JP5903994B2

JP5903994B2 - 増幅器

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Publication number: JP5903994B2
Application number: JP2012090519A
Authority: JP
Inventors: 耕自宮田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: JP2013219691A

Description

本技術は増幅器についての技術分野に関する。詳しくは、高い電力効率を確保した上でスピーカーから出力される音声の音質の向上を図る技術分野に関する。

スピーカーには、例えば、マグネットとヨークとコイルによって構成された磁気回路が用いられ、増幅器によって増幅された音声を出力するようにされたものがある（例えば、特許文献１参照）。

増幅器は、例えば、デジタルミュージックプレーヤー（ＤＭＰ）やディスクプレーヤー等の音声信号出力部から出力された音声信号を増幅し、スピーカーに対して音声出力用の駆動信号を出力する。

特許文献１に記載された増幅器においては、スピーカーに電圧を出力して音声信号の増幅を行うようにされている。

ところが、スピーカーに対する駆動力は電流に比例するため、上記のような電圧駆動によるスピーカーの場合には、各種の状況において電圧と駆動力の間の線形性が崩れ、スピーカーから出力される音声の音質の低下を来たすおそれがある。

そこで、増幅器には、スピーカーに電流を出力して音声信号の増幅を行う電流駆動タイプが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に記載された増幅器は、電流を出力してスピーカーの駆動を行うため、スピーカーの音声の音質の向上が図られ、また、スイッチング制御回路によって電流の出力を切り替えて駆動するため、電力効率の向上が図られている。

特開２００７−２５９４５６号公報特開２００４−５６７２７号公報

ところで、特許文献２に記載された増幅器にあっては、所定の周期で発振する搬送波生成回路から搬送波が出力され、搬送波の所定のレベル遷移等に基づいてスイッチング制御回路から指示信号が出力されるように構成されている。

スイッチング制御回路から指示信号が出力されると、指示信号に応答して第１の駆動制御回路と第２の駆動制御回路が動作され、二つの駆動素子（トランジスタ）が第１の駆動制御回路によって制御され別の二つの駆動素子が第２の駆動制御回路によって制御される。

このように特許文献２に記載された増幅器にあっては、搬送波生成回路から出力される搬送波等に基づいてスイッチング制御回路が動作され、スイッチング周波数を外部から入力する他励型の構成にされている。

従って、搬送波生成回路、カレントミラー回路及び一対のコンパレータと制御回路の追加によるコストアップが生じ、また、カレントミラー回路による電流検出によって生じる誤差及びゼロクロス時に駆動回路の切替によって生じる歪によって、スピーカーから出力される音声の音質の向上が十分に図られていない。

そこで、本技術増幅器は、上記した問題点を克服し、高い電力効率を確保した上でスピーカーから出力される音声の音質の向上を図ることを課題とする。

第１に、増幅器は、上記した課題を解決するために、出力状態が正又は負に切り替えられて音声出力用の駆動電流をスピーカーに供給する電力スイッチング回路と、前記駆動電流を検出し電圧に変換して出力する電流検出回路と、音声信号出力部から出力される音声信号が入力され前記音声信号に対して一定範囲のヒステリシスを有すると共に前記音声信号と前記駆動電流を比較し比較結果に応じて正又は負のコンパレーター信号を出力するコンパレーターと、前記コンパレーター信号が入力され前記コンパレーター信号に応じて前記電力スイッチング回路を正又は負の出力状態となるように制御する制御回路とを備え、前記電力スイッチング回路は一対の出力端子をスピーカーに接続するバランスドトランスレス接続が行われ、前記電力スイッチング回路には電源電圧側に配置された一対の高電位側駆動素子とグランド側に配置された一対の低電位側駆動素子とが設けられ、前記一対の低電位側駆動素子と前記グランドの間にそれぞれ前記駆動電流を検出する一対の検出抵抗が設けられ、前記一対の検出抵抗の前記一対の低電位側駆動素子側の端子の電圧を差動増幅して前記駆動電流を電圧に変換して検出するようにしたものである。

