JP6129858B2 - オーディオ信号出力オーディオ信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、オーディオ信号出力方法、及びそれによるオーディオ信号出力装置に係り、さらに詳細には、オーディオ信号の音質を改善することができるオーディオ信号出力方法、及びそれによるオーディオ信号出力装置に関し、また、スイッチング増幅動作時に発生しうるノイズ及びエラーを減少させることができるオーディオ信号出力方法、及びそれによるオーディオ信号出力装置に関する。

オーディオ信号を入力されて聴覚的に認識することができる信号を出力することができるオーディオ用のパワーアンプとしては、Ａ級、Ｂ級、ＡＢ級及びＤ級が使用される。このうち、Ｄ級アンプは、Ａ級アンプ、Ｂ級アンプ、ＡＢ級アンプなどで生じる増幅効率低下を低減させることができ、広く利用されている。

Ｄ級アンプは、アナログ形態で入力されるオーディオ信号とデジタル形態に変調し、デジタル変調されたオーディオ信号に対して、ノイズ除去などの信号処理及び増幅を行うデジタルアンプである。デジタル変調されたオーディオ信号は、高い電圧レベルを有する信号に増幅される。ここで、前記増幅は、スイッチング増幅器（switching amplifier）を介して行われる。スイッチング増幅器は、高い電圧レベル及び低い電圧レベルの電源を供給される。そして、スイッチング増幅器は、入力されたデジタル信号によってスイッチング動作を遂行し、高い電圧レベル及び低い電圧レベルを有するオーディオ信号を出力する。

デジタルアンプは、増幅効率が高いが、出力されるオーディオ信号の音色が柔らかくなくて硬いという短所がある。また、デジタルアンプによってよ生じる高調波成分（harmonic component）により、音の単純歪曲が生じうる。

また、前述のスイッチング増幅器においてスイッチング動作を遂行するとき、スイッチングノイズ（switching noise）が生じる。また、かようなスイッチングノイズは、スイッチング増幅器の信号対ノイズ比（ＳＮＲ：signal to noise ratio）を低下させる。また、スイッチング増幅器に供給される電源には、リップル（ripple）のような電源ノイズが存在する。かような電源ノイズも、信号対ノイズ比を低下させる。また、スイッチング増幅時に生じるスイッチング損失（switching loss）、並びにスイッチング駆動信号のフォーリング（falling）タイム及びライジング（rising）タイムの遅延は、出力オーディオ信号の非線形特性を引き起こす。

従って、前述のデジタルアンプの短所といえる単調な音色、信号対ノイズ比の低下及び非線形性問題を改善することができる方法及び装置を提供する必要がある。

本発明は、音質を改善することができるオーディオ信号出力方法、及びそれによるオーディオ信号出力装置の提供を目的とする。

具体的には、本発明は、真空管音色を具現しながら、高速でスイッチング増幅動作を遂行することができるオーディオ信号出力方法、及びそれによるオーディオ信号出力装置の提供を目的とする。

また、本発明は、真空管音色を具現しながら、スイッチング増幅時に発生しうるノイズ及び非線形性を低減させ、それにより、音質を改善することができるオーディオ信号出力方法、及びそれによるオーディオ信号出力装置の提供を目的とする。

本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力装置は、入力オーディオ信号をパルス変調及びスイッチング増幅し、前記入力オーディオ信号に対応する増幅信号を生成する変調・増幅部、並びに前記増幅信号を減衰して真空管の高調波成分を追加して生成した真空管信号を、前記変調・増幅部に入力する真空管増幅部を含む。

また、前記真空管増幅部は、前記増幅信号に所定減算利得値を適用し、二次高調波成分を追加し、前記真空管信号を生成する真空管減衰部を含んでもよい。

また、前記真空管減衰部は、前記所定減算利得値を有し、前記増幅信号を減算増幅して出力する真空管増幅器を含んでもよい。

また、前記変調・増幅部は、前記入力オーディオ信号を入力され、前記入力オーディオ信号に対応してパルス変調された変調信号を生成するパルス信号生成部、前記変調信号に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号を生成するドライバ、及び前記駆動信号により、スイッチング増幅動作を遂行して増幅信号を出力するパワースイッチング増幅部を含んでもよい。

また、前記パルス信号生成部は、前記入力オーディオ信号から前記真空管信号を減算して修正オーディオ信号を生成し、前記修正オーディオ信号をパルス変調し、前記変調信号を生成することができる。

また、前記パルス信号変調部は、前記入力オーディオ信号をシグマデルタ（ΣΔ）変調し、前記変調信号を出力するシグマデルタ変調部を含んでもよい。

また、前記シグマデルタ変調部は、前記入力オーディオ信号から前記真空管信号を減算する合算器、前記合算器の出力信号を入力され、前記合算器の出力信号を積分して出力するループフィルタ、及び前記ループフィルタから出力される信号を量子化し、前記変調信号を出力する量子化部を含んでもよい。

また、前記シグマデルタ変調部は、高次１ビット単一ループシグマデルタ変調器を含んでもよい。

また、前記パワースイッチング増幅部は、前記駆動信号に応答してターンオンまたはターンオフされ、前記スイッチング増幅動作を遂行する少なくとも１つのスイッチング素子を含む増幅器を含んでもよい。

