JP5861442B2 - D級電力増幅器 - Google Patents
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Description
図4及び図5に、従来のD級電力増幅器の一例であるD級アンプの構成例を示す。図4に示すのは、ハーフブリッジ接続の例、図5に示すのがフルブリッジ接続の例である。
そして、D級電力増幅部Dxにおいては、増幅すべきアナログ音響信号を入力信号INとして入力し、その電圧をPWM変調器XによりPWM変調して、PWM信号に変換する。そして、このPWM信号を、正側電源(+V)と出力信号線との間に設けられたスイッチング素子Sxaと、負側電源(―V)と出力信号線との間に設けられたスイッチング素子Sxbとにそれぞれ供給して、スイッチング素子Sxa及びSxbを相補的に駆動する。すなわち、例えばPWM信号がハイレベルの場合にスイッチング素子Sxaがオンする一方スイッチング素子Sxbはオフし、逆にPWM信号がローレベルの場合にスイッチング素子Sxaがオフする一方スイッチング素子Sxbはオンするようにスイッチング素子Sxa及びSxbを駆動する。
そして、D級電力増幅部Dxにおいては、図4の場合と同様に、入力信号INを電力増幅したアナログ音響信号をスピーカSPxに供給する。
このようなD級電力増幅器は、効率が非常に高い増幅器として知られている。また、このようなD級電力増幅器に関する技術としては、例えば特許文献1及び2に記載のものが知られている。
このような一定電圧システムについては、例えば非特許文献1に記載されている。
まず、一定電圧システムに対応させることを考えた場合、採用する規格にもよるが、例えば100Vシステムの場合、最大で100Vrms(実効電圧100ボルト)の出力が必要となる。そして、上述したハーフブリッジの構成を採用した場合、この出力を得るためには、正側電源及び負側電源として、±150V以上の電源電圧が必要となる。
しかし、そのD級電力増幅器を、一定電圧システムの駆動に専用とせず、ローインピーダンススピーカの駆動にも用いることができるようにする場合には、このままの構成では問題が生じる。
ローインピーダンススピーカ(例えば、4Ω)を駆動する場合には、低い電圧でスピーカに多くの電流が流れるので、その構成(すなわち、同じ電源、同じ出力段素子、同じフルブリッジ構成)だと、電源の約±80V(ただし、電流の増加に応じて低下する)のうちのほんの一部だけをスピーカが利用し、残りの電圧が出力段の素子にかかることになり、電源電圧利用率が低くなってしまう。
一般に、D級アンプの電源電圧利用率と電力効率(=スピーカに供給される電力/電源が供給する電力)との間には、図6に示すような関係がある。図6から判るとおり、低い電源電圧利用率では、電力効率が急激に悪化する。
図1に、この発明のD級増幅器の実施形態であるアンプ装置の構成を示す。
図1に示すアンプ装置20は、第1増幅部201、第2増幅部202を備え、音声入力端子21a,21bから入力する各1chのアナログ音響信号の電力を増幅して対応する音声出力端子22a,22bから出力する機能を有する。
なお、音声入力端子21a,21bには、信号源として、電子楽器、楽音再生装置、マイク、デジタルミキサ等、音響信号を出力する音響機器を(アンプ装置20の規格に適合する範囲で)任意に接続することができる。
これらのうち、電源部203は、第1増幅部201及び第2増幅部202が備える計4つのD級増幅部に対し、それぞれ+80Vの正側電源及び−80Vの負側電源を供給する電源手段である。
第1D級増幅部は、モードに関わらず有効とされる(常時動作)が、第2D級増幅部については、モードに応じて有効とされる場合(動作)と無効とされる場合(動作を停止)とがある。動作を停止している第2D級増幅部は、殆ど電力を消費しない。第1D級増幅部には、アンプ装置20の1つ目の入力端子21aから入力したアナログ音響信号(入力信号IN1)が供給され、第2D級増幅部には、反転器E1により正負(電圧の極性)が反転された入力信号IN1invが供給される。
スイッチング素子S1aとS1bは、PWM変調器X1から各ゲートに供給されるPWM信号に応じて、コイルL1の入力端を正側電源と負側電源の何れか一方に接続(スイッチング)する。このようにして、コイルL1の入力端には、電力増幅されたPWM信号が供給される。そして、電力増幅されたPWM信号は、コイルL1とコンデンサC1とで形成されるローパスフィルタで高域がカットされ、コイルL1の出力端に、入力信号IN1を電力増幅したアナログ音響信号が復調され、音声出力端子22aの正側に供給される。
