JP6451063B2 - D級パワーアンプ - Google Patents

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Description

本発明は、スピーカーへの出力時とヘッドフォン等への出力時とにわたって構成部品の共用化を図ったジャック付きのD級パワーアンプに関する。
D級パワーアンプは、アナログのオーディオ信号などの入力信号を一旦PWM(パルス幅変調)やPDM(パルス密度変調)などのパルス変調信号に変換し、該パルス変調信号に基づきトランジスターをスイッチングすることによって電力増幅した後、その増幅信号を積分回路によりアナログに復調してスピーカーに供給する、というものである。
一方、スピーカーの駆動方式としては、スピーカーの両端子のうち、一方のみを駆動するシングルエンド型(ハーフブリッジ型)と、両端子を差動駆動するフルブリッジ型とがある。いずれの型もそれぞれ長所短所が存在するが、負荷であるスピーカーに流れる直流を相殺できる点や、大振幅で駆動しやすい点などが評価されて、フルブリッジ型が採用されることが多い。
D級パワーアンプでスピーカーを差動駆動する場合、1チャンネル分でいえば、入力信号をパルス変調信号に変換し、該パルス変調信号(正相信号)をD級増幅・積分して、スピーカー端子の一方に供給するとともに、該パルス変調信号の反転信号(逆相信号)をD級増幅・積分して、スピーカー端子の他方に供給する、という構成になる(例えば、特許文献1参照)。
ところで、深夜など状況下においても周囲に迷惑をかけないで音楽等を聴取できるように、アンプには、ヘッドフォンなどを接続可能とすることが必要とされる。ヘッドフォンは、一般に左(L)チャンネルの一方および右(R)チャンネルの一方が互いに共通接地されているので、両チャンネルともシングルエンド型で駆動される(特許文献2参照)。
このため、スピーカーをそれぞれ差動駆動するD級パワーアンプに、ヘッドフォンを接続するための構成としては、2チャンネル(ステレオ)でいえば次のようなものが考えられる。すなわち、図4に示されるように、アナログのオーディオ信号をヘッドフォン用にAB級で増幅する増幅回路を2チャンネル分設けた構成や、図5に示されるように、パルス幅変調した信号をヘッドフォン用にシングルエンド型でD級出力する増幅回路を2チャンネル分設けた構成などが考えられる。
特開2002−330035号公報(特に図4参照) 実開昭62−167432号公報
しかしながら、いずれの構成においても、スピーカーをD級パワーアンプで差動駆動するための増幅回路とは別にヘッドフォン専用の増幅回路が必要になる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的の1つは、スピーカーをD級で差動駆動する場合に、ヘッドフォンなどを接続したときでも専用の増幅回路を追加することなく、当該ヘッドフォン等をシングルエンド型で駆動することが可能な技術を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明に係るD級パワーアンプにあっては、入力信号をパルス変調したパルス変調信号のうち、正相のパルス変調信号を正相端子から出力し、該正相のパルス変調信号に対して逆相のパルス変調信号を逆相端子から出力する増幅回路と、一端が前記正相端子および前記逆相端子の一方に接続され、他端がスピーカーへの出力端子の一方に接続された第1インダクターと、一端が前記第1インダクターの他端に接続された第1コンデンサーと、少なくとも外部出力のためのジャックにプラグが非接続のときに、他端が前記第1コンデンサーの他端および前記スピーカーへの出力端子の他方に接続される第2インダクターと、一端が前記第1インダクターの他端に接続され、他端が、前記ジャックの端子のうち、非接地端子に接続された第2コンデンサーと、前記ジャックに前記プラグが非接続のとき、前記正相端子および前記逆相端子の他方を前記第2インダクターの一端に接続し、前記ジャックにプラグが接続されているとき、前記正相端子および前記逆相端子の他方を前記第2インダクターの一端から切り離すスイッチと、を具備することを特徴とする。この構成によれば、別途の増幅回路を設けることなく、ヘッドフォンなどをシングルエンド型で駆動することが可能になるので、部品の共用化が図られる。
本発明において、前記ヘッドフォンジャックに前記プラグが接続されたときに前記第1インダクターの他端から出力される信号振幅を、前記プラグが非接続のときから変更する制御回路を有する構成としても良い。この構成によれば、スピーカーからヘッドフォンなどに切り替わったとき、音量が大きく変化してしまうことを防止することができる。