従って、増幅器にあっては、音声信号と駆動電流を比較した比較結果に応じてコンパレーターから出力されるコンパレーター信号に応じて電力スイッチング回路が正又は負の出力状態となるように制御される。

また、前記電力スイッチング回路は一対の出力端子をスピーカーに接続するバランスドトランスレス接続が行われ、電力スイッチング回路に電源電圧側に配置された一対の高電位側駆動素子とグランド側に配置された一対の低電位側駆動素子とが設けられることにより、低電圧で大きな出力が得られる。

また、一対の低電位側駆動素子とグランドの間にそれぞれ駆動電流を検出する一対の検出抵抗が設けられ、一対の検出抵抗の一対の低電位側駆動素子側の端子の電圧を差動増幅して駆動電流を電圧に変換して検出することにより、駆動電流の検出が行われる。

第２に、上記した増幅器においては、前記制御回路によって前記電力スイッチング回路における出力状態の切替時にデッドタイムが挿入されるようにすることが望ましい。

制御回路によって電力スイッチング回路における出力状態の切替時にデッドタイムが挿入されるようにすることにより、電力スイッチング回路における正負の出力切替時の貫通電流が抑制される。

第３に、上記した増幅器においては、前記電力スイッチング回路と前記スピーカーの間にコイルとコンデンサーを有するフィルタリング回路が設けられることが望ましい。

電力スイッチング回路とスピーカーの間にコイルとコンデンサーを有するフィルタリング回路が設けられることにより、フィルタリング回路によって電力スイッチング回路の出力から高周波成分が除去される。

本技術増幅器は、出力状態が正又は負に切り替えられて音声出力用の駆動電流をスピーカーに供給する電力スイッチング回路と、前記駆動電流を検出し電圧に変換して出力する電流検出回路と、音声信号出力部から出力される音声信号が入力され前記音声信号に対して一定範囲のヒステリシスを有すると共に前記音声信号と前記駆動電流を比較し比較結果に応じて正又は負のコンパレーター信号を出力するコンパレーターと、前記コンパレーター信号が入力され前記コンパレーター信号に応じて前記電力スイッチング回路を正又は負の出力状態となるように制御する制御回路とを備え、前記電力スイッチング回路は一対の出力端子をスピーカーに接続するバランスドトランスレス接続が行われ、前記電力スイッチング回路には電源電圧側に配置された一対の高電位側駆動素子とグランド側に配置された一対の低電位側駆動素子とが設けられ、前記一対の低電位側駆動素子と前記グランドの間にそれぞれ前記駆動電流を検出する一対の検出抵抗が設けられ、前記一対の検出抵抗の前記一対の低電位側駆動素子側の端子の電圧を差動増幅して前記駆動電流を電圧に変換して検出するようにしている。

従って、音声信号出力部から入力される音声信号に基づいてスピーカーに入力される駆動電流が定められ、音声信号に略比例した音声の出力をスピーカーから行わせることができ、高い電力効率を確保した上でスピーカーから出力される音声の音質の向上を図ることができる。

また、低電圧でも大きな出力を得ることが可能であり、増幅器の駆動効率の向上及び消費電力の低減を図ることができる。

また、一対の検出抵抗においては一方に電流（信号）が流れるときには他方に電流が流れないため、各々の検出抵抗に流れる電流の検出を1つの差動増幅器によって行うことにより、構成を簡素化しつつ検出部の切替による誤差を排除し、さらにグラウンド電位の変動に伴うノイズを打ち消すことができ、検出精度の向上を図ることができる。

請求項２に記載した技術にあっては、前記制御回路によって前記電力スイッチング回路における出力状態の切替時にデッドタイムが挿入されるようにしている。

従って、正負の出力状態の切替時の貫通電流が抑制され、貫通電流の抑制による増幅器の動作の信頼性の向上及び電力スイッチング回路の回路構成の破損を防止することができる。