また、前記スイッチング素子は、窒化ガリウムトランジスタ、ヒ化ガリウムトランジスタ及び炭化ケイ素トランジスタのうち少なくとも一つを含んでもよい。

また、前記パルス信号生成部は、第１周波数を有する第１キャリア信号または第１サンプリングクロックを利用して、１チャネルでの前記入力オーディオ信号をパルス変調し、前記変調信号を生成することができる。そして、前記ドライバは、第２周波数を有する第２キャリア信号または第２サンプリングクロックを利用して、前記変調信号をパルス変調し、前記駆動信号を生成することができる。

また、前記第２周波数の値は、前記第１周波数の値と同等であるか、あるいはそれよりも大きい値を有する。

本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置は、入力オーディオ信号に真空管の高調波成分を追加して真空管信号を生成する真空管増幅部、前記真空管信号に対応してパルス変調された変調信号を生成するパルス信号生成部、前記変調信号に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号を生成するドライバ、及び前記駆動信号により、スイッチング増幅動作を遂行して増幅信号を出力するパワースイッチング増幅部を含む。

また、本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置は、フィードバックループをさらに含んでもよい。また、前記フィードバックループは、前記増幅信号に所定減算利得値を適用して減衰させる減衰部、及び前記入力オーディオ信号から前記減衰部の出力信号を減算して生成した修正オーディオ信号を、前記真空管増幅部に入力する合算器を含んでもよい。

本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力方法は、入力オーディオ信号をパルス変調及びスイッチング増幅し、前記入力オーディオ信号に対応する増幅信号を生成する段階、及び前記増幅信号を減衰して真空管の高調波成分を追加して生成した真空管信号を、前記入力オーディオ信号に反映させる段階を含む。

本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力方法は、入力オーディオ信号に真空管の高調波成分を追加して真空管信号を生成する段階、前記真空管信号に対応してパルス変調された変調信号を生成する段階、前記変調信号に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号を生成する段階、及び前記駆動信号により、スイッチング増幅動作を遂行して増幅信号を出力する段階を含む。

本発明の実施形態によるオーディオ信号出力装置及びオーディオ信号出力方法は、真空管の高調波高調波成分をオーディオ信号に混合してパルス変調動作を遂行する。それにより、真空管の豊かな音色を有するオーディオ信号を出力することができる。それにより、出力されるオーディオ信号の音質を改善することができる。

また、本発明によるオーディオ信号出力装置及びオーディオ信号出力方法は、高速で動作することができるスイッチング素子を含むパワースイッチング増幅部を利用して、高周波数に合わせてスイッチング増幅動作を遂行する。それにより、スイッチングノイズを最小化することができ、信号対ノイズ比を向上させることができる。

本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。 本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。 本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。 図３で入出力される信号を示す図面である。 図３で入出力される信号を示す図面である。 図３で入出力される信号を示す図面である。 図１の真空管増幅部で出力される信号の信号成分を示す図面である。 本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力装置で出力される信号を示す図面である。 本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力装置で出力される信号を示す図面である。 本発明の一実施形態による信号処理方法を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態による信号処理方法を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。 本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。 本発明の他の実施形態による信号処理方法を示すフローチャートである。

以下、用語「及び／または」は、列挙された関連項目の一つまたは複数の全ての組み合せを含む。「少なくとも１つの」というような表現が要素のリストに先立つときには、該表現は、要素のリスト全体を修正するものであり、リストの個々要素を修正するものではない。

本発明の概念について、本発明の実施形態が示される添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

アナログ方式の増幅器としては、Ａ級、Ｂ級及びＡＢ級がある。かようなアナログ増幅器は、アンプの出力部に、トランジスタや真空管を使用し、出力オーディオ信号の線形性が保証される。アナログ方式の増幅器は、線形性にすぐれ、良好な音色を有するが、電力利用効率が、デジタルアンプに比べて非常に低い。また、低い電力利用効率により、増幅器自体の発熱問題が生じ、それにより、増幅器の寿命（aging）特性に劣る。また、アナログ方式の増幅器は、低い電力利用効率により、高い出力を出すためには、内部素子が大型化され、増幅器サイズが大きくなるという問題がある。

しかし、アナログ方式の増幅器は、出力オーディオ信号の線形性にすぐれ、真空管を介して、豊かな音色を具現することができるという長所がある。

以下、真空管を利用してデジタル増幅器を具現することにより、デジタル方式の増幅器が有する短所を取り除き、オーディオ信号の線形性を向上させ、豊かな音色を具現することができるオーディオ信号出力方法、及びそれによるオーディオ信号出力装置について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。図１を参照すれば、本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力装置１００は、変調・増幅部１１０及び真空管増幅部１２０を含む。

変調・増幅部１１０は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮをパルス変調及びスイッチング増幅し、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに対応する増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを生成する。

