JP5927545B2 - 増幅器および増幅器を備えた音響装置 - Google Patents

増幅器および増幅器を備えた音響装置 Download PDF

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Description

本発明は、増幅器およびこの増幅器を備えた音響装置に関する。本発明は、特に、音声信号の増幅手段として他励式Ｄ級アンプ方式を採用した増幅器およびこの増幅器を備えた音響装置に関する。
従来の増幅器として、外部クロックを不要とするＰＷＭ入力型Ｄ級アンプが知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載のものは、パワー段からの負帰還とＰＷＭ入力信号の差分信号が、２つの積分器を通ることで十分復調される。その十分復調された差分信号と、１つ目の積分器から取り出されたＰＷＭ高調波が残っているクロック信号とを比較器で比較することで、外部からクロックを得ずにＰＷＭ変調を実現する。
米国特許第７２６２６５８号明細書
しかしながら、上記特許文献１に記載のものは、クロック信号が積分器を通過した後の信号を利用するため振幅の差が小さくなり、外来ノイズ等によりＳ／Ｎが悪化するという問題があった。
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、外部からのクロックが不要でありかつＳ／Ｎを良化させることができる増幅器およびこの増幅器を備えた音響装置を提供することを目的とする。
本発明は、ＰＣＭ音声信号を増幅して出力する増幅器であって、前記ＰＣＭ音声信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ信号を生成するＰＣＭ／ＰＷＭ変換器と、前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が行うＰＷＭ変調の基準クロックであるランプ波を生成するランプ波生成器と、を備え、前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が生成するＰＷＭ信号と前記ランプ波生成器が生成するランプ波とが同期して動作する増幅器を提供する。
なお、ＰＣＭ音声信号をＰＷＭ変調するＰＷＭ変換器と、ＰＷＭと同期したランプ波形を生成するランプ波生成器と、前記ＰＷＭ変換器から出力されたＰＷＭ信号とスイッチングパワー段からの負帰還信号の差分を入力とする積分器と、積分器の出力と前記ランプ波生成器の出力であるＰＷＭ信号に同期したランプ波形とを比較する比較器と、比較器で生成されたＰＷＭ波形を増幅するスイッチングパワー部と、スイッチングパワー部の出力を復調する復調器と、スイッチングパワー段を減衰させて負帰還を掛ける負帰還部で構成される音声信号増幅器であっても良い。
また、本発明は、受信した放送電波から放送信号を復調するラジオ受信部と、ＰＣＭ音声信号を増幅して出力する増幅器と、が同一筐体内に設けられた音響装置において、前記増幅器は、前記ＰＣＭ音声信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ信号を生成するＰＣＭ／ＰＷＭ変換器と、前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が行うＰＷＭ変調の基準クロックであるランプ波を生成するランプ波生成器と、を備え、前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が生成するＰＷＭ信号と前記ランプ波生成器が生成するランプ波とが同期して動作する音響装置を提供する。
本発明によれば、Ｄ級アンプの入力部において、ＰＷＭ入力波とパワー段からの負帰還信号を積分器にて復調した信号を、変調ランプ波を基準とするコンパレータによって、再度ＰＷＭに変調する際、変調ランプ波形は電源電圧に対して最大まで大きくすることが可能なので基準波としてのＳ／Ｎを損なうことが無い。
本発明の実施の形態における音響装置のブロック図 本発明の実施の形態における増幅器のブロック図 本発明の実施の形態におけるＰＣＭ−ＰＷＭ変換器における信号処理の概略を説明するための図 本発明の実施の形態におけるＰＣＭ−ＰＷＭ変換器における信号処理の詳細を説明するための図 本発明の実施の形態におけるランプ波生成器における信号処理を説明するための図
以下、本発明の実施の形態における音響装置および増幅器について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態１における音響装置の構成図である。
図１において、音響装置１００はラジオの放送電波を受信するアンテナと音声信号を音声として出力するスピーカとに接続可能な構成からなる。
音響装置１００は、音声信号源として、受信した放送電波から放送信号を復調するラジオ受信部１０１とＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体から音声信号を再生して出力するＣＤデッキ１０３とが設けられている。