実施形態に係るD級パワーアンプを含むシステムの構成を示す図である。 同パワーアンプにおけるスピーカー出力時の動作説明図である。 同パワーアンプにおけるヘッドフォン出力時の動作説明図である。 従来のパワーアンプの構成を示す図である。 従来のパワーアンプの別構成を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る一実施形態について説明する。
図1は、実施形態に係るD級パワーアンプ10を含むシステム1の構成例を示す図である。この図に示されるように、システム1は、2チャンネルのオーディオ信号を増幅して出力するD級パワーアンプ10と、左チャンネル用の信号を音響変換するスピーカー2Lと、右チャンネル用の信号を音響変換するスピーカー2Rとを含んだ構成になっている。
D級パワーアンプ10には、例えばInter-IC Sound(I2S)規格に則ったデジタルのオーディオ信号Sdataが、ビットクロックBclkに同期して、クロック信号LRclkによりチャンネルが区別されてシリアルで供給される。
D/A変換部(DAC)12は、第1に、このオーディオ信号Sdataをチャンネル毎に分離し、第2に、左チャンネルのオーディオ信号をアナログに変換して供給線L1に出力し、右チャンネルのオーディオ信号をアナログに変換して供給線R1に出力する。
なお、D級パワーアンプ10において、デジタルではなくアナログのオーディオ信号を入力する場合、当該アナログ信号のうち、左チャンネルについては供給線L1に、右チャンネルについては供給線R1に、それぞれ直接供給すれば良い。
D級パワーアンプ10におけるD/A変換部12以降の処理系については、左チャンネルと右チャンネルとに分けられる。ここでは先に左チャンネルについて説明する。まず、スイッチ21Lは、一端が供給線L1に接続され、他端が接地されて、後述する制御回路42の指示にしたがってオンまたはオフする。
D級パワーアンプ10には、図示省略したボリュームが設けられ、その回転角度に応じた係数αが供給される。乗算器43は、係数αに、制御回路42から供給される係数βを乗じた係数γを出力する。演算回路22Lは、供給線L1に出力されたオーディオ信号の電圧振幅に係数γを乗じて、オーディオ信号Linとして出力する。このオーディオ信号Linが増幅すべき入力信号である。
増幅回路23Lは、オーディオ信号Linをパルス変調信号に変換した後、そのパルス変調信号の正相信号を、直流電源を用いてD級増幅して正相端子pLから出力する一方、該パルス変調信号の正相信号に対して論理を反転した関係にある逆相信号を、D級増幅して逆相端子mLから出力する。
なお、接地電位は、増幅回路23L、23Rの直流電源の低位側および高位側のほぼ中間である。
インダクター24Lにあっては、その一端が正相端子pLに接続され、その他端がD級パワーアンプ10における出力端子のうち、左チャンネル用の正極端子PLに接続されている。また、コンデンサー25Lの一端は、インダクター24Lの他端に接続される。インダクター26Lにあっては、その一端がスイッチ28Lを介して逆相端子mLに接続され、その他端がコンデンサー25Lの他端、および、D級パワーアンプ10における出力端子のうち、左チャンネル用の負極端子MLに接続される。
スイッチ28Lがオンのとき、インダクター24L、コンデンサー25Lおよびインダクター26Lは、ローパスフィルターを構成する。ローパスフィルターを構成するインダクター24L、コンデンサー25Lおよびインダクター26Lは、正相端子pLから出力されるパルス変調信号をアナログ信号に復調し、逆相端子mLから出力されるパルス変調信号をアナログ信号に復調する。
スイッチ28Lは、制御回路42の指示にしたがってオンまたはオフする。
スピーカー2Lは、2つの端子のうち、一方の端子が正極端子PLに接続され、他方の端子が負極端子MLに接続される。
直流カット用のコンデンサー29Lは、その一端が、抵抗27Lを介してインダクター24Lの他端とコンデンサー25Lとの接続点に接続されている。抵抗27Lは、スイッチ28Lのオンオフの切り替え時において、インダクター24Lに蓄えられたエネルギーを分散させる。抵抗27Lによる信号の減衰については、D級パワーアンプ10における各係数の調整によって補正されればよい。コンデンサー29Lの他端は、ヘッドフォンジャック30において非接地側である左チャンネル用の出力端子31に接続されている。
次に、右チャンネルについて説明すると、大略、左チャンネルと同様であり、スイッチ21Rは、一端が供給線R1に接続され、他端が接地されて、スイッチ21Lと同様に制御回路42の指示にしたがってオンオフする。演算回路22Rは、供給線R1に出力されたオーディオ信号の電圧振幅に係数γを乗じて、オーディオ信号Rinとして出力する。このオーディオ信号Rinが増幅すべき入力信号である