真空管増幅部１２０は、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを減衰（attenuation）、及び真空管の高調波成分を追加して生成した真空管信号Ｓ１を変調・増幅部１１０に入力する。ここで、真空管の高調波成分は、所定信号をして、真空管素子、具体的には、真空管増幅部１２０を通過させるときに生じる信号成分であり、真空管素子に入力された所定信号が有する周波数の偶数倍になる周波数を有する二次高調波（second harmonics）成分を意味する。二次高調波成分は、入力された所定信号を補強し、全体的な音を厚みのあるものにし、かつ豊かにする。従って、真空管信号Ｓ１には、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの原周波数信号成分、及びそれに対応する二次高調波成分が含まれている。前述の二次高調波成分は、以下、図５を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。図２に図示されたオーディオ信号出力装置２００において、変調・増幅部２１０及び真空管増幅部２２０は、それぞれ図１で説明した変調・増幅部１１０及び真空管増幅部１２０と同一に対応するので、図１と重複する説明は省略する。

図２を参照すれば、オーディオ信号出力装置２００は、変調・増幅部２１０及び真空管増幅部２２０を含む。図２に図示されたオーディオ信号出力装置２００において、変調・増幅部２１０及び真空管増幅部２２０は、それぞれ図１で説明した変調・増幅部１１０及び真空管増幅部１２０と同一に対応するので、図１と重複する説明は省略する。

変調・増幅部２１０は、パルス信号生成部２１１、ドライバ２１２及びパワースイッチング増幅部２１３を含む。

パルス信号生成部２１１は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮを入力され、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに対応して、パルス変調（pulse modulation）された変調信号Ｓ２を生成する。

具体的には、パルス信号生成部２１１は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮから真空管信号Ｓ１を減算し、修正オーディオ信号（図示せず）を生成し、修正オーディオ信号（図示せず）をパルス変調して変調信号Ｓ２を生成する。

例えば、パルス信号生成部２１１は、パルス幅変調部（ＰＷＭ unit：pulse width modulation unit）（図示せず）またはパルス密度変調部（ＰＤＭ unit：pulse density modulation unit）（図示せず）を含んでもよい。

例えば、パルス信号生成部２１１がパルス幅変調部（図示せず）を含む場合、パルス信号生成部２１１は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮをパルス幅変調（pulse width modulation）し、変調信号Ｓ２としてパルス幅変調信号を生成する。

具体的には、パルス幅変調部（図示せず）は、所定周波数を有するキャリア信号（carrier signal）である第１キャリア信号と、アナログ信号である入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮとを比較する。そして、前記比較結果により、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに対応するパルス幅変調信号を変調信号Ｓ２として生成する。例えば、パルス幅変調部（図示せず）は、キャリア信号と、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮとの信号レベルを比較し、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮの信号レベルが、キャリア信号の信号レベルより高い区間では、論理ハイレベルの変調信号Ｓ２を生成し、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮの信号レベルが、キャリア信号の信号レベルより低い区間では、論理ローレベルの変調信号Ｓ２を生成することができる。

他の例で、パルス信号生成部２１１が、パルス密度変調部（図示せず）を含む場合、パルス信号生成部２１１は、所定周波数を有するサンプリングクロック（sampling clock）である第１サンプリングクロックを利用して、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮをパルス密度変調（pulse density modulation）し、パルス密度変調信号を変調信号Ｓ２として生成する。例えば、パルス密度変調部（図示せず）は、シグマデルタ変調部（ＳＤＭ：sigma（Σ） delta（Δ） modulator）として構成されもする。

以下では、パルス信号生成部２１１において利用される第１キャリア信号及び第１サンプリングクロックの周波数を第１周波数とする。

ドライバ２１２は、変調信号Ｓ２に対応し、スイッチング増幅動作（switching amplifying operation）を制御するための駆動信号Ｓ３を生成する。

パワースイッチング増幅部２１３は、駆動信号Ｓ３により、スイッチング増幅動作を遂行して増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを生成する。

真空管増幅部２２０は、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴに、所定減算利得値（negative gain value）を適用して二次高調波成分を追加し、前記真空管信号を生成する真空管減衰部（vacuum tube attenuator）２２１として構成されもする。

具体的には、パワースイッチング増幅部２１３の出力信号である増幅信号Ｓ＿ＯＵＴは、高電圧の信号であるので、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴをそのままパルス信号生成部２１１に入力する場合、その入力電圧に起因した発振が発生しうる。従って、真空管減衰部２２１は、かような発振を防止するために、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮレベルに合わせ、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの電圧レベルを低める。

パワースイッチング増幅部２１３を通過して出力される真空管信号Ｓ１は、真空管成分を含み、信号の振幅が減衰された信号になる。

具体的には、真空管減衰部２２１は、所定減算利得値を有し、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを減算増幅して出力する真空管増幅器として構成されもする。ここで、所定減算利得値は、オーディオ信号出力装置２００の定格出力、製品仕様などによって最適化されて設定される。前記設定は、オーディオ信号出力装置２００が自体的に調節したり、あるいはユーザによって行われもする。例えば、前記所定減算利得値は、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの信号レベルが入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮの信号レベルに合わせて低減される利得値として設定することができる。

図３は、本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。図３に図示されたオーディオ信号出力装置３００は、図２のオーディオ信号出力装置２００を詳細に示したものである。具体的には、パルス信号生成部３１０、ドライバ３２０、パワースイッチング増幅部３３０及び真空管増幅部３４０は、それぞれパルス信号生成部２１１、ドライバ２１２及びパワースイッチング増幅部２１３及び真空管増幅部２２０に同一に対応するので、図２と重複する説明は省略する。また、オーディオ信号出力装置３００は、図２で図示したオーディオ信号出力装置２００に比べ、ローパス・フィルタ３５０及びスピーカ部３６０をさらに含んでもよい。

