JP6891960B2

JP6891960B2 - 増幅装置およびその制御方法

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Publication number: JP6891960B2
Application number: JP2019528198A
Authority: JP
Inventors: 武史外川
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2021-06-18
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Also published as: WO2019008630A1; US10978998B2; US20200127606A1; JPWO2019008630A1

Description

本発明は、音響信号を増幅する技術に関する。

音響信号を増幅するための種々の構成が従来から提案されている。例えば特許文献１には、入力信号の電圧を制限する電圧制限回路と、電圧制限回路からの出力信号を増幅する増幅回路とを具備する構成が開示されている。増幅回路から負荷に供給される出力電流に応じて、電圧制限回路による電圧の制限範囲が制御される。以上の構成では、出力電流と制限電圧との対応を適切に調整することにより、負荷インピーダンスが変化した場合でも最大出力電力の変化を低減することが可能である。

特開２００４−２１４７９３号公報

しかし、特許文献１の電圧制限回路が入力信号の電圧を制限している状態においても、入力信号の信号レベル（具体的には電圧振幅）が増加すると、出力信号の波形が変形することによって最大出力電力は変化し得る。例えば、正弦波を入力信号として電圧制限回路が電圧を制限する状態では、入力信号の信号レベルが増加するほど、１周期内で電圧がクリップされている期間が長くなるため、出力信号の波形は方形波に類似した波形となる。振幅が同じでも方形波のほうが正弦波よりも実効電力は大きいから、実際には最大出力電力は増加する。以上の事情を考慮して、本発明の好適な態様は、負荷インピーダンスに応じた最大出力電圧の変化を低減することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る増幅装置は、入力信号を増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を制限範囲内に制限する電圧制限回路と、前記電圧制限回路からの出力信号を増幅する第２増幅器と、前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて前記制限範囲を制御する第１制御部と、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限する状態において前記第１増幅器の増幅率を低下させる第２制御部とを具備する。
本発明の好適な態様に係る増幅装置の制御方法は、入力信号を増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を制限範囲内に制限する電圧制限回路と、前記電圧制限回路からの出力信号を増幅する第２増幅器とを具備する増幅装置の制御方法であって、前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて前記制限範囲を制御し、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限する状態において前記第１増幅器の増幅率を低下させる。

本発明の実施形態に係る音響システムの構成を示すブロック図である。増幅装置の構成を示すブロック図である。電圧制限回路の動作を説明するための波形図である。制限動作状態において音響信号Ｙ２の波形が変化する様子を説明するための波形図である。第２制御部の動作の説明図である。負荷インピーダンスが高い場合における音響信号Ｙ２の波形図である。負荷インピーダンスが低い場合における音響信号Ｙ２の波形図である。

図１は、本発明の好適な形態に係る音響システム１００の構成を例示するブロック図である。本実施形態の音響システム１００は、楽音または音声等の各種の音響を再生するオーディオシステムである。図１に例示される通り、音響システム１００は、信号供給装置１２と増幅装置１４と放音装置１６とを具備する。なお、音響システム１００の任意の２以上の要素を一体に構成してもよい。

信号供給装置１２は、音声または楽音等の各種の音響を表す音響信号Ｘ（入力信号の例示）を増幅装置１４に供給する信号源である。例えば、可搬型または内蔵型の記録媒体から音響信号Ｘを読出す再生装置が信号供給装置１２の好適例である。周囲の音響を収音して音響信号Ｘを生成する収音装置、または、他装置から通信網を介して音響信号Ｘを受信する通信装置を、信号供給装置１２として利用してもよい。

増幅装置１４は、信号供給装置１２から供給される音響信号Ｘを増幅することで音響信号Ｚを生成する音響処理装置である。なお、音響信号Ｘに対してイコライザ処理等の各種の信号処理を実行する信号処理回路を増幅装置１４に搭載してもよい。放音装置１６は、例えばスピーカまたはヘッドホンであり、増幅装置１４が生成した音響信号Ｚを再生する。放音装置１６のインピーダンスを以下では「負荷インピーダンス」と表記する。