請求項３に記載した技術にあっては、前記電力スイッチング回路と前記スピーカーの間にコイルとコンデンサーを有するフィルタリング回路が設けられている。

従って、電力スイッチング回路の出力から高周波成分が除去されてスピーカーから高効率で高品質の音声を出力することができる。

以下に、本技術増幅器を実施するための最良の形態を添付図面に従って説明する。

［スピーカーシステムの全体構成］
先ず、増幅器が用いられるスピーカーシステムの全体構成について説明する（図１参照）。

スピーカーシステム１００は、例えば、デジタルミュージックプレーヤー（ＤＭＰ）やディスクプレーヤー等の音声信号出力部１０１と音声信号出力部１０１から出力される音声信号を増幅する増幅器１と音声を出力するスピーカー１０２とを有している。増幅器１には音量調節のためのボリュームが内蔵されていてもよい。

音声信号出力部１０１から出力される音声信号はアナログ信号であり、増幅器１によって増幅されてスピーカー１０２から音声として出力される。スピーカー１０２においては電流駆動によって電流に比例した音声の出力が行われる。

スピーカー１０２はエンクロージャー（筐体）とスピーカーユニットによって構成されている。尚、エンクロージャーは密閉型、バスレフ型、バックロードホーン型、音響パイプ型等の各種のタイプが用いられる。

［増幅器の回路構成］
次に、増幅器１の回路構成について説明する（図２参照）。

増幅器１は、電流駆動型のＤ級アンプである。増幅器１は、コンパレーター信号を出力するコンパレーター２と、コンパレーター２から出力されたコンパレーター信号に応じて制御を行う制御回路３と、制御回路３によって制御されて駆動電流をスピーカー１０２に供給する電力スイッチング回路４と、駆動電流を検出する電流検出回路５とを有している。

コンパレーター２には音声信号出力部１０１から音声信号が入力されると共に電流検出回路５から検出信号が入力される。検出信号はスピーカー１０２に対して電力スイッチング回路４から出力された音声出力用の駆動電流を検出した信号である。

コンパレーター２は入力された音声信号と検出信号を比較し、この比較結果に応じて正又は負のコンパレーター信号を制御回路３に対して出力する。コンパレーター２は音声信号に対して一定範囲のヒステリシスを有しており（図３参照）、音声信号に対して検出信号が、例えば、±２５０ｍＶのオーバードライブ（±α）でコンパレーター２の出力（コンパレーター信号）が正と負で切り替えられるように構成されている。

即ち、図３に示すように、コンパレーター２による音声信号と検出信号の比較結果において、検出信号の出力が音声信号の出力に対して２５０ｍＶ上回るとコンパレーター２から制御回路３に対して出力されるコンパレーター信号が正（Ｈｉｇｈ）から負（Ｌｏｗ）に切り替えられ、検出信号の出力が音声信号の出力に対して２５０ｍＶ下回るとコンパレーター２から制御回路３に対して出力されるコンパレーター信号が負から正に切り替えられる。

制御回路３にはコンパレーター２から出力されたコンパレーター信号が入力される。制御回路３はコンパレーター信号に応じて電力スイッチング回路４を正又は負の出力状態となるように制御する。即ち、制御回路３にコンパレーター２から正のコンパレーター信号が入力されると制御回路３は電力スイッチング回路４を正の出力状態となるように制御し、制御回路３にコンパレーター２から負のコンパレーター信号が入力されると制御回路３は電力スイッチング回路４を負の出力状態となるように制御する。

増幅器１においては、後述するように、電力スイッチング回路４が電界効果トランジスタによって構成されており、制御回路３は電界効果トランジスタのゲートの駆動を行う。

また、制御回路３は電力スイッチング回路４における正負の出力状態の切替時にデッドタイムの挿入を行う。従って、電界効果トランジスタの正負の出力切替時の貫通電流が抑制され、貫通電流の抑制による増幅器１の動作の信頼性の向上及び電力スイッチング回路４の回路構成の破損を防止することができる。