オーディオ信号出力装置３００では、パルス信号生成部３１０がシグマデルタ変調部を含む場合を例として挙げて図示及び説明し、以下では、パルス信号生成部３１０をシグマデルタ変調部３１０とする。

具体的には、シグマデルタ変調部３１０は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮをシグマデルタ変調（sigma delta modulation）し、変調信号Ｓ２を出力する。具体的には、シグマデルタ変調部３１０は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに含まれるノイズ成分を有効周波数帯域以外の帯域に移動させる動作であるノイズシェーピング（noise shaping）動作を遂行し、ノイズ成分がフィルタリングされた信号である変調信号Ｓ２を出力する。ここで、ノイズ成分は、スイッチング増幅動作時に生じるスイッチングノイズ及び供給電源に含まれるノイズなどを含んでもよい。

また、シグマデルタ変調部３１０は、高次１ビット単一ループシグマデルタ変調器（high order １−bit single-loop ＤＳＭ）を含んでもよい。高次１ビット単一ループシグマデルタ変調器は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに含まれるノイズ成分を、有効周波数帯域以外の帯域にさらに遠く移動させることにより、高いノイズフィルタリング性能を有する。

シグマデルタ変調部３１０は、合算器（adder）３１１、ループフィルタ３１２及び量子化部３１４を含む。また、シグマデルタ変調部３１０は、クロック発生器３１３をさらに含んでもよい。

合算器３１１は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮから真空管信号Ｓ１を減算する。

具体的には、合算器３１１は、真空管信号Ｓ１及び入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮを入力される。そして、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮから真空管信号Ｓ１を減算し、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１を出力する。合算器３１１を利用して、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに、真空管信号Ｓ１の値を反映させ、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１を生成することにより、シグマデルタ変調部３１０は、オーディオ信号出力装置３００の目標利得（gain）または定格最大出力に合わせ、正確な利得制御（gain control）を行うことができる。

具体的には、シグマデルタ変調部３１０が合算器３１１を含むことにより、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの利得（gain）及び位相（phase）を考慮し、シグマデルタ変調部３１０のループフィルタ３１２に入力される修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１の利得及び位相のうち少なくとも一つを調節することができる。それにより、シグマデルタ変調部３１０は、オーディオ信号出力装置３００の目標利得（gain）または定格最大出力に合わせ、正確な利得制御（gain control）を行うことができる。

ループフィルタ３１２は、合算器３１１の出力信号である修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１を入力され、入力された信号を積分して出力する。

具体的には、ループフィルタ３１２は、少なくとも１つの積分器（integrator）（図示せず）を含み、前記少なくとも１つの積分器（図示せず）を利用して、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１を積分（integration）する。また、ループフィルタ３１２は、所定ノイズ伝達関数（ＮＴＦ）により、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１に含まれるノイズを、外郭の周波数帯域にシェーピング（shaping）する。

量子化部３１４は、ループフィルタ３１２から出力される信号を入力され、入力された信号を量子化し、パルス信号形態を有する変調信号Ｓ２を生成する。

クロック発生器３１３は、ループフィルタ３１２のサンプリング周期を設定するためのクロック信号Ｓ＿ＣＬＫを生成し、第１周波数を有するクロック信号Ｓ＿ＣＬＫをループフィルタ３１２に供給する。それにより、ループフィルタ３１２は、第１周波数を有するクロック信号Ｓ＿ＣＬＫを、サンプリングクロックにして積分動作を行う。

前述のように、本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置３００は、パルス信号生成部３１０として、シグマデルタ変調部３１０を具備してノイズシェーピング動作を行うことにより、オーディオ信号出力装置３００で自体的に生じる量子化ノイズ（quantization noise）、電源ノイズ及びパワースイッチングノイズなどを含むノイズ成分をフィルタリングすることができ、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに含まれているノイズ成分をフィルタリングすることができる。

また、ドライバ３２０は、変調信号Ｓ２を入力され、入力信号された変調信号Ｓ２により、スイッチング増幅動作を制御するための少なくとも１つの駆動信号Ｓ３を生成することができる。ここで、スイッチング増幅動作は、パワースイッチング増幅部３３０内に具備される少なくとも１つのスイッチング素子３３２を利用して遂行される。駆動信号Ｓ３は、スイッチング素子３３２のターンオンまたはターンオフを制御するためのスイッチング制御信号になる。

具体的には、ドライバ３２０は、スイッチング素子３３２をターンオンまたはターンオフさせるパルス形態の信号を出力するパルス変調部（pulse modulation unit）（図示せず）として構成されもする。

ドライバ３２０がパルス変調部（図示せず）として構成される場合、図２のパルス信号生成部２１１で説明したところと同一に、ドライバ３２０のパルス変調部（図示せず）は、パルス幅変調部（図示せず）またはパルス密度変調部（図示せず）を含んでもよい。それにより、ドライバ３２０は、第２周波数を有する第２サンプリングクロック及び第２キャリア信号を利用してパルス変調動作を行う。

パワースイッチング増幅部３３０は、駆動信号Ｓ３に応答してターンオンまたはターンオフされ、スイッチング増幅動作を行う少なくとも１つのスイッチング素子３３２を含む増幅器３３１を含んでもよい。図３では、増幅器３３１に１つのスイッチング素子３３２が含まれる場合を例として挙げて図示した。