図２は、増幅装置１４の構成を例示するブロック図である。図２に例示される通り、本実施形態の増幅装置１４は、第１増幅器２１と電圧制限回路２２と第２増幅器２３と第１制御部２４と第２制御部２５とを具備する。

第１増幅器２１は、信号供給装置１２から供給される音響信号Ｘの電圧を増幅することで音響信号Ｙ１を生成する。第１増幅器２１は、増幅率（電圧利得）Ｇを変更可能な電圧制御増幅回路（ＶＣＡ：Voltage Controlled Amplifier）である。具体的には、第２制御部２５から供給される制御信号Ｃ２に応じて第１増幅器２１の増幅率Ｇが変更される。

電圧制限回路２２は、第１増幅器２１による増幅後の音響信号Ｙ１の振幅を制限するリミッタである。図３は、音響信号Ｘを正弦波と仮定した場合における電圧制限回路２２の動作の説明図である。図３には、電圧制限回路２２による処理前の音響信号Ｙ１（破線）と処理後の音響信号Ｙ２（実線）とが併記されている。図３に例示される通り、電圧制限回路２２は、音響信号Ｙ１の電圧を正側の制限値Ｌｐと負側の制限値Ｌｍとの間の範囲（以下「制限範囲」という）Ｒ内に制限することで音響信号Ｙ２を生成する。具体的には、音響信号Ｙ１の電圧が制限値Ｌｐを上回る場合、音響信号Ｙ２の電圧は制限値Ｌｐに制限される。また、音響信号Ｙ１の電圧が制限値Ｌｍを下回る場合、音響信号Ｙ２の電圧は制限値Ｌｍに制限される。すなわち、音響信号Ｙ１の電圧が制限範囲Ｒの外側まで到達すると、電圧制限回路２２が電圧を制限範囲Ｒ内に制限する状態（以下「制限動作状態」という）となる。他方、音響信号Ｙ１の電圧が制限範囲Ｒの内側にある場合、音響信号Ｙ１が音響信号Ｙ２として第２増幅器２３に出力される。すなわち、音響信号Ｙ１は電圧が制限されることなく音響信号Ｙ２として第２増幅器２３に出力される。

図２の第２増幅器２３は、電圧制限回路２２が出力する音響信号Ｙ２を増幅する。具体的には、Ｄ級増幅器が第２増幅器２３として好適に利用される。Ｄ級増幅器は、音響信号Ｙ２に対するパルス変調により２値の変調信号を生成する変調回路と、変調信号をスイッチ動作により増幅するスイッチ回路と、増幅後の信号の低域成分を抽出することで音響信号Ｚを生成する低域通過フィルタとを具備する。なお、第２増幅器２３の構成は任意である。例えば、Ａ級増幅器、Ｂ増幅器またはＡＢ級増幅器を、第２増幅器２３として利用してもよい。第２増幅器２３による増幅後の音響信号Ｚが、放音装置１６（すなわち負荷）に供給される。

図２の第１制御部２４は、第２増幅器２３から放音装置１６に供給される電流（以下「出力電流」という）に応じて電圧制限回路２２の制限範囲Ｒを制御する。具体的には、第２増幅器２３からの出力電流が大きい（すなわち負荷インピーダンスが小さい）ほど制限範囲Ｒが狭くなるように、第１制御部２４は電圧制限回路２２を制御する。すなわち、制限範囲Ｒは出力電流に反比例する。

本実施形態の第１制御部２４は、第２増幅器２３から放音装置１６に供給される出力電流に応じて制限値Ｌｐおよび制限値Ｌｍを設定する。図２に例示される通り、第１制御部２４は、電流検出部２４１と電圧調整部２４２と信号生成部２４３と範囲設定部２４４とを具備する。