ＣＤデッキ１０３は、ＣＤ上に記録されたデジタル音楽信号を光ピックアップで読み取る。デジタル音楽信号はＰＣＭに変換されて出力される。
音響装置１００はまた、ユーザがラジオ受信部１０１からの音声信号の受聴（ラジオモード）とＣＤデッキ１０３からの音声信号の受聴（ＣＤモード）とを排他的に切替えるための操作部１０６が設けられる。
ただし、操作部１０６が音響装置１００の内部に設けられている必要は無く、リモコンなどを利用して操作信号が受信されるよう構成されていても良い。
ユーザの操作によりラジオモードまたはＣＤモードのいずれかのモードが選択されてラジオ受信部１０１またはＣＤデッキ１０３から出力された信号は、ＤＳＰ１０４に入力される。
ただし、ラジオ受信部１０１で復調された信号は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）１０２でＰＣＭ（Pulse Code Modulation）信号に変換された後にＤＳＰ１０４に入力され、ＣＤデッキ１０３で復調されたＰＣＭ信号は、そのままＤＳＰ１０４に入力される。
さらに、音響装置１００は、該システムの動作を統括的に制御するためのＣＰＵ１０７を備えており、プログラムとデータを保持するＲＯＭ１０８と、データを一時保持するＲＡＭ１０９を備えている。操作部１０６は、ＣＰＵ１０７を経由してユーザが操作した音量変更やトーンコントロールの変更をＤＳＰ１０４に通知する。
ただし操作部１０６は、ユーザが音量変更やトーンコントロールを変更するために操作する手段であり、例えばボタン、ロータリーエンコーダー、可変抵抗器などにより構成される。
ユーザが操作部１０６を用いて音量を変化させる操作を行なった場合、ＤＳＰ１０４に入力されたＰＣＭ信号は、音量を決定する係数と乗算することでＰＣＭ信号の大きさを変化させる。また、音量に応じたラウドネス特性を音声信号に付加する。
ユーザが操作部１０６を用いてトーンコントロール（高域調整、低域調整）を変化させた場合、ＤＳＰ１０４の内部において、ＰＣＭ信号を演算するデジタルフィルタの係数を変化させることで、周波数特性を変化させる。
ＣＰＵ１０７からの制御信号に応じてＤＳＰ１０４が信号処理を行なったあとの信号である出力信号はＰＣＭ信号１１０である。ＤＳＰ１０４から出力されたＰＣＭ１１０信号はＰＣＭ／ＰＷＭ変換部１１１に伝送される。
ＰＣＭ／ＰＷＭ変換部１１１は、ＤＳＰ１０４の出力であるＰＣＭ信号１１０を、後段のスイッチングアンプ部１１４への入力信号形式のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号であるＰＷＭ信号１１２に変換して出力するとともに、同時に後段のスイッチングアンプ部１１４のクロック信号とするランプ波（Ｒａｍｐ波）１１３を出力する。
ただし、ＰＷＭ信号１１２とランプ波１１３は同じ変調率で変調されるとともに、互いに同期して出力される。
スイッチングアンプ部１１４は、ランプ波１１３をクロック信号として、ＰＷＭ信号１１２を増幅する。スイッチングアンプ部１１４で増幅されたＰＷＭ信号はＬＰＦ１１５を通じてアナログ音声信号に変換される。スピーカ１１６は、当該アナログ音声信号に応じて駆動され、音声を出力する。
ここで、ラジオモードが選択されたとき、ラジオ受信部１０１で復調された信号がＤＳＰ１０４に入力される。
ラジオ受信部１０１はアンテナとＡＭ／ＦＭ復調回路で構成されている。アンテナで受信した電波信号をＡＭ／ＦＭ復調回路で音声信号に変換する。
このときラジオ受信部１０１は搬送波に近い周波数の妨害信号と干渉するとビートノイズを発生する。
例えば、ＡＭ変調の搬送波周波数と、搬送波周波数＋αHzの周波数が干渉すると、αHzの周波数がうねりとして復調音声信号に重畳されノイズとなる。
ここでαHzの妨害波は、電気回路のグランドシャーシを介して空中の電波となってラジオ受信部１０１に到達する。そのため、音響装置１００において、ラジオ受信部１０１と同じ筐体内に配置される増幅器１２０は、増幅器１２０で用いられる搬送波の周波数に近い周波数（２０ｋＨｚ以内）のノイズ源は遠ざけたいという要求が生じる。
すなわち、増幅器１２０が搬送波に近い周波数（２０ｋＨｚ以内）のノイズ源からのノイズの影響を受けないように、ラジオ受信部１０１と増幅器１２０とが電磁結合しない程度の距離だけ離れて配置されることが望ましい。
しかしながら、音響装置１００の同一筐体内にラジオ受信部１０１と増幅器１２０とが配置される場合や、例えばラジオ受信部１０１と増幅器１２０とを車両に搭載する場合などはラジオ受信部１０１と増幅器１２０とが異なる筐体で分離されたとしても、その設置場所が限定されるため、上述の要求を満たすことは物理的に困難である。
そこで、本実施の形態においては、以下に示す構成を採ることにより、搬送波に近い周波数（２０ｋＨｚ以内）のノイズ源からの影響を低減する。