増幅器３３１は、高い電源電圧＋ＶＤＤ及び低い電源電圧−ＶＤＤを供給され、駆動信号Ｓ３に応答し、高い電源電圧＋ＶＤＤレベル及び低い電源電圧−ＶＤＤレベルを有する電圧信号である増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを出力する。

具体的には、増幅器３３１に含まれるスイッチング素子３３２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタ、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）トランジスタ及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）トランジスタのうち少なくとも一つを含む。

窒化ガリウムトランジスタ及びヒ化ガリウムトランジスタは、伝達遅延（propagation delay）が短く、高電圧で高速動作可能である。ここで、伝達遅延は、トランジスタのゲートに、当該トランジスタをターンオンさせる制御信号が入力された後、トランジスタの出力端であるソース端またはドレーン端に、飽和された電圧信号が出力されるまでにかかる時間を意味する。

増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの論理ハイレベルである電源電圧＋ＶＤＤが高い信号レベルを有するほど、０電圧から高い電源電圧＋ＶＤＤに上昇（rising）するのにかかる伝達遅延時間が長くなる。従って、その出力が可能なオーディオ信号出力装置３００を具現するためには、パワースイッチング動作を高速で遂行し、短時間内に、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴが０電圧から高い電源電圧＋ＶＤＤに遷移（transition）させる必要がある。

パワースイッチング動作を行うスイッチング素子３３２として、窒化ガリウムトランジスタまたはヒ化ガリウムトランジスタを利用する場合、高速でパワースイッチング動作を遂行することができる。

また、高速でパワースイッチング動作を遂行することにより、スイッチングノイズを最小化することができ、オーディオ信号出力装置３００の信号対ノイズ比（ＳＮＲ：signal to noise ratio）を向上させることができる。

また、スイッチング素子に利用される窒化ガリウムトランジスタは、窒化ガリウムヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＧａＮ ＨＦＥＴ：ＧａＮ hetero junction field effect transistor）でもある。

前述のように、パワースイッチング増幅部３３０を高速で駆動するためには、高い周波数を有する駆動信号Ｓ３が必要である。従って、第２周波数は、第１周波数と同じであるか、あるいはそれより大きい値にもなる。

ローパス・フィルタ３５０は、パワースイッチング増幅部３３０から出力される増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを、アナログオーディオ信号に復調して出力する。すなわち、パワースイッチング増幅部３３０から出力される信号は、デジタル信号であるので、それをアナログ信号に変換して出力するのである。

スピーカ部３６０は、ローパス・フィルタ３５０の出力信号を、ユーザが聴覚的に認識することができる物理的な振動信号に変換して出力する。

図４Ａないし図４Ｃは、図３で入出力される信号を示す図面である。具体的には、図４Ａは、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮの信号波形を示す。図４Ｂは、真空管増幅部３４０から出力される真空管信号Ｓ１の信号波形を示す。そして、図４Ｃは、合算器３１１から出力される修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１を示す。図４に図示されたグラフにおいて、ｘ軸は、時間を示し、ｙ軸は、信号の大きさである電圧レベルを示す。

図４Ａを参照すれば、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ ４１０は、ｔ１時間ないしｔ２時間の間の論理ハイレベルの信号として入力される。

図４Ｂを参照すれば、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ ４１０が、パルス信号生成部３１０、ドライバ３２０及びパワースイッチング増幅部３３０を通過するとき、所定時間が必要となる。従って、真空管信号Ｓ１ ４２０は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ ４１０と比べ、（ｔ３−ｔ１）時間ほどの遅延時間を有する。

図４Ｃを参照すれば、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ ４１０から真空管信号Ｓ１ ４２０を減算し、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１ ４３０を出力する。

ループフィルタ３１２は、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１ ４３０を積分して出力することにより、パワースイッチング増幅部３３０から実際に出力される増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの位相及び振幅を、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの目標位相及び目標振幅と同一になるように調節することができる。

図５は、図１の真空管増幅部で出力される信号の信号成分を示す図面である。図５において、Ｘ軸は、周波数を示し、Ｙ軸は、信号の振幅を示す。図５を参照すれば、真空管増幅部３４０が出力するオーディオ信号は、多数個の信号成分５５０，５５１，５５２，５５３を含む。信号成分５５０は、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴのメイン周波数である基本周波数１ｋを有するオーディオ信号成分を示す。そして、グラフ５５１及び５５３は、真空管増幅器３４０を通過しながら発生した真空管成分である二次高調波に対応するオーディオ信号成分を示す。そして、グラフ５５２は、三次高調波成分（third harmonics）を示す。ここで、三次高調波成分は、基本周波数１ｋの奇数倍になる周波数を有する信号成分である。

二次高調波成分は、前述のように、基本音である目標オーディオ信号を補強し、全体的な音に厚みを出し、かつ豊かにさせる。また、自然な音感を有し、音色の微妙な変化を表現することができ、広い空間の裏手まで広がっていく豊かな音をかもし出す。