電流検出部２４１は、出力電流に応じた電圧（以下「検出電圧」という）Ｄ１を出力する。例えば、電流検出部２４１は、出力電流の経路上に介挿された抵抗素子（図示略）の両端間の電圧を検出する。電圧調整部２４２は、検出電圧Ｄ１を調整することで検出電圧Ｄ２を生成する。具体的には、検出電圧Ｄ１を増幅する増幅回路が、電圧調整部２４２として好適に利用される。電圧調整部２４２による増幅率は可変値である。例えば、利用者からの指示に応じて電圧調整部２４２の増幅率が設定される。

信号生成部２４３は、電圧調整部２４２による調整後の検出電圧Ｄ２から制御信号Ｃ１を生成する。具体的には、信号生成部２４３は、検出電圧Ｄ２を整流（具体的には全波整流）および平滑した直流電圧を制御信号Ｃ１として生成する。以上の説明から理解される通り、制御信号Ｃ１は、出力電流に対応した電圧に設定された電圧信号である。

範囲設定部２４４は、信号生成部２４３が生成した制御信号Ｃ１に応じて制限範囲Ｒ（制限値Ｌｐおよび制限値Ｌｍ）を設定する。具体的には、範囲設定部２４４は、制御信号Ｃ１の電圧が高い（すなわち出力電流が大きい）ほど、制限値Ｌｐを低い電圧に設定する。すなわち、制限範囲Ｒは縮小する。また、範囲設定部２４４は、制御信号Ｃ１の電圧が高い（すなわち出力電流が大きい）ほど、制限値Ｌｍを高い電圧に設定する。すなわち、制限範囲Ｒは縮小する。以上の説明から理解される通り、本実施形態では、第２増幅器２３からの出力電流の電流量が大きい（すなわち負荷インピーダンスが小さい）ほど、電圧制限回路２２の制限範囲Ｒは狭い範囲に制御される。制限範囲Ｒ（電圧振幅）が出力電流に比例する関係にあれば、出力電流が変化しても出力電力は変化しにくく、例えば放音装置１６の交換により負荷インピーダンスが変化した場合でも、増幅装置１４の最大出力電力の変化は低減される。

しかし、電圧制限回路２２による電圧制限（クリップ）が実際に作動している制限動作状態では、以下に例示する通り、音響信号Ｘの信号レベル（例えば電圧振幅）が増加した場合に音響信号Ｙ２の波形が変形する。図４は、音響信号Ｘを正弦波と仮定した場合の音響信号Ｙ２の波形図である。図４の波形Ｗ１は、電圧制限回路２２により電圧が制限範囲Ｒに制限された音響信号Ｙ２の波形である。波形Ｗ１の状態から音響信号Ｘの信号レベルを強制的に増加させた場合、図４に波形Ｗ２として例示される通り、電圧が制限（クリップ）されている時間の比率が長くなる。すなわち、音響信号Ｙ２において波形が水平に維持される時間がより長くなるため、音響信号Ｙ２は正弦波から方形波に類似した波形となる。したがって、第２増幅器２３からの出力電流に応じて制限範囲Ｒを制御する前述の構成にも拘わらず、最大出力電力は実際には変化する。例えば、音響信号Ｙ２が正弦波から方形波に類似した波形に変化すると、最大出力電力は、約１．５倍程度（理論的には２倍）に増加する。

以上の事情を考慮して、本実施形態の第２制御部２５は、電圧制限回路２２が制限動作状態にある場合（すなわち電圧制限回路２２による電圧制限が実際に作動している場合）に、第１増幅器２１の増幅率Ｇを低下させる。具体的には、第２制御部２５は、図２に例示される通り、整流回路２５１と制限検出部２５２と信号生成部２５３とを具備する。なお、以下の説明では、制限値Ｌｍの絶対値が制限値Ｌｐに等しい場合を想定する。