増幅回路23Rは、オーディオ信号Rinをパルス変調信号に変換した後、そのパルス変信号の正相信号を、直流電源を用いてD級増幅して正相端子pRから出力する一方、該パルス変調信号の逆相信号をD級増幅して逆相端子mRから出力する。
インダクター24Rにあっては、その一端が正相端子pRに接続され、その他端がD級パワーアンプ10における出力端子のうち、右チャンネル用の正極端子PRに接続されている。また、コンデンサー25Rの一端は、インダクター24Rの他端に接続される。インダクター26Rにあっては、その一端がスイッチ28Rを介して逆相端子mRに接続され、その他端がコンデンサー25Rの他端、および、D級パワーアンプ10における出力端子のうち、右チャンネル用の負極端子MRに接続される。
スイッチ28Rがオンのとき、インダクター24R、コンデンサー25Rおよびインダクター26Rは、ローパスフィルターを構成する。ローパスフィルターを構成するインダクター24R、コンデンサー25Rおよびインダクター26Rは、正相端子pRから出力されるパルス変調信号をアナログ信号に復調し、逆相端子mRから出力されるパルス変調信号をアナログ信号に復調する。
スイッチ28Rは、スイッチ28Lと同様に制御回路42の指示にしたがってオンオフする。
スピーカー2Rは、2つの端子のうち、一方の端子が正極端子PRに接続され、他方の端子が負極端子MRに接続される。
直流カット用のコンデンサー29Rは、その一端が、抵抗27Rを介してインダクター24Rの他端とコンデンサー25Rの一端との接続点に接続されている。抵抗27Rは、スイッチ28Rのオンオフの切り替え時において、インダクター24Rに蓄えられたエネルギーを分散させるために設けられている。抵抗27Rによる信号の減衰については、D級パワーアンプ10における各係数の調整によって補正されればよい。コンデンサー29Rの他端は、ヘッドフォンジャック30において非接地側である右チャンネル用の出力端子32に接続されている。
ヘッドフォンジャック30における端子33は、ヘッドフォンへの出力において左チャンネルの一方および右チャンネルの一方でそれぞれ共用されるために接地されている。
センサー41は、ヘッドフォンジャック30におけるヘッドフォンプラグの接続状態等を検出し、その状態等に応じた検出信号を制御回路42に供給する。詳細には、センサー41は、ヘッドフォンジャック30においてヘッドフォンのプラグが外されている状態にあるか、または、差し込まれた状態にあるかを検出するほか、さらに、プラグが外されている状態にあれば、当該状態からプラグが差し込まれる過程にあるか、反対に、プラグが差し込まれた状態にあれば、当該状態からプラグが外される過程にあるか、を検出する。
プラグが外された状態にあれば、制御回路42は、スイッチ28L、28Rをオンに制御するとともに、係数βとして「1」を出力する。一方、プラグが差し込まれた状態にあれば、制御回路42は、スイッチ28L、28Rをオフに制御するとともに、係数βとして0<β<1を満たすプリセット値に変更する。さらに、制御回路42は、プラグが差し込まれる過程にある場合、または、外される過程にある場合に、スイッチ21L、21Rをオンに制御し、それ以外の場合に、スイッチ21L、21Rをオフに制御する。
なお、センサー41による検出の態様としては、プラグが差し込まれたときに電位が変化する接点をヘッドフォンジャック30に設けて、当該接点の電位変化を検出しても良いし、光センサーなどを設けてプラグの接続状態やプラグ先端の移動方向を検出したりしても良い。また、増幅回路23L、23Rからの信号をスピーカーに出力するか、ヘッドフォンに出力するかについて、上記I2S規格などの外部制御信号によって規定しても良い。外部制御信号によってスピーカーからヘッドフォンに出力を切り替えるとき、その切り替えの指示から一定時間経過するまでを、プラグが差し込まれる過程にあるとみなしても良い。同様に、外部制御信号によってヘッドフォンからスピーカーに出力を切り替えるとき、その切り替えの指示から一定時間経過するまでを、プラグが外される過程にあるとみなしても良い。
次に、実施形態に係るD級パワーアンプ10の動作について説明する。
ヘッドフォンのプラグが外されている状態にあると検出された場合、すなわちオーディオ信号をスピーカー2L、2Rから出力する場合、制御回路42は、係数βとして「1」を出力するので、ボリュームの回転角度に応じた係数αが、係数γとして演算回路22L、22Rに供給される。また、この場合に、制御回路42は、スイッチ21L、21Rをオフに制御するので、D/A変換部12の出力信号になんら影響を与えない。したがって、オーディオ信号Lin、Rinの電圧振幅は、それぞれオーディオ信号Sdataからアナログに変換した信号の電圧振幅を、ボリュームの回転角度すなわち指定音量に応じて調整したものとなる。