電力スイッチング回路４は、図２に示すように、単電源の電源電圧ＶＣＣ側、即ち、ハイサイド側に接続された一対の高電位側駆動素子６Ａ、６ＢとグランドＧＮＤ側、即ち、ローサイド側に接続された一対の低電位側駆動素子７Ａ、７Ｂとを有している。高電位側駆動素子６Ａ、６Ｂ及び低電位側駆動素子７Ａ、７Ｂとしては、例えば、電界効果トランジスタであるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられている。高電位側駆動素子６Ａ、６ＢはＰチャンネル型であり、低電位側駆動素子７Ａ、７ＢはＮチャンネル型である。

尚、上記には、電力スイッチング回路４がＭＯＳＦＥＴによって構成された例を示したが、電力スイッチング回路はＭＯＳＦＥＴによる構成に限られることはなく、バイポーラトランジスタや接合型の電界効果トランジスタ等の他のデバイスによって構成されていてもよい。

電力スイッチング回路４には電源電圧ＶＣＣから電源が入力され、電源電圧ＶＣＣは、例えば、１２Ｖである。

また、電力スイッチング回路４は一対の出力端子Ｔ１、Ｔ２がスピーカー１０２に接続されてバランスドトランスレス（ＢＴＬ）接続が行われている。

バランスドトランスレス接続が行われることにより低電圧でも大きな出力を得ることが可能であり、増幅器１の駆動効率の向上及び消費電力の低減を図ることができる。

尚、増幅器１は、上記したバランスドトランスレス駆動タイプの他、正負の二つの電源を用いたタイプやシングルエンド駆動タイプにすることも可能である。

高電位側駆動素子６Ａ、６Ｂは、ゲートにそれぞれ制御回路３が接続され、ドレインにそれぞれ電源電圧ＶＣＣが接続され、ソースにそれぞれ出力端子Ｔ１、Ｔ２が接続されている。

低電位側駆動素子７Ａ、７Ｂは、ゲートにそれぞれ制御回路３が接続され、ドレインにそれぞれスピーカー１０２の出力端子が接続され、ソースにそれぞれ電流検出回路５の後述する検出抵抗が接続されている。

電流検出回路５にはそれぞれ低電位側駆動素子７Ａ、７Ｂに接続された第１の検出抵抗８Ａ及び第２の検出抵抗８Ｂと差動増幅器９が設けられている。

第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８ＢはそれぞれグランドＧＮＤと低電位側駆動素子７Ａ、７Ｂの間に設けられている。第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８Ｂはスピーカー１０２に供給される駆動電流を検出する機能を有している。

電流検出回路５における駆動電流の検出は、第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８Ｂの低電位側駆動素子７Ａ、７Ｂ側の各端子の電圧を差動増幅し、例えば、駆動電流１Ａ（アンペア）当たり１Ｖ（ボルト）になるように電圧に変換して行うようにしている。検出された駆動電流の値は、検出信号として電流検出回路５からコンパレーター２に送出され、上記したように、コンパレーター２において音声信号と検出信号の比較が行われる。

第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８Ｂにおいては一方に電流（信号）が流れるときには他方に電流が流れない。

従って、上記のように、駆動電流の検出を1つの差動増幅器によって行うことにより、構成を簡素化しつつ検出部の切替による誤差を排除し、さらにグラウンド電位の変動に伴うノイズを打ち消すことができ、検出精度の向上を図ることができる。

尚、上記には、第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８ＢがグランドＧＮＤ側であるローサイド側に接続された例を示したが、第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８Ｂが電源電圧ＶＣＣ側であるハイサイド側に接続されたりスピーカー１０２の駆動端子に挿入されて駆動電流の検出が行われるようにしてもよい。

また、上記には、第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８Ｂによって駆動電流を検出する例を示したが、駆動電流の検出は第１の検出抵抗８Ａと第２の検出抵抗８Ｂによる例に限られることはなく、例えば、コイルやホール素子等の抵抗以外の素子を用いて行うことも可能である。