図５は、第２制御部２５の動作の説明図である。整流回路２５１は、例えば複数のダイオードで構成され、第１増幅器２１による増幅後の音響信号Ｙ１を全波整流することで音響信号Ｙａを生成する。制限検出部２５２は、電圧制限回路２２が制限動作状態にあることを検出する。具体的には、制限検出部２５２は、整流回路２５１による整流後の音響信号Ｙａと範囲設定部２４４が設定した制限値Ｌｐとを比較する比較回路である。音響信号Ｙａと制限値Ｌｐとの比較結果に応じた制御信号Ｃａが制限検出部２５２から信号生成部２５３に供給される。制御信号Ｃａは、図５に例示される通り、音響信号Ｙａの電圧が制限値Ｌｐを上回る場合（音響信号Ｙ１の電圧が制限値Ｌｐを上回る場合または制限値Ｌｍを下回る場合）にハイレベルに設定され、音響信号Ｙａが制限値Ｌｐを下回る場合にローレベルに設定される２値信号である。音響信号Ｙａが制限値Ｌｐを上回る場合には、電圧制限回路２２が制限動作状態にある。したがって、制御信号Ｃａのハイレベルは、電圧制限回路２２が制限動作状態にあることを意味する。すなわち、制限検出部２５２は、前述の通り、電圧制限回路２２が制限動作状態にあることを検出する。

図２の信号生成部２５３は、制限検出部２５２が生成した制御信号Ｃａに応じて第１増幅器２１の増幅率Ｇを制御する。具体的には、信号生成部２５３は、制御信号Ｃａが制限動作状態を示す場合（すなわち電圧制限回路２２による電圧制限が実際に作動している場合）に、第１増幅器２１の増幅率Ｇを低下させる。

図２に例示される通り、本実施形態の信号生成部２５３は、抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２とキャパシタＣとで構成された平滑回路（ローパスフィルタ）である。すなわち、信号生成部２５３は、制限検出部２５２から供給される制御信号Ｃａを平滑した制御信号Ｃ２を出力する。制御信号Ｃａは２値信号であるのに対して、制御信号Ｃ２は電圧値が連続的に変化する電圧信号である。具体的には、図５に例示される通り、電圧制限回路２２が制限動作状態にある時間の比率が高いほど、制御信号Ｃ２は高いレベルに設定される。信号生成部２５３が生成する制御信号Ｃ２のレベルが高いほど、第１増幅器２１の増幅率Ｇは小さい数値に設定される。

以上の構成において、音響信号Ｙ１の電圧が制限範囲Ｒの内側にある場合（すなわち電圧制限回路２２が制限動作状態にない場合）、制御信号Ｃａはローレベルに維持されるから、制御信号Ｃ２のレベルは最小値に維持される。したがって、第１増幅器２１の増幅率Ｇは最大値１に設定される。他方、音響信号Ｙａの電圧が制限値Ｌｐを上回る場合（すなわち電圧制限回路２２が制限動作状態にある場合）、制御信号Ｃａはハイレベルに維持されるから、制御信号Ｃ２のレベルは経時的に上昇する。したがって、第１増幅器２１の増幅率Ｇは低下する。以上の説明から理解される通り、本実施形態の第２制御部２５は、電圧制限回路２２が電圧を制限する時間の比率に応じて第１増幅器２１の増幅率Ｇを制御する。具体的には、第２制御部２５は、電圧制限回路２２が電圧を制限する時間の比率が高いほど、第１増幅器２１の増幅率Ｇを小さい数値に設定する。なお、電圧制限回路２２が制限動作状態にある場合に第１増幅器２１の増幅率Ｇを低下させる処理を、記憶回路に記憶されたプログラムをコンピュータが実行することで実現してもよい。