これに比べ、三次高調波成分は、硬い音色を有し、単純なノイズとして認識される。従って、三次高調波成分は、基本音の単純な歪曲を引き起こす。

図５で図示した信号成分を含む真空管信号Ｓ１は、パルス信号生成部３１０に入力されてパルス変調される。従って、最終的に出力される増幅信号Ｓ＿ＯＵＴ、並びにローパス・フィルタ３５０及びスピーカ部３６０の出力信号には、真空管成分が含まれている。それにより、本発明の一あるいは他の実施形態によるオーディオ信号出力装置は、豊かな音色を有するオーディオ信号を出力することができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の一実施形態によるオーディオ信号出力装置から出力される信号を示す図面である。図６Ａは、真空管成分である二次高調波成分が含まれていない増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを示す。図６Ｂは、真空管成分である二次高調波成分が含まれた増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを示す。図６Ａ及び図６Ｂに図示されたｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４は、それぞれ図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃに図示されたｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４にそれぞれ同一に対応するので、図４と重複する説明は省略する。

図６Ａ及び図６Ｂを参照すれば、真空管成分である二次高調波成分が含まれていない増幅信号Ｓ＿ＯＵＴ ６１０に比べ、真空管成分である二次高調波成分が含まれている増幅信号Ｓ＿ＯＵＴ ６２０の場合には、真空管成分によって、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴ ６２０の論理ハイレベルが、Ｖ１からＶ２に上昇している。

図７は、本発明の一実施形態による信号処理方法７００を示すフローチャートである。図７で説明する信号処理方法７００は、図１ないし図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明した本発明の一あるいは他の実施形態によるオーディオ信号出力装置１００，２００，３００で遂行される。以下では、図３及び図７を参照し、本発明の一実施形態による信号処理方法７００について説明する。

図７を参照すれば、本発明の一実施形態による信号処理方法７００は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮを、パルス変調及びスイッチング増幅し、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに対応する増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを生成する（７１０段階）。７１０段階の動作は、図１の変調・増幅部１１０で遂行される。また、変調・増幅部１１０に対応する図３のパルス信号生成部３１０、ドライバ３２０及びパワースイッチング増幅部３３０で遂行されもする。

７１０段階で生成された増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを減衰して真空管の高調波成分を追加して生成した真空管信号を、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに反映させる（７２０段階）。具体的には、７２０段階は、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴに所定減算利得値を適用し、二次高調波成分を追加して真空管信号Ｓ１を生成する段階（図示せず）、及び入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮから真空管信号Ｓ１を減算する段階（図示せず）を含んでもよい。ここで、真空管信号Ｓ１を生成する段階は、真空管増幅部３４０で遂行される。そして、前記減算段階は、合算器３１１で遂行される。

本発明の一実施形態による信号処理方法７００は、図１ないし図６Ａ及び図６Ｂを参照して詳細に説明した本発明の一あるいは他の実施形態によるオーディオ信号出力装置１００，２００，３００の動作構成と同一の技術的思想を含む。従って、図１ないし図６Ａ及び図６Ｂと重複する説明は省略する。

図８は、本発明の他の実施形態による信号処理方法８００を示すフローチャートである。図８の８１０段階及び８３０段階は、それぞれ図７の７１０段階及び７２０段階と同一に対応するので、図７と重複する説明は省略する。本発明の他の実施形態による信号処理方法８００は、図３及び図８を参照して説明する。

図８を参照すれば、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに対応してパルス変調された変調信号Ｓ２を生成する（８１５段階）。具体的には、８１５段階は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮから真空管信号Ｓ１を減算した修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１を、シグマデルタ変調して変調信号Ｓ２を生成する段階を含んでもよい。８１５段階は、パルス信号生成部３１０で遂行される。

８１５段階で生成された変調信号Ｓ２に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号Ｓ３を生成する（８２０段階）。８２０段階は、ドライバ３２０で遂行される。

駆動信号Ｓ３により、スイッチング増幅動作を遂行し、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを出力する（８２５段階）。８２５段階は、駆動信号Ｓ３によってターンオンまたはターンオフされる少なくとも１つのスイッチング素子を利用して、スイッチング増幅動作を行う段階（図示せず）、及びスイッチング増幅動作によって、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを生成及び出力する段階を含む。ここで、スイッチング素子は、窒化ガリウムトランジスタ、ヒ化ガリウムトランジスタ及び炭化ケイ素トランジスタのうち少なくとも一つを含んでもよい。８２５段階は、パワースイッチング増幅部３３０で遂行される。

発明の他の実施形態による信号処理方法８００は、図１ないし図６Ａ及び図６Ｂを参照して詳細に説明した本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置２００，３００の動作構成と同一の技術的思想を含む。従って、図１ないし図６Ａ及び図６Ｂと重複する説明は省略する。

図９は、本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。図９を参照すれば、本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置９００は、真空管増幅部９１０、パルス信号生成部９３０、ドライバ９４０及びパワースイッチング増幅部９５０を含む。ここで、パルス信号生成部９３０、ドライバ９４０及びパワースイッチング増幅部９５０を含むブロック構成（９２０）は、図１の変調・増幅部１１０と同一に対応する。

真空管増幅部９１０は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに真空管の高調波成分を追加し、真空管信号Ｓ１を生成する。真空管増幅部９１０は、パルス信号生成部９３０の前端に配置されるという点、及び入力された信号に減算利得を適用しないという点を除き、図１ないし図３で説明した真空管増幅部１２０，２２０または３４０と同一であるので、詳細な説明は省略する。