次に、図２を用いて増幅器１２０について説明する。図２は、本発明の実施の形態における増幅器１２０のブロック図である。図２に示すとおり、増幅器１２０は、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換部１１１、スイッチングアンプ部１１４、ＬＰＦ１１５を備える。
ＰＣＭ／ＰＷＭ変換部１１１は、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００とランプ波生成器２０２を有する。
ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００は後段のスイッチングパワー段へ送るＰＷＭ信号１１２を生成する。
ランプ波生成器２０２の出力はＤＡＣ２０３を通り、後段のスイッチングアンプ部１１４のクロック信号であるランプ波１１３を生成する。ここで、ランプ波１１３はＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００に同期している。
次に、スイッチングアンプ部１１４は、積分器２１１とコンパレータ２１２とゲートドライバを有するパワー部２１３を備える。
積分器２１１はパワー部２１３の出力信号であるパワー部出力信号２１０とＰＣＭ／ＰＷＭ変換部１１１の出力であるＰＷＭ信号１１２を入力とする。
積分器２１１はＬＰＦ（Low Pass Filter）として動作するので、パワー部２１３の出力信号であるパワー部出力信号２１０とＰＣＭ／ＰＷＭ変換部１１１の出力信号であるＰＷＭ信号１１２の高調波成分が除去される。
積分器２１１の出力は、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換部１１１から生成されたランプ波１１３と重畳され、コンパレータ２１２に入力される。
ここで、ランプ波１１３はクロック信号として機能する。ランプ波１１３と積分器２１１の出力の加算信号が、コンパレータ２１２によってＰＷＭとなり、パワー部２１３に入力される。
パワー部２１３はゲートドライバとＦＥＴトランジスタＱ１，Ｑ２によって構成されており、電源電圧±Ｖの間でスイッチングすることで電力増幅する。
ゲートドライバはＦＥＴトランジスタＱ１，Ｑ２を高速にスイッチングさせるため、ＦＥＴトランジスタＱ１，Ｑ２のゲート端子へ電流を供給・吸収する働きをする。
パワー部２１３の出力は、ＬＰＦ（Low Pass Filter）１１５で復調されオーディオ信号となり、スピーカ１１６を駆動する。同時に、パワー部２１３の出力は、積分器２１１に負帰還される。
次に、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００の動作について説明する。図３は本発明の実施の形態におけるＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００における信号処理の概略を説明するための図である。
図３において、ＰＣＭのサンプリング周期をＴａ１、振幅の最大幅Ｐ＿max、最小値Ｐ＿minとする。
ＣＤの場合は、１／Ｔａ１＝４４．１ｋＨｚ，Ｐ＿ｍａｘ−Ｐ＿ｍｉｎ＝１６ｂｉｔである。またＰＷＭの周期をＴａ２、振幅の最大値と最小値はＰＣＭと同じとする。
ここで、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００は、ＰＣＭ信号１１０のサンプリング時刻３０１の振幅Ｐ１とサンプリング時刻３０３の振幅Ｐ２の間を補間する波形を作る。なお、図３に示す例では直線補間が用いられているが、滑らかなスプライン補間やラグランジュ補間を用いてもよい。
次に、図４を用いて、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００による、ＰＣＭ信号１１０と比較クロック信号３０２からＰＷＭ信号（ＰＷＭ１波形信号）を生成する方法について詳しく説明する。なお、比較クロック信号３０２は、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００内に設けられた図示しない発振器から出力されたのこぎり波の内部基準信号である。
図４は、本発明の実施の形態におけるＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００における信号処理の詳細を説明するための図である。
図４に示すように、比較クロック信号３０２の周期を周期Ｔａ２とする。
ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００は、周期Ｔａ２を８等分した周期Ｔａ３毎にＰＣＭ信号１１０と比較クロック信号３０２を比較し、ＰＣＭ信号１１０が比較クロック信号３０２より高ければＬｏｗレベル，ＰＣＭ信号１１０が比較クロック信号３０２より低ければＨｉｇｈレベルをそれぞれ出力することでＰＷＭ１波形信号を生成する。ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００は、生成したＰＷＭ１波形信号をランプ波生成器２０２に送る。