図６および図７は、音響信号Ｘとして正弦波を第１増幅器２１に供給した場合に電圧制限回路２２が出力する音響信号Ｙ２の波形図である。第１増幅器２１の増幅率Ｇを固定した構成（以下「対比例」という）と、制限動作状態において増幅率Ｇを低下させる本実施形態との各々について、音響信号Ｙ２の波形が図示されている。対比例は、例えば特許文献１の構成に相当する。また、図６では、負荷インピーダンスが８Ωである場合が想定され、図７では、負荷インピーダンスが２Ωである場合が想定されている。前述の通り、出力電流が大きいほど制限範囲Ｒが狭くなるから、負荷インピーダンスが小さいほど出力電流が大きくなり、電圧制限回路２２の制限範囲Ｒは狭い範囲に制御されることが、図６および図７から確認できる。

図６と図７との間で破線の波形を比較すると、同一の音響信号Ｙ１であっても図７の制限範囲Ｒが狭くなっている状態のほうが、電圧が制限されている時間が長い。つまり、波形が水平になっている時間が長い。つまり、対比例では、制限動作状態のもとで音響信号Ｘの信号レベルを増加させた場合に、負荷インピーダンスが小さいときのほうが、音響信号Ｙ２が方形波に類似した波形になることが確認できる。このような波形の相違によって、負荷インピーダンスが大きい場合（８Ω）と小さい場合（２Ω）とで最大出力電力が相違することになる。他方、本実施形態では、図６および図７に実線で図示される通り、制限動作状態において第１増幅器２１の増幅率Ｇを低下させることで、音響信号Ｙ２において正弦波の波形が維持されるように制御される。したがって、負荷インピーダンスが大きい場合（８Ω）と小さい場合（２Ω）とにおける最大出力電力の相違が、対比例と比較して低減される。すなわち、最大出力電力が過大となる可能性が低減され、結果的に増幅装置１４の過度の発熱等の負荷を軽減できるという利点がある。

本実施形態では特に、電圧制限回路２２が電圧制限状態にある時間の比率に応じて第１増幅器２１の増幅率Ｇが制御される。具体的には、電圧制限状態の時間比率が高いほど増幅率Ｇは低下する。これにより、最大出力電力の変化を低減できるという前述の効果は顕著である。また、第２増幅器２３からの出力電流に応じた検出電圧Ｄ１が電圧調整部２４２により調整され、調整後の検出電圧Ｄ２を整流および平滑することで制御信号Ｃ１が生成される。したがって、電圧調整部２４２による調整の度合（具体的には増幅率）に応じて、検出電圧Ｄ１と制限範囲Ｒとの関係を変更することが可能である。例えば、最大出力電力の目標値に応じて電圧調整部２４２の増幅率が設定される。

以上に例示した形態から、例えば以下の構成が把握される。
＜態様１＞
本発明の好適な態様（態様１）に係る増幅装置は、入力信号を増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を制限範囲内に制限する電圧制限回路と、前記電圧制限回路からの出力信号を増幅する第２増幅器と、前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて前記制限範囲を制御する第１制御部と、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限する状態において前記第１増幅器の増幅率を低下させる第２制御部とを具備する。以上の態様では、第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて制限範囲が制御されるから、負荷インピーダンスの変化による最大出力電力の変化が低減される。また、第１増幅器からの出力信号の電圧が制限される状態において第１増幅器の増幅率が低下する。したがって、第１増幅器からの出力信号の電圧が制限される状態において入力信号の信号レベルが増加した場合でも、最大出力電力の変化を低減することが可能である。
＜態様２＞
態様１の好適例（態様２）において、前記第２制御部は、前記電圧制限回路が電圧を制限する時間の比率に応じて前記第１増幅器の増幅率を制御する。以上の態様では、電圧制限回路が電圧を制限する時間の比率に応じて第１増幅器の増幅率が制御されるから、最大出力電力の変化を低減できるという前述の効果は顕著である。具体的には、電圧制限回路が電圧を制限する時間の比率が高いほど第１増幅器の増幅率が低下する。
＜態様３＞
態様１または態様２の好適例（態様３）において、前記第１制御部は、前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じた検出電圧を生成する電流検出部と、前記検出電圧を調整する電圧調整部と、前記電圧調整部による調整後の電圧を整流および平滑することで制御信号を生成する信号生成部と、前記制御信号に応じて前記制限範囲を制御する範囲設定部とを含む。以上の態様では、第２増幅器から負荷に供給される電流に応じた検出電圧が調整され、調整後の電圧を整流および平滑することで、制限範囲を規定する制御信号が生成される。したがって、電圧調整部による調整の度合に応じて、検出電圧と制限範囲との関係を変更することが可能である。
＜態様４＞
本発明の他の態様（態様４）に係る増幅装置の制御方法は、入力信号を増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を制限範囲内に制限する電圧制限回路と、前記電圧制限回路からの出力信号を増幅する第２増幅器とを具備する増幅装置の制御方法であって、前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて前記制限範囲を制御し、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限する状態において前記第１増幅器の増幅率を低下させる。以上の態様では、第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて制限範囲が制御されるから、負荷インピーダンスの変化による最大出力電力の変化が低減される。また、第１増幅器からの出力信号の電圧が制限される状態において第１増幅器の増幅率が低下する。したがって、第１増幅器からの出力信号の電圧が制限される状態において入力信号の信号レベルが増加した場合でも、最大出力電力の変化を低減することが可能である。

