳBの振幅αBを所定の閾値αTH_B（例えば0.5Ｖ）と比較する。図３に示すように、振幅αBが閾値αTH_Bを下回る場合（すなわち、増幅器１４が生成すべき出力信号ＳCの振幅が小さい場合）、制御回路４０は、正側電源電位Ｖ1[+]が選択されるように選択部２０を制御する。したがって、正側電源電位Ｖ1[+]と負側電源電位Ｖ3[-]_1とが増幅器１４に供給される。他方、振幅αBが閾値αTH_Bを上回る場合（すなわち、増幅器１４が生成すべき出力信号ＳCの振幅が大きい場合）、制御回路４０は、正側電源電位Ｖ2[+]を選択するように選択部２０を制御する。したがって、図３に示すように、正側電源電位Ｖ1[+]と負側電源電位Ｖ3[-]_2とが増幅器１４に供給される。

以上のように本実施形態においては、中間信号ＳBの振幅αBに応じて負側電源電位Ｖ3[-]が可変に制御される。したがって、正側電源電位Ｖ1[+]および正側電源電位Ｖ2[+]の一方のみを振幅αBの大小に関わらず固定的に電位生成回路３０に供給する構成と比較すると、以下に詳述するように消費電力の削減と出力振幅の拡大との両立が容易に実現されるという利点がある。

まず、振幅αBが小さい場合（αB≦αTH_B）には、電位生成回路３０に対する正側電源電位Ｖ1[+]の供給で負側電源電位Ｖ3[-]は電位Ｖ3[-]_1に設定されるから、正側電源電位Ｖ2[+]を電位生成回路３０に供給する場合と比較すると、正側電源電位Ｖ1[+]と負側電源電位Ｖ3[-]との電位差が減少する。したがって、振幅αBに関わらず正側電源電位Ｖ2[+]を電位生成回路３０に固定的に供給する構成（負側電源電位Ｖ3[-]を電位Ｖ3[-]_2に固定した構成）と比較して増幅器１４の消費電力が削減される。なお、正側電源電位Ｖ1[+]と負側電源電位Ｖ3[-]との電位差の減少で出力信号ＳCの最大振幅は縮小するが、中間信号ＳBの振幅αBが小さい場合である以上、出力信号ＳCの電位の制限（クリップ）は発生しない。

他方、振幅αBが大きい場合（αB＞αTH_B）には、電位生成回路３０に対する正側電源電位Ｖ2[+]の供給で負側電源電位Ｖ3[-]が電位Ｖ3[-]_2に設定されるから、正側電源電位Ｖ1[+]を電位生成回路３０に供給する場合と比較すると、正側電源電位Ｖ1[+]と負側電源電位Ｖ3[-]との電位差が増加する。したがって、振幅αBに関わらず正側電源電位Ｖ1[+]を電位生成回路３０に固定的に供給する構成（負側電源電位Ｖ3[-]を電位Ｖ3[-]_1に固定した構成）と比較して出力信号ＳCの最大振幅が拡大される。以上のように本実施形態によれば、消費電力の削減と出力振幅の拡大との両立が可能である。

＜Ｂ：第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の各例示において作用や機能が第１実施形態と同等の要素については、以上と同じ符号を付して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

電位生成回路３０に正側電源電位Ｖ1[+]を供給している場合、増幅装置１００が駆動する負荷（例えばヘッドホン）に過大な電流が流れると、増幅器１４に供給される負側電源電位Ｖ3[-]が電流量に応じて変動し得る。具体的には、負荷に供給される電流が増加するほど（すなわち、出力信号ＳCの振幅が拡大するほど）、負側電源電位Ｖ3[-]は基準電位Ｖ0に近い電位となる。以上の傾向を考慮して、第２実施形態の制御回路４０は、電位生成回路３０が生成する負側電源電位Ｖ3[-]に応じて選択部２０による選択の対象（Ｖ1[+]，Ｖ2[+]）を可変に制御する。

具体的には、制御回路４０は、電位生成回路３０が生成する負側電源電位Ｖ3[-]と所定の閾値ＶTH[-]とを比較する。閾値ＶTH[-]は、基準電位Ｖ0を下回る電位（負電位）に設定される。負荷に供給される電流量が不足している場合、負側電源電位Ｖ3[-]は閾値ＶTH[-]を上回る（すなわち、閾値ＶTH[-]に対して基準電位Ｖ0側にある）。したがって、図４に示すように、負側電源電位Ｖ3[-]が閾値ＶTH[-]を上回る場合（Ｖ3[-]＞ＶTH[-]）、制御回路４０は、正側電源電位Ｖ2[+]を選択するように選択部２０を制御する。すなわち、増幅器１４に供給される負側電源電位Ｖ3[-]が低位側の電位Ｖ3[-]_2に設定され、出力信号ＳCの最大振幅が拡大される（すなわち、負荷に供給される電流量が確保される）。