くわえて、プラグが外されている状態では、制御回路42は、スイッチ28L、28Rをオンに制御するので、結局、図1に示したD級パワーアンプ10のうち、増幅回路23L、23R以降の回路は、図2に示されるとおりとなる。このため、実施形態に係るD級パワーアンプ10において、スピーカー2Lについては、正相端子pLから出力される正相信号の積分信号および逆相端子mLから出力される逆相信号の積分信号によって差動駆動される。同様に、スピーカー2Rについては、正相端子pRから出力される正相信号の積分信号および逆相端子mRから出力される逆相信号の積分信号によって差動駆動される。これにより、スピーカー2L、2Rからはオーディオ信号Sdataにしたがった音がボリュームの回転角度に応じた音量で発生することになる。
一方、ヘッドフォンのプラグが差し込まれた状態にあると検出された場合、制御回路42は、係数βとして0<β<1を満たすプリセット値、例えば「0.7」を出力する。したがって、オーディオ信号Lin、Rinの電圧振幅は、それぞれオーディオ信号Sdataからアナログに変換した信号の電圧振幅を、スピーカー出力時のボリュームで指定した音量よりも小さな値に変更したものとなる。
プラグが差し込まれた状態では、制御回路42は、スイッチ28L、28Rをオフに制御する。これにより、逆相端子mLからスピーカー2Lに向かう信号経路が遮断され、逆相端子mRからスピーカー2Rに向かう経路が遮断される。
左チャンネルでは、スイッチ28Lがオフして、正相端子pLからスピーカー2Lに向かう信号経路は遮断されるので、スピーカー2Lの両端には電圧が印加されない。
右チャンネルについても同様であり、スイッチ28Rがオフして、正相端子pRからスピーカー2Rに向かう信号経路は遮断されるので、スピーカー2Rの両端には電圧が印加されない。
したがって、プラグが差し込まれた状態にあれば、図1に示したD級パワーアンプ10のうち、増幅回路23L、23R以降の回路は、実際には図3に示されるとおり、スピーカー2L、2RがD級パワーアンプ10からそれぞれ電気的に切り離された状態となる。このため、スピーカー2L、2Rからは、音が発生しない。
また、正相端子pLから出力される信号は、抵抗27Lを介してコンデンサー29Lに供給され、コンデンサー29Lによって直流成分がカットされてから、ヘッドフォン100のうち、左耳用のドライバユニット101Lに供給される。これにより、ドライバユニット101Lは、増幅回路23Lによってシングルエンド型で駆動される結果、オーディオ信号Linにしたがった音を発生することになる。
同様に、正相端子pRから出力される信号は、抵抗27Rを介してコンデンサー29Rに供給され、コンデンサー29Rによって直流成分がカットされて、右耳用のドライバユニット101Rに供給される。これにより、ドライバユニット101Rは、増幅回路23Rによってシングルエンド型で駆動される結果、オーディオ信号Rinにしたがった音を発生することになる。
一般に、スピーカーとヘッドフォンとで負荷を比べると、ヘッドフォンの負荷の方が小さい。くわえて、実施形態では、スピーカーを差動駆動するのに対し、ヘッドフォンをシングルエンド型という、いわば片極のみで駆動する。このため、ボリュームを固定にしてスピーカーとヘッドフォンとで交互に切り替えたときに、なんら工夫を施さないと、聴取したときに感じる音量に大きな差が出てしまいがちである。あるいは、スピーカーとヘッドフォンとで切り替えたときに、同じ音量で聴取しようとするためにはボリュームを回転させる必要があるので、聴取者に煩雑感を与えがちである。これに対して実施形態に係るD級パワーアンプ10では、ヘッドフォンのプラグが差し込まれたときに制御回路42が係数βを小さく変更しているので、結果的に係数γは、プラグが外されているときよりも小さくなる。このため、スピーカーからヘッドフォンに切り替えたとき、感じる音量の差を小さくすることが可能である。
なお、プラグが差し込まれた状態で出力される係数βの値としては、使用するヘッドフォンの特性を考慮して選定すれば良い。また、ヘッドフォンの負荷が大きい等の特殊な事情があれば、係数βを「1」よりも大きくすれば良い。
また、ヘッドフォンのプラグが差し込まれる過程にあるとき、または、プラグが外される過程にあるとき、制御回路42は、スイッチ21L、21Rをオンに制御する。この制御の結果、D/A変換部12の供給線L1、R1がいずれも強制的に接地されるので、オーディオ信号Lin、Rinの電圧振幅は、オーディオ信号Sdataやボリュームの回転角度にかかわらずゼロになる。したがって、本実施形態によれば、プラグの脱着に伴ってスピーカー2L、2Rやヘッドフォンから不快な音が発生することがない。