１００…音響システム、１２…信号供給装置、１４…増幅装置、１６…放音装置、２１…第１増幅器、２２…電圧制限回路、２３…第２増幅器、２４…第１制御部、２４１…電流検出部、２４２…電圧調整部、２４３…信号生成部、２４４…範囲設定部、２５…第２制御部、２５１…整流回路、２５２…制限検出部、２５３…信号生成部。

Claims

入力信号を増幅する第１増幅器と、
前記第１増幅器からの出力信号の電圧を制限範囲内に制限する電圧制限回路と、
前記電圧制限回路からの出力信号を増幅する第２増幅器と、
前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて前記制限範囲を制御する第１制御部と、
前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限しない状態において前記第１増幅器の増幅率を所定値に設定し、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限する状態において、前記第１増幅器の増幅率を、前記所定値を下回る数値に設定する第２制御部と
を具備する増幅装置。
前記制限範囲は、正側の第１制限値と負側の第２制限値との間の範囲であり、
前記第２制御部は、
前記第１増幅器からの出力信号を整流することで第１信号を生成する整流回路と、
前記第１信号の電圧と前記第１制限値とを比較することで、当該第１信号の電圧が前記第１制限値を上回るか否かを２値的に表す第２信号を生成する制限検出部と、
前記第２信号を平滑することで、前記第１増幅器の増幅率を制御するための信号を生成する信号生成部とを含む
請求項１の増幅装置。
前記第２制御部は、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限する状態において、前記電圧制限回路が電圧を制限する時間の比率に応じて前記第１増幅器の増幅率を制御する
請求項１または請求項２の増幅装置。
前記第１制御部は、
前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じた検出電圧を生成する電流検出部と、
前記検出電圧を調整する電圧調整部と、
前記電圧調整部による調整後の電圧を整流および平滑することで制御信号を生成する信号生成部と、
前記制御信号に応じて前記制限範囲を制御する範囲設定部とを含む
請求項１から請求項３の何れかの増幅装置。
入力信号を増幅する第１増幅器と、
前記第１増幅器からの出力信号の電圧を制限範囲内に制限する電圧制限回路と、
前記電圧制限回路からの出力信号を増幅する第２増幅器と
を具備する増幅装置の制御方法であって、
前記第２増幅器から負荷に供給される電流に応じて前記制限範囲を制御し、
前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限しない状態において前記第１増幅器の増幅率を所定値に設定し、前記第１増幅器からの出力信号の電圧を前記電圧制限回路が制限する状態において、前記第１増幅器の増幅率を、前記所定値を下回る数値に設定する
増幅装置の制御方法。