他方、負荷に充分な電流量が供給されている場合、負側電源電位Ｖ3[-]は閾値ＶTH[-]を下回る（すなわち、閾値ＶTH[-]に対して基準電位Ｖ0とは反対側にある）。したがって、図４に示すように、負側電源電位Ｖ3[-]が閾値ＶTH[-]を下回る場合（Ｖ3[-]≦ＶTH[-]）、制御回路４０は、正側電源電位Ｖ1[+]を選択するように選択部２０を制御する。すなわち、増幅器１４に供給される負側電源電位Ｖ3[-]が高位側の電位Ｖ3[-]_1に設定され（すなわち、正側電源電位Ｖ1[+]と負側電源電位Ｖ3[-]との電位差が減少し）、増幅器１４での消費電力が削減される。

以上のように本実施形態においても、第１実施形態と同様に、正側電源電位Ｖ1[+]および正側電源電位Ｖ2[+]の一方のみを固定的に電位生成回路３０に供給する構成と比較して、消費電力の削減と出力振幅の拡大とを容易に両立することが可能である。

＜Ｃ：変形例＞
以上に例示した各形態は多様に変形される。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下に例示する複数の態様は適宜に併合され得る。

（１）変形例１
制御回路４０が選択部２０の制御のために監視する対象は、第１実施形態における中間信号ＳBの振幅αBや第２実施形態における負側電源電位Ｖ3[-]に限定されない。例えば、増幅器１２に供給される入力信号ＳAの振幅（peak to peak）αAに応じて選択部２０を制御する構成も採用される。具体的には、入力信号ＳAの振幅αAが所定の閾値αTH_Aを下回る場合に正側電源電位Ｖ1[+]を選択し、振幅αAが閾値αTH_Aを上回る場合に正側電源電位Ｖ2[+]を選択するように、制御回路４０は選択部２０を制御する。入力信号ＳAの振幅αAや中間信号ＳBの振幅αBに応じて選択部２０を制御する制御回路４０は、増幅器１４の入力側の信号（信号の発生源から増幅器１４の入力端子までの間の任意の信号）の振幅（例えば振幅αAや振幅αB）に応じて選択部２０による選択の対象を制御する要素として包括される。

また、増幅器１４による増幅後の出力信号ＳCの振幅（peak to peak）αCに応じて選択部２０を制御する構成も採用される。具体的には、振幅αCが所定の閾値αTH_Cを下回る場合には正側電源電位Ｖ1[+]を選択し、振幅αCが閾値αTH_Cを上回る場合には正側電源電位Ｖ2[+]を選択するように、制御回路４０は選択部２０を制御する。以上の構成における制御回路４０は、増幅器１４の出力側の信号（増幅器１４の出力端から負荷までの間の任意の信号）の振幅（例えば振幅αC）に応じて選択部２０による選択の対象を制御する要素として包括される。

以上に例示した複数の対象を制御回路４０が監視する構成も採用される。例えば、中間信号ＳBの振幅αB（または入力信号ＳAの振幅αAや出力信号ＳCの振幅αC）と負側電源電位Ｖ3[-]との双方に基づいて制御回路４０が選択部２０を制御する構成も好適である。以上の説明から理解されるように、制御回路４０は、増幅器１４の入力側の信号の振幅（例えば入力信号ＳAの振幅αAや中間信号ＳBの振幅αB）と増幅器１４の出力側の信号の振幅（例えば出力信号ＳCの振幅αC）と電位生成回路３０が生成した負側電源電位Ｖ3[-]とのうちの少なくとも１個の要素に応じて選択部２０を制御する要素として包括される。

（２）変形例２
以上の各形態における各電位の正負を反転させた構成も採用され得る。例えば、以上の各形態では、正側の電源電位（Ｖ1[+]，Ｖ2[+]）から負側の電源電位（Ｖ3[-]）を生成したが、図５に示すように、基準電位Ｖ0に対して負側の電源電位（負側電源電位Ｖ1[-]および負側電源電位Ｖ2[-]）から電位生成回路３０が正側の電源電位（正側電源電位Ｖ3[+]）を生成する構成も採用される。選択部２０は、負側電源電位Ｖ1[-]および負側電源電位Ｖ2[-]の何れかを選択して電位生成回路３０に供給する。増幅器１４は、電源端子Ｔ1に供給される負側電源電位Ｖ1[-]と電位生成回路３０が生成した正側電源電位Ｖ3[+]とを電源として動作する。