電力スイッチング回路４とスピーカー１０２の間にはフィルタリング回路１０が設けられている。フィルタリング回路１０は電力スイッチング回路４からスピーカー１０２に出力されるパルス状の駆動信号（駆動波形）の高周波成分（ノイズ）を除去する役割を果たし、コイル１１、１１とコンデンサー１２、１２、１２を有している。

コイル１１、１１のインダクタンスの合計は、例えば、３０μＨ（ヘンリー）であり、インダクタンスの定義から１２Ｖの電圧が印加されたときに電流が５００ｍＡ変化するまでの時間が１．２５μｓであり、出力が反転し逆方向の電圧が印加された場合も同様である。従って、１周期は２．５μｓ＝４００ＫＨｚになり、アイドリングの周波数が決定される。但し、これらの各値は設計要求に応じて任意に変更することが可能である。

上記のように、電力スイッチング回路４とスピーカー１０２の間にコイル１１、１１とコンデンサー１２、１２、１２を有するフィルタリング回路１０が設けられることにより、電力スイッチング回路４の出力から高周波成分を除去してスピーカー１０２から高効率で高品質の音声を出力することができる。

［駆動電流の流れ］
上記した増幅器１においては、ルートＡとルートＢの二つのルートで駆動電流が供給される（図４参照）。増幅器１においては、上記したように、バランスドトランスレス接続が行われており、駆動電流はルートＡとルートＢにおいて選択的に供給され、ルートＡを流れるときにはルートＢには流れず、逆に、ルートＢを流れるときにはルートＡには流れないようにされている。

ルートＡの場合には、駆動電流は高電位側駆動素子６Ａから一方のコイル１１を介してスピーカー１０２に供給され、このときコンパレーター２から出力されたコンパレーター信号に応じた制御回路３による制御によって電力スイッチング回路４が正又は負の出力状態となるように制御される。駆動電流はスピーカー１０２から他方のコイル１１及び低電位側駆動素子７Ａを介して第１の検出抵抗８Ａに送出され、第１の検出抵抗８Ａによって検出される。

一方、ルートＢの場合には、駆動電流は高電位側駆動素子６Ｂから他方のコイル１１を介してスピーカー１０２に供給され、このときコンパレーター２から出力されたコンパレーター信号に応じた制御回路３による制御によって電力スイッチング回路４が正又は負の出力状態となるように制御される。駆動電流はスピーカー１０２から一方のコイル１１及び低電位側駆動素子７Ｂを介して第２の検出抵抗８Ｂに送出され、第２の検出抵抗８Ｂによって検出される。

［まとめ］
以上に記載した通り、増幅器１にあっては、出力状態が正又は負に切り替えられて駆動電流をスピーカー１０２に供給する電力スイッチング回路４と、駆動電流を検出し電圧に変換して出力する電流検出回路５と、音声信号に対してヒステリシスを有し音声信号と駆動電流を比較するコンパレーター２と、電力スイッチング回路４を制御する制御回路３とを備えている。

上記のように、増幅器１にあっては、音声信号と駆動電流を比較した比較結果に応じてヒステリシスを有するコンパレーター２から出力されるコンパレーター信号に応じて電力スイッチング回路４が正又は負の出力状態となるように制御され、音声信号出力部１０１から入力される音声信号に基づいてスピーカー１０２に入力される駆動電流が定められる。

従って、増幅器１においては、音声信号に略比例した音声の出力をスピーカー１０２から行わせることができ、高い電力効率を確保した上でスピーカー１０２から出力される音声の音質の向上を図ることができる。

特に、Ｄ級アンプである増幅器１と電流駆動に適した特性を有するスピーカー１０２の組み合わせが可能となり、ダイナミックレンジの改善、過渡応答特性の向上、位相変化の減少、スピーカー１０２のインピーダンス変化の影響の排除及び制御性の向上が高効率に実現可能となる。