従って、電流制限回路I1,I2は、第1増幅部20の電源、出力部の素子及び接続されたスピーカを、アンプ装置20の設計時の各想定電力を超えて壊れてしまわないように保護する働きをする。
また、8Ωのスピーカを1台接続したとき(第3の動作モード)の、アンプ装置20の想定された最大出力を500Wmaxとする場合、上記所定値は、8×I×I=500を満たす値とすればよく、やはりI≒7.9A(実効値)≒11.2A(ピーク値)である。
第2D級増幅部を無効化する場合には、同時にスイッチS1をオンして、音声出力端子22aの負側を接地する。これにより、第1増幅部201は、第1D級増幅部のみのハーフブリッジ接続の構成のD級アンプとして機能する。ここで、第2D級増幅部の無効化は、具体的には、PWM変調器X2を停止させるとともに、スイッチング素子S2a,S2bをオフで固定することにより行われる。その場合、電源部203から第2D級増幅部には殆ど電流が流れなくなり、その分だけ消費電力が削減される。
第3D級増幅部を無効化する場合には、同時にスイッチS2をオンして、音声出力端子22bの正側を接地する。これにより、第2増幅部202は、第4D級増幅部のみのハーフブリッジ接続の構成のD級アンプとして機能する。ここで、第3D級増幅部の無効化は、具体的には、PWM変調器X3を停止させるとともに、スイッチング素子S3a,S3bをオフで固定することにより行われる。その場合、電源部203から第3D級増幅部には殆ど電流が流れなくなり、その分だけ消費電力が削減される。
図3は、アンプ装置20において用意されている動作モードと、その各モードにおいて行う各部の制御を示す図である。動作モードは、上述のようにユーザがモード切替部205に対して設定し、その設定されたモードに従って、モード制御部204が、図1に示した各部へ図3に示した動作を行わせるための制御信号を出力する。
この場合、第1〜第4D級増幅部(PWM変調器X1〜X4)を全て動作させる(有効にする)。また、スイッチS1及びS2はオフにする。そして、電流制限回路I1〜I4の電流上限値は、100Vシステムを接続したときに、アンプ装置20の出力が想定された最大出力(250W)を超えないよう保護するための第1値(実効値2.5Aないしピーク値3.5A)に切り換えられる。
この場合、第1及び第4D級増幅部(PWM変調器X1,X4)を動作させる一方、第2及び第3D級増幅部(PWM変調器X2,X3)を停止させる(無効にする)。また、スイッチS1及びS2はオンにする。そして、電流制限回路I1及びI4の電流上限値は、4Ωのローインピーダンススピーカを接続したときに、アンプ装置20の出力が想定された最大出力(250W)を超えないよう保護するための第2値(実効値7.9Aないしピーク値11.2A)に切り換えられる。
203が供給する電圧(±80V)よりやや狭い電圧の範囲(−80+βV〜+80−βV)で、音声出力端子22a,22bに供給するアナログ音響信号の電圧を振ることができる。想定された最大出力(250W)での振幅は、4×7.9=31.6V(実効値)≒44.7V(ピーク値)であるので、この場合、フルブリッジ接続で駆動では、電源電圧±80Vのうち約±23V程度しか有効に使われないことになるが、本実施形態では、ハーフブリッジ接続で駆動するので、±80Vのうち約45V程度が有効に使われることになる。
フルブリッジの場合、パンピング現象は、2つのD級電力増幅部からの電流に起因して、正側と負側の電源に互いに逆の方向に現れるため、電源電圧の不均衡は生じない。
この場合、第1及び第2D級増幅部(PWM変調器X1,X2)を動作させる一方、第3及び第4D級増幅部(PWM変調器X3,X4)を停止させる(無効にする)。また、スイッチS1はオフにする。第2増幅部202は実質的に動作させないため、スイッチS2はオンでもオフでも構わない。
例えば、上述した実施形態においては、D級増幅部を4つ備えるアンプ装置について説明したが、電力増幅器が、この4つの単位を複数備えたものであってもよい。この場合において、第2の動作モードにおけるパンピング現象の影響を考慮すると、電源部203は、4の正の整数倍のD級増幅部につき1つ設けることが好ましい。