次に、ランプ波生成器２０２について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態におけるランプ波生成器２０２における信号処理を説明するための図である。
まず、ランプ波生成器２０２は、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００から得られたＰＷＭ１波形信号の立ち上がりエッジ５００、５０２、５０４を抽出し、各立ち上がりのタイミングでＴａ３の期間だけｈｉｇｈレベルのパルス信号ｓｉｇ１を生成する。
同様に、ランプ波生成器２０２は、立ち下がりエッジ５０１、５０３を抽出し、各立ち下がりのタイミングでＴａ３の期間だけｈｉｇｈレベルのパルス信号ｓｉｇ２を生成する。
次に、ランプ波生成器２０２は、生成したパルス信号ｓｉｇ１とパルス信号ｓｉｇ２の立ち上がりの間隔（ｔ１、ｔ２）をカウントし保持する。
ランプ波生成器２０２は、次周期のＰＷＭ１波形信号の立ち上がり５０２を検出したとき、保持したパルス信号間隔（ｔ１，ｔ２）に等しいパルス信号間隔（ｔ４（＝ｔ１）、ｔ５（＝ｔ２））で上昇と下降を繰り返すランプ波形信号を生成する。これらの繰り返しにより、ランプ波生成器２０２は、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００から得られたＰＷＭ１波形信号から１周期遅れでランプ波形（５４１，５４２，５４３）のデジタル信号を生成し、ＤＡＣ２０３を通してランプ波１１３が出力される。
同時に、ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器２００で生成されたＰＷＭ１波形信号は、ランプ波１１３と同期させるために、遅延器２０１によってＰＷＭ１波形信号の１周期（Ｔａ２）分遅らせる。このため、ランプ波１１３と同期したＰＷＭ信号１１２が出力される。
遅延器２０１による遅延の結果、図５に一点鎖線の楕円で示すように、ＰＷＭ信号１１２の立ち上がり及び立ち下がりとランプ波１１３の上昇及び下降の切り替わりタイミングが完全に同期するため、音声帯域に不要なビートノイズは発生せず、増幅器１２０の出力信号はＳ／Ｎが向上する。
また、ランプ波１１３はスイッチングアンプ部１１４のコンパレータ２１２のクロック信号として動作するが、コンパレータ２１２の電源電圧に対して十分大きな振幅を取ることによって、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
以上説明したとおり、本実施の形態の増幅器１２０およびこの増幅器１２０を備えた音響装置１００によれば、以下に示す問題を回避することができ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
例えば、電力効率がよい増幅器（Ｄ級アンプ）を実現する回路として、自励式の増幅器が知られているが、自励式は入力信号と出力信号の差分を増幅する負帰還回路が特長であり、自ら発振するので外からクロックを入力することが不要である。
しかしながら、自励発振周波数を変更するには負帰還回路の時定数を変更する必要があり、また、入力信号の振幅や、電源電圧変動によって発信周波数が変化する。
ラジオ受信部が増幅器の近くに実装されている音響装置の場合、ラジオ受信部にて受信した受信基本波と増幅器のクロックが可聴帯域内にビートを起こす可能性がある。
特に、ラジオ受信部の近くに配置（ラジオ受信部と増幅器とが電磁結合するように配置）される増幅器としては、クロックの周波数が制御できない自励式の増幅器は適さない。
また、増幅器の外からクロックを与えることで発信周波数を簡単に変更可能な他励式の増幅器があり、これは、発振周波数が増幅器の外部から制御できるので、ラジオ受信部へのノイズ混信による悪影響を回避することができるものの、入力信号がアナログの場合、アナログ入力経路に増幅器のスイッチングパワー段からのノイズが重畳しやすい。
これに対して、あらかじめＰＷＭ変調を施したデジタル信号を入力する他励式の増幅器を用いて、伝送経路上ではデジタル信号として扱い、受信側で二値化することが可能で、伝送経路上のノイズを排除できるが、この場合、初段の積分器にてアナログ信号に復調されるが、外部クロックと入力ＰＷＭのクロックが干渉し、ビートとなって音声帯域にノイズを発生させ、Ｓ／Ｎを悪化させる。
しかし、本実施の形態によれば、デジタル信号を入力とするので、従来のアナログ信号時と比較してノイズの影響を受けにくく、また、ＰＷＭ信号と同期したランプ波を比較クロックに使用するので、ＰＷＭと基準クロックとにビートが起きず、Ｓ／Ｎがよい増幅器および音響装置を実現することができる。
さらに、外部クロックを可変できるので、ラジオ受信部の近くに実装するセットにおいても、ビートノイズを発生しない利点がある。