パルス信号生成部９３０は、真空管信号Ｓ１に対応してパルス変調された変調信号Ｓ２を生成する。パルス信号生成部９３０は、図１ないし図３で説明したパルス信号生成部２１１または３１０と同一であるので、詳細な説明は省略する。

ドライバ９４０は、パルス信号生成部９３０で伝送された変調信号Ｓ２に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号Ｓ３を生成する。ドライバ９４０は、前述のドライバ２１２または３２０と同一であるので、詳細な説明は省略する。

パワースイッチング増幅部９５０は、駆動信号Ｓ３によってスイッチング増幅動作を遂行し、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを出力する。パワースイッチング増幅部９５０は、前述のパワースイッチング増幅部２１３または３３０と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図１０は、本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置を示す図面である。図１０に図示されたオーディオ信号出力装置１０００は、図９のオーディオ信号出力装置９００を詳細に示したのである。具体的には、オーディオ信号出力装置１０００が含む真空管増幅部１０１０、パルス信号生成部１０３０、ドライバ１０４０、パワースイッチング増幅部１０５０は、それぞれ真空管増幅部９１０、パルス信号生成部９３０、ドライバ９４０、パワースイッチング増幅部９５０と同一に対応するので、図９と重複する説明は省略する。

図１０を参照すれば、真空管増幅部１０１０は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに真空管の高調波成分を追加し、真空管信号Ｓ１を生成する。

パルス信号生成部１０３０、ドライバ１０４０及びパワースイッチング増幅部１０５０は、それぞれ図３を参照して説明したパルス信号生成部３１０、ドライバ３２０及びパワースイッチング増幅部３３０と同一に対応するので、詳細説明は省略する。

オーディオ信号出力装置１０００は、フィードバックループ１０８０をさらに含んでもよい。ここで、フィードバックループ１０８０は、減衰部１０８１及び合算器１０８２を含む。

減衰部１０８１は、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴに所定減算利得値を適用し、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを減衰させる。具体的には、減衰部１０８１は、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴの信号レベルが、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮと同一または類似したレベルになるように減衰させる。

合算器１０８２は、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮから減衰部１０８１の出力信号Ｓ４を減算して生成した修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１を、真空管増幅部１０１０に入力する。

オーディオ信号出力装置１０００は、フィードバックループ１０８０をさらに含む場合、真空管増幅部１０１０は、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１に真空管の高調波成分を追加し、真空管信号Ｓ１を生成する。

また、オーディオ信号出力装置１０００は、ローパス・フィルタ１０６０及びスピーカ部１０７０をさらに含んでもよい。ローパス・フィルタ１０６０及びスピーカ部１０７０は、それぞれローパス・フィルタ３５０及びスピーカ部３６０と同一に対応するので、詳細説明は省略する。

図１１は、本発明の他の実施形態による信号処理方法１１００を示すフローチャートである。図１１で説明する信号処理方法１１００は、図１０を参照して説明した本発明の他の実施形態によるオーディオ信号出力装置１０００で遂行される。以下では、図１０及び図１１を参照し、本発明の他の実施形態による信号処理方法１１００について説明する。

図１１を参照すれば、入力オーディオ信号Ｓ＿ＩＮに真空管の高調波成分を追加し、真空管信号Ｓ１を生成する（１１１０段階）。また、オーディオ信号出力装置１０００がフィードバックループ１０８０をさらに含む場合、修正オーディオ信号Ｓ＿ＩＮ１に真空管の高調波成分を追加し、真空管信号Ｓ１を生成することができる。１１１０段階は、真空管増幅部１０１０で遂行される。

真空管信号Ｓ１に対応してパルス変調された変調信号Ｓ２を生成する（１１２０段階）。１１２０段階は、パルス信号生成部１０３０で遂行される。

変調信号Ｓ２に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号Ｓ３を生成する（１１３０段階）。１１３０段階は、ドライバ１０４０で遂行される。

駆動信号Ｓ３によってスイッチング増幅動作を遂行し、増幅信号Ｓ＿ＯＵＴを出力する（１１４０段階）。１１４０段階は、パワースイッチング増幅部１０５０で遂行される。

本発明の他の実施形態による信号処理方法１１００は、図１０を参照して詳細に説明した本発明の一あるいは他の実施形態によるオーディオ信号出力装置１０００の動作構成と同一の技術的思想を含む。従って、図１０と重複する説明は省略する。

前述のように、本発明の一あるいは他の実施形態によるオーディオ信号出力装置及びオーディオ信号出力方法は、真空管の高調波高調波成分をオーディオ信号に混合してパルス変調動作を行う。それにより、真空管の豊かな音色を有するオーディオ信号を出力することができる。それにより、出力されるオーディオ信号の音質を改善することができる。

また、本発明によるオーディオ信号出力装置及びオーディオ信号出力方法は、高速で動作することができるスイッチング素子を含むパワースイッチング増幅部を利用して、高周波数に合わせてスイッチング増幅動作を行う。それにより、スイッチングノイズを最小化することができ、信号対ノイズ比を向上させることができる。

