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

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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