また、以上述べてきた構成及び変形例は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて適用することも可能である。
従って、この発明を適用することにより、D級電力増幅器の品質を向上させることができる。
Claims (2)
- 音声出力端子と、
第1のモードと第2のモードのいずれか一方を指定するモード指定部と、
入力した音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記音声出力端子の正側に供給する第1D級増幅部と、
前記入力した音響信号の極性を反転する反転部と、
前記反転部において反転された音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記音声出力端子の負側に供給する第2D級増幅部と、
前記第1のモードが指定されたとき、前記第1及び第2D級増幅部を有効にすると共に、該第1及び第2D級増幅部の出力が第1電流値以下となるようそれぞれ保護する第1モード制御部と、
前記第2のモードが指定されたとき、前記第1D級増幅部及び前記第2D級増幅部のうち一方を無効にし他方を有効にし、前記音声出力端子の正側及び負側のうち、無効にしたD級増幅部と対応する側を接地すると共に、有効にしたD級増幅部の出力が、前記第1電流値より大きい第2電流値以下となるよう保護する第2モード制御部とを備え、
前記第1電流値は、前記音声出力端子に1セットの一定電圧スピーカシステムが接続されたときに、当該D級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値であり、
前記第2電流値は、前記音声出力端子に1つの低インピーダンススピーカが接続されたときに、当該D級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値であることを特徴とするD級電力増幅器。 - 第1音声出力端子と、
第2音声出力端子と、
第1のモードと第2のモードのいずれか一方を指定するモード指定部と、
入力した第1音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第1音声出力端子の正側に供給する第1D級増幅部と、
前記入力した第1音響信号の極性を反転する第1反転部と、
前記第1反転部において反転された第1音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第1音声出力端子の負側に供給する第2D級増幅部と、
入力した第2音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第2音声出力端子の正側に供給する第3D級増幅部と、
前記入力した第2音響信号の極性を反転する第2反転部と、
前記第2反転部において反転された第2音響信号をパルス幅変調信号に変換して電力増幅し、該電力増幅された音響信号を前記第2音声出力端子の負側に供給する第4D級増幅部と、
前記第1のモードが指定されたとき、前記第1から第4D級増幅部を全て有効にすると共に、該各D級増幅部の出力が第1電流値以下となるようそれぞれ保護する第1モード制御部と、
前記第2のモードが指定されたとき、前記第1D級増幅部及び前記第4D級増幅部を有効にし、前記第2D級増幅部及び前記第3D級増幅部を無効にし、前記第1音声出力端子の負側及び前記第2音声出力端子の正側をそれぞれ接地するとともに、前記第1D級増幅部及び前記第4D級増幅部の出力が、それぞれ前記第1電流値より大きい第2電流値以下となるよう保護する第2モード制御部とを備え、
前記第1電流値は、前記第1音声出力端子及び前記第2音声出力端子にそれぞれ1セットの一定電圧スピーカシステムが接続されたときに、当該D級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値であり、
前記第2電流値は、前記第1音声出力端子及び前記第2音声出力端子にそれぞれ1つの低インピーダンススピーカが接続されたときに、当該D級電力増幅器の最大出力を、所定の電源容量に対応する値以下に抑える値であることを特徴とするD級電力増幅器。
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