また、本発明は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に、コンピュータで読み取り可能なコードまたはプログラムとして具現することも可能である。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取り可能なデータが保存される全種類の記録装置を含む。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例としては、ＲＯＭ（read-only memory）、ＲＡＭ（random-access memory）、ＣＤ（compact disc）−ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、フラッシュメモリ、光データ保存装置などがある。また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散され、分散方式でコンピュータで読み取り可能なコードとして保存されて実行される。

以上の説明は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明が属する技術分野で当業者であるならば、本発明の本質的特性から外れない範囲で変形された形態に具現することができるであろう。従って、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された内容と同等な範囲内にある多様な実施形態が含まれるものであると解釈されなければならないであろう。

Claims (14)

1. 入力オーディオ信号をパルス変調及びスイッチング増幅し、前記入力オーディオ信号に対応する増幅信号を生成する変調・増幅部と、
   前記増幅信号を減衰して真空管の高調波成分を追加して生成した真空管信号を、前記変調・増幅部に入力する真空管増幅部と、を含み、
   前記真空管増幅部は、
   前記増幅信号に所定減算利得値を適用し、二次高調波成分を追加し、前記真空管信号を生成する真空管減衰部を含むことを特徴とするオーディオ信号出力装置。
2. 前記真空管減衰部は、
   前記所定減算利得値を有し、前記増幅信号を減算増幅して出力する真空管増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載のオーディオ信号出力装置。
3. 前記変調・増幅部は、
   前記入力オーディオ信号を入力され、前記入力オーディオ信号に対応してパルス変調された変調信号を生成するパルス信号生成部と、
   前記変調信号に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号を生成するドライバと、
   前記駆動信号により、スイッチング増幅動作を遂行して増幅信号を出力するパワースイッチング増幅部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のオーディオ信号出力装置。
4. 前記パルス信号生成部は、
   前記入力オーディオ信号から前記真空管信号を減算し、修正オーディオ信号を生成し、前記修正オーディオ信号をパルス変調し、前記変調信号を生成することを特徴とする請求項３に記載のオーディオ信号出力装置。
5. 前記パルス信号生成部は、
   前記入力オーディオ信号をシグマデルタ変調し、前記変調信号を出力するシグマデルタ変調部を含み、
   前記シグマデルタ変調部は、
   前記入力オーディオ信号から前記真空管信号を減算する合算器と、
   前記合算器の出力信号を入力され、前記合算器の出力信号を積分して出力するループフィルタと、
   前記ループフィルタから出力される信号を量子化し、前記変調信号を出力する量子化部と、を含むことを特徴とする請求項４に記載のオーディオ信号出力装置。
6. 前記シグマデルタ変調部は、
   高次１ビット単一ループシグマデルタ変調器を含むことを特徴とする請求項５に記載のオーディオ信号出力装置。
7. 前記パワースイッチング増幅部は、
   前記駆動信号に応答してターンオンまたはターンオフされ、前記スイッチング増幅動作を遂行する少なくとも１つのスイッチング素子を含む増幅器を含むことを特徴とする請求項３に記載のオーディオ信号出力装置。
8. 前記スイッチング素子は、
   窒化ガリウムトランジスタ、ヒ化ガリウムトランジスタ及び炭化ケイ素トランジスタのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載のオーディオ信号出力装置。
9. 前記パルス信号生成部は、
   第１周波数を有する第１キャリア信号または第１サンプリングクロックを利用して、１チャネルでの前記入力オーディオ信号をパルス変調し、前記変調信号を生成し、
   前記ドライバは、
   第２周波数を有する第２キャリア信号または第２サンプリングクロックを利用して、前記変調信号をパルス変調し、前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項８に記載のオーディオ信号出力装置。
10. 前記第２周波数の値は、前記第１周波数の値と同等であるか、あるいはそれよりも大きいことを特徴とする請求項９に記載のオーディオ信号出力装置。
11. 入力オーディオ信号に真空管の高調波成分を追加して真空管信号を生成する真空管増幅部と、
    前記真空管信号に対応してパルス変調された変調信号を生成するパルス信号生成部と、
    前記変調信号に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号を生成するドライバと、
    前記駆動信号により、スイッチング増幅動作を遂行して増幅信号を出力するパワースイッチング増幅部と、
    を含むことを特徴とするオーディオ信号出力装置。
12. フィードバックループをさらに含み、
    前記フィードバックループは、
    前記増幅信号に所定減算利得値を適用して減衰させる減衰部と、
    前記入力オーディオ信号から前記減衰部の出力信号を減算して生成した修正オーディオ信号を、前記真空管増幅部に入力する合算器と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載のオーディオ信号出力装置。
13. 入力オーディオ信号をパルス変調及びスイッチング増幅し、前記入力オーディオ信号に対応する増幅信号を生成する段階と、
    前記増幅信号を減衰して真空管の高調波成分を追加して生成した真空管信号を、前記入力オーディオ信号に反映させる段階と、を含むことを特徴とするオーディオ信号出力方法。
14. 入力オーディオ信号に真空管の高調波成分を追加して真空管信号を生成する段階と、
    前記真空管信号に対応してパルス変調された変調信号を生成する段階と、
    前記変調信号に対応し、スイッチング増幅動作を制御するための駆動信号を生成する段階と、
    前記駆動信号により、スイッチング増幅動作を遂行して増幅信号を出力する段階と、を含むことを特徴とするオーディオ信号出力方法。

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