すなわち、ＰＷＭ入力信号とは異なる外部からのクロックが不要なので、ビートノイズが発生せず、また、コンパレータ用のランプ波はＰＷＭ信号と同期しているのでビートを起こさない増幅器および音響装置を実現することができる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2011年3月28日出願の日本特許出願（特願2011-069231）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
以上のように、本発明にかかる音響装置および増幅器は、ビートノイズが発生せず、また、コンパレータ用のランプ波がＰＷＭ信号と同期しているのでビートを起こさないという効果を有し、音声信号の増幅手段として他励式Ｄ級アンプ方式を採用した増幅器およびこの増幅器を備えた音響装置等として有用である。
１００ 音響装置
１０１ ラジオ受信部
１０２ ＡＤＣ
１０３ ＣＤデッキ
１０４ ＤＳＰ
１０６ 操作部
１０７ ＣＰＵ
１０８ ＲＯＭ
１０９ ＲＡＭ
１１０ ＰＣＭ信号
１１１ ＰＣＭ／ＰＷＭ変換部
１１２ ＰＷＭ信号
１１３ ランプ波
１１４ スイッチングアンプ部
１１５ ＬＰＦ
１１６ スピーカ
１２０ 増幅器
２００ ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器
２０１ 遅延器
２０２ ランプ波生成器
２０３ ＤＡＣ
２１０ パワー部出力信号
２１１ 積分器
２１２ コンパレータ
２１３ パワー部
３００ 振幅レベル
３０１ サンプリング時刻
３０２ 比較クロック信号
３０３ サンプリング時刻
４０１ 振幅レベル
５００、５０２、５０４ 立ち上がりエッジ
５０１、５０３ 立ち下がりエッジ
５１０、５１１、５１２ 立ち上がり検出パルス
５２０、５２１ 立ち下がり検出パルス
５３１、５３３ 立ち上がりエッジ
５３２、５３４ 立ち下がりエッジ
５４１、５４２、５４３ ランプ波形

Claims (3)

  1. ＰＣＭ音声信号を増幅して出力する増幅器であって、
    前記ＰＣＭ音声信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ信号を生成するＰＣＭ／ＰＷＭ変換器と、
    前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が行うＰＷＭ変調の基準クロックであるランプ波を生成するランプ波生成器と、を備え、
    前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が生成するＰＷＭ信号と前記ランプ波生成器が生成するランプ波とが同期して動作し、
    前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が生成したＰＷＭ信号を当該ＰＷＭ信号の１周期分遅らせる遅延器と、前記遅延器の出力が入力されるコンパレータと、を更に備え、
    前記ＰＷＭ信号と同期した前記ランプ波を前記コンパレータの比較クロックに使用することを特徴とする増幅器。
  2. 請求項１に記載の増幅器であって、
    前記ランプ波生成器は、前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が生成したＰＷＭ信号の立ち上がりに同期した第１パルス信号と、前記ＰＷＭ信号の立ち下がりに同期した第２パルス信号と、を生成し、前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号の立ち上がりの間隔で上昇と下降を繰り返す前記ランプ波を生成することを特徴とする増幅器。
  3. 受信した放送電波から放送信号を復調するラジオ受信部と、ＰＣＭ音声信号を増幅して出力する増幅器と、が同一筐体内に設けられた音響装置において、
    前記増幅器は、前記ＰＣＭ音声信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ信号を生成するＰＣＭ／ＰＷＭ変換器と、前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が行うＰＷＭ変調の基準クロックであるランプ波を生成するランプ波生成器と、を備え、
    前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が生成するＰＷＭ信号と前記ランプ波生成器が生成するランプ波とが同期して動作し、
    前記増幅器は、前記ＰＣＭ／ＰＷＭ変換器が生成したＰＷＭ信号を当該ＰＷＭ信号の１周期分遅らせる遅延器と、前記遅延器の出力が入力されるコンパレータと、を更に備え、
    前記ＰＷＭ信号と同期した前記ランプ波を前記コンパレータの比較クロックに使用することを特徴とする音響装置。
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