［本技術］
本技術は、以下のような構成にすることができる。

（１）出力状態が正又は負に切り替えられて音声出力用の駆動電流をスピーカーに供給する電力スイッチング回路と、前記駆動電流を検出し電圧に変換して出力する電流検出回路と、音声信号出力部から出力される音声信号が入力され前記音声信号に対して一定範囲のヒステリシスを有すると共に前記音声信号と前記駆動電流を比較し比較結果に応じて正又は負のコンパレーター信号を出力するコンパレーターと、前記コンパレーター信号が入力され前記コンパレーター信号に応じて前記電力スイッチング回路を正又は負の出力状態となるように制御する制御回路とを備え、前記電力スイッチング回路は一対の出力端子をスピーカーに接続するバランスドトランスレス接続が行われ、前記電力スイッチング回路には電源電圧側に配置された一対の高電位側駆動素子とグランド側に配置された一対の低電位側駆動素子とが設けられ、前記一対の低電位側駆動素子と前記グランドの間にそれぞれ前記駆動電流を検出する一対の検出抵抗が設けられ、前記一対の検出抵抗の前記一対の低電位側駆動素子側の端子の電圧を差動増幅して前記駆動電流を電圧に変換して検出するようにした増幅器。

（２）前記制御回路によって前記電力スイッチング回路における出力状態の切替時にデッドタイムが挿入されるようにした前記（１）に記載の増幅器。

（３）前記電力スイッチング回路と前記スピーカーの間にコイルとコンデンサーを有するフィルタリング回路が設けられた前記（１）又は前記（２）に記載の増幅器。

上記した最良の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、何れも本技術を実施する際の具体化のほんの一例を示したものにすぎず、これらによって本技術の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

図２乃至図４と共に本技術の実施の形態を示すものであり、本図は、スピーカーシステムのブロック図である。増幅器のブロック図である。コンパレーターが有するヒステリシスを説明すると共に駆動電流と電力スイッチング回路の出力波形の関係を示すグラフ図である。駆動電流が流れるルートを説明するための図である。

１０１…音声信号出力部、１０２…スピーカー、１…増幅器、２…コンパレーター、３…制御回路、４…電力スイッチング回路、５…電流検出回路、６Ａ…高電位側駆動素子、６Ｂ…高電位側駆動素子、７Ａ…低電位側駆動素子、７Ｂ…低電位側駆動素子、８Ａ…第１の検出抵抗、８Ｂ…第２の検出抵抗、１０…フィルタリング回路、１１…コイル、１２…コンデンサー、Ｔ１…出力端子、Ｔ２…出力端子

Claims

出力状態が正又は負に切り替えられて音声出力用の駆動電流をスピーカーに供給する電力スイッチング回路と、
前記駆動電流を検出し電圧に変換して出力する電流検出回路と、
音声信号出力部から出力される音声信号が入力され前記音声信号に対して一定範囲のヒステリシスを有すると共に前記音声信号と前記駆動電流を比較し比較結果に応じて正又は負のコンパレーター信号を出力するコンパレーターと、
前記コンパレーター信号が入力され前記コンパレーター信号に応じて前記電力スイッチング回路を正又は負の出力状態となるように制御する制御回路とを備え、
前記電力スイッチング回路は一対の出力端子をスピーカーに接続するバランスドトランスレス接続が行われ、
前記電力スイッチング回路には電源電圧側に配置された一対の高電位側駆動素子とグランド側に配置された一対の低電位側駆動素子とが設けられ、
前記一対の低電位側駆動素子と前記グランドの間にそれぞれ前記駆動電流を検出する一対の検出抵抗が設けられ、
前記一対の検出抵抗の前記一対の低電位側駆動素子側の端子の電圧を差動増幅して前記駆動電流を電圧に変換して検出するようにした
増幅器。
前記制御回路によって前記電力スイッチング回路における出力状態の切替時にデッドタイムが挿入されるようにした
請求項１に記載の増幅器。
前記電力スイッチング回路と前記スピーカーの間にコイルとコンデンサーを有するフィルタリング回路が設けられた
請求項１に記載の増幅器。