第１実施形態を変形した態様では、制御回路４０は、中間信号ＳBの振幅αBに応じて負側電源電位Ｖ1[-]および負側電源電位Ｖ2[-]の何れかを選択部２０に選択させる。具体的には、中間信号ＳBの振幅αBが閾値αTH_Bを下回る場合、制御回路４０は、負側電源電位Ｖ1[-]を選択するように選択部２０を制御し、増幅器１４に供給される正側電源電位Ｖ3[+]を低位側の電位Ｖ3[+]_1に設定する。他方、中間信号ＳBの振幅αBが閾値αTH_Bを上回る場合、制御回路４０は、負側電源電位Ｖ2[-]を選択するように選択部２０を制御する。したがって、増幅器１４に供給される正側電源電位Ｖ3[+]は、電位Ｖ3[+]_1を上回る電位Ｖ3[+]_2に設定される。以上の構成においても第１実施形態と同様に、消費電力の削減と出力振幅の拡大との両立が実現される。

また、第２実施形態を変形した態様では、制御回路４０は、電位生成回路３０が生成する正側電源電位Ｖ3[+]に応じて負側電源電位Ｖ1[-]および負側電源電位Ｖ2[-]の何れかを選択部２０に選択させる。具体的には、制御回路４０は、基準電位Ｖ0を上回る閾値ＶTH[+]と正側電源電位Ｖ3[+]とを比較する。正側電源電位Ｖ3[+]が閾値ＶTH[+]に対して基準電位Ｖ0側にある場合（すなわち、負荷に供給される電流量が不足している場合）、制御回路４０は、負側電源電位Ｖ2[-]を選択するように選択部２０を制御し、増幅器１４に供給される正側電源電位Ｖ3[+]を高位側の電位Ｖ3[+]_2に設定する。他方、正側電源電位Ｖ3[+]が閾値ＶTH[+]に対して基準電位Ｖ0とは反対側にある場合（すなわち、充分な電流量が負荷に供給されている場合）、制御回路４０は、正側電源電位Ｖ1[-]を選択するように選択部２０を制御し、増幅器１４に供給される正側電源電位Ｖ3[+]を低位側の電位Ｖ3[+]_1に設定する。以上の構成においても第２実施形態と同様に、消費電力の削減と出力振幅の拡大との両立が実現される。なお、変形例２のもとで制御回路４０が監視する対象は、変形例１として前述したように適宜に変更され得る。

１００……増幅装置、１２……増幅器、１４……増幅器、２０……選択部、２２，２４……スイッチ、３０……電位生成回路、４０……制御回路。

Claims

相異なる第１電源電位および第２電源電位の何れかを選択する選択手段と、
前記選択手段が選択した電源電位から第３電源電位を生成する電位生成回路と、
前記第１電源電位および前記第３電源電位の供給で動作する増幅器と、
前記増幅器の入力側の信号の振幅と前記増幅器の出力側の信号の振幅と前記第３電源電位とのうちの少なくともひとつに応じて前記選択手段による選択の対象を可変に制御する制御回路とを具備し、
前記第１電源電位および前記第２電源電位は、基準電位に対して正側および負側の一方の電位であり、前記第３電源電位は、前記基準電位に対して正側および負側の他方の電位であり、前記第１電源電位は、前記第２電源電位と前記基準電位との間の電位であり、
前記電位生成回路は、前記選択手段が前記第１電源電位を選択した場合には、絶対値が前記第１電源電位の絶対値を下回る前記第３電源電位を生成し、前記選択手段が前記第２電源電位を選択した場合には、絶対値が前記第１電源電位の絶対値を上回る前記第３電源電位を生成する
増幅装置。
前記増幅器の入力側または出力側の信号の振幅が閾値を下回る場合に前記第１電源電位が選択され、前記増幅器の入力側または出力側の信号の振幅が前記閾値を上回る場合に前記第２電源電位が選択されるように、前記制御回路は前記選択手段を制御する
請求項１の増幅装置。
前記第３電源電位が閾値に対して前記基準電位側にある場合に前記第２電源電位が選択され、前記第３電源電位が前記閾値に対して前記基準電位とは反対側にある場合に前記第１電源電位が選択されるように、前記制御回路は前記選択手段を制御する
請求項１の増幅装置。