以上説明したように本実施形態に係るD級パワーアンプ10によれば、スピーカー2Lを駆動するための増幅回路23Lと、スピーカー2Rを駆動するための増幅回路23Rとを用いて、ヘッドフォンの左右チャンネルをそれぞれシングルエンド型で駆動するので、ヘッドフォン用に別途の増幅回路を設ける必要がない。したがって、本実施形態によれば、図4および図5に示したアンプと比較して、増幅回路の共用化によって回路スペースの縮小化や簡素化を図ることが可能になる。
D級パワーアンプ10については、ステレオの2チャンネルのみならず、イヤフォンのような1チャンネルのみのモノラルアンプにも適用可能である。
なお、このほかにも本発明については次のように様々な応用・変形が可能である。
実施形態に係るD級パワーアンプ10では、音量調整を、オーディオ信号Lin、Rinの電圧振幅を演算回路22L、22Rによって変化させることで達成していたが、増幅回路23L、23Rにおいてパルス変調信号への変換に用いる基準波(三角波または鋸波)の振幅を変化させたり、増幅回路23L、23Rにおけるパルス変調信号の振幅を変化させたり、あるいは、これらを適宜組み合わせる構成によって達成しても良い。このような構成において、制御回路42は、プラグの接続状態に応じて、増幅回路23L、23Rに対し基準波の振幅を変化させたり、増幅回路23L、23Rに対する電源電圧を変化させたりすることによって、パルス変調信号の振幅を変化させたりすることになる。
また、実施形態では、スイッチ28L、28Rを逆相信号(負極側)に設けたが、正相信号(正極側)に設けても良い。スイッチ28L、28Rを正相信号(正極側)に設けると、そのままではヘッドフォンが逆相で駆動されるので、これを正相に戻す回路を付加すれば良い。
また、システム1は、ヘッドフォンジャック30に接続されたヘッドフォンのインピーダンスに応じて、出力音量を調整するための構成を備えても良い。具体的には、ヘッドフォンジャック30に接続されたヘッドフォンのインピーダンスを検出するインピーダンス検出回路を設け、このインピーダンス検出回路により検出されたインピーダンスを、制御回路42に入力する。そして、制御回路42は、インピーダンス検出回路により検出されたインピーダンスに基づいて、係数βを調整(最適化)することにより、ヘッドフォンから出力音量を一定にする制御を行う。これにより、ヘッドフォンジャック30に接続されたヘッドフォンを原因とする出力音量のばらつきが抑えられる。
1…システム、2L(2R)…スピーカー、10…D級パワーアンプ、23L(23R)…増幅回路、24L(24R)…インダクター(第1インダクター)、25L(25R)…コンデンサー(第1コンデンサー)、26L(26R)…インダクター(第2インダクター)、27L(27R)…抵抗、28L(28R)…スイッチ、29L(29R)…コンデンサー(第2コンデンサー)、30…ヘッドフォンジャック、41…センサー、42…制御回路

Claims (1)

  1. 入力信号をパルス変調したパルス変調信号のうち、正相のパルス変調信号を正相端子から出力し、該正相のパルス変調信号に対して逆相のパルス変調信号を逆相端子から出力する増幅回路と、
    一端が前記正相端子および前記逆相端子の一方に接続され、他端がスピーカーへの出力端子の一方に接続された第1インダクターと、
    一端が前記第1インダクターの他端に接続された第1コンデンサーと、
    少なくとも外部出力のためのジャックにヘッドフォンのプラグが非接続のときに一端が前記正相端子および前記逆相端子の他方に接続され、他端が前記第1コンデンサーの他端および前記スピーカーへの出力端子の他方に接続される第2インダクターと、
    一端が前記第1インダクターの他端に接続され、他端が、前記ジャックの端子のうち、非接地端子に接続された第2コンデンサーと、
    前記ジャックに前記プラグが非接続のとき、前記正相端子および前記逆相端子の他方を前記第2インダクターの一端に接続し、前記ジャックに前記プラグが接続されていると、前記正相端子および前記逆相端子の他方を前記第2インダクターの一端から切り離すスイッチと、
    前記ヘッドフォンのインピーダンスを検出するインピーダンス検出回路と、
    前記ジャックに前記プラグが接続されたときに前記第1インダクターの他端から出力される信号の振幅を、前記インピーダンスに応じて調整する制御回路と
    を具備することを特徴とするD級パワーアンプ。
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