JP6973794B2 - 歪み調整回路、歪み除去回路、増幅装置 - Google Patents

歪み調整回路、歪み除去回路、増幅装置 Download PDF

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本発明は、増幅器の歪みを調整する歪み調整回路、増幅器の歪みを除去する歪み除去回路、および歪み調整回路もしくは歪み除去回路を備える増幅装置に関する。
増幅器の歪みを低減する回路として、特許文献1〜3の技術などが知られている。特許文献1の技術は、増幅回路内部で発生される歪みを検出し、その検出出力を入力信号に加え合わせることにより歪みを打ち消す。特許文献2の技術は、3つの差動増幅回路と2つのトランジスタを用い、比較的低い電圧での駆動においても、信号歪を低減でき、ダイナミックレンジの広いIC化に適したオーディオ信号増幅回路を提供している。特許文献3には、利得を制御することで歪を抑制しつつ音量感を向上させる技術が示されている。
特開昭57−164604号公報 特開2004−343721号公報 特開2011−155333号公報
音響関係の増幅器の場合、ユーザの好みによって歪みを付加することがある。例えば、信号を増幅する増幅器として真空管を用いることで、真空管が持つ特性(歪み)を楽しむことなどである。このような場合に、増幅器の増幅率を変えることなく、歪みの量のみを調整したい。しかしながら、従来技術は、信号の増幅率を維持しながら歪みの量のみを調整できないという課題がある。
本発明は、信号の増幅率を維持しながら歪みの量を調整できる歪み調整回路、歪み調整回路を含む増幅装置を提供することを目的とする。
本発明の歪み調整回路は、歪み調整部、増幅率設定部、歪みフィードバック部を備える。歪み調整部は、増幅対象の信号である増幅対象信号と歪みフィードバック部の出力であるフィードバック信号とを加重平均した信号である増幅入力信号を、増幅器への入力信号として出力する。増幅率設定部は、増幅器の出力信号である増幅出力信号を増幅器の増幅率で除した信号とフィードバック信号とを加重平均した信号である対応入力信号を出力する。歪みフィードバック部は、増幅入力信号と対応入力信号に応じたフィードバック信号を出力し、増幅入力信号と対応入力信号を一致させるように機能する。
本発明の歪み調整回路によれば、増幅入力信号は増幅対象信号とフィードバック信号とを加重平均した信号であり、対応入力信号は増幅出力信号を増幅器の増幅率で除した信号とフィードバック信号とを加重平均した信号であり、増幅入力信号と対応入力信号を一致させるように機能する。よって、増幅器の増幅率を維持しながら歪みの量を調整できる。
実施例1の歪み調整回路の構成例を示す図。 /Rの値と歪み率の関係を示す図。 変形例の歪み調整回路の構成例を示す図。 歪みを付加したシミュレーション用の回路構成を示す図。 シミュレーション結果を示す図。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
図1に実施例1の歪み調整回路の構成例を示す。歪み調整回路100と増幅器900との組合せは、増幅装置10である。歪み調整回路100の内部において、増幅対象の入力信号である増幅対象信号が流れる点を増幅対象点、増幅器900への入力信号である増幅入力信号が流れる点を増幅入力点、増幅器900の出力信号である増幅出力信号が流れる点を増幅出力点、増幅出力信号に対応した信号が流れる点を対応入力点、フィードバック信号が流れる点をフィードバック点とする。そして、増幅対象点の電位をVin、増幅入力点の電位をV、増幅出力点の電位をVout、対応入力点の電位をV、フィードバック点の電位をVとする。言い換えると、Vinは増幅対象信号、Vは増幅入力信号、Voutは増幅出力信号、Vは対応入力信号、Vはフィードバック信号を示している。「流れる点」とは、同じ電位となる導線上のいずれの点でもよい。
歪み調整回路100は、増幅対象点と増幅入力点の間に配置された抵抗111と、増幅入力点とフィードバック点の間に配置された抵抗112と、対応入力点と接地との間に配置された抵抗121と、増幅出力点と対応入力点の間に配置された抵抗122と、対応入力点とフィードバック点の間に配置された抵抗123と、増幅部131を備える。抵抗121と抵抗122との直列接続の抵抗値(R+R)を抵抗121の抵抗値Rで除した値(R+R)/Rは、増幅器900の増幅率Aである。また、抵抗123の抵抗値R3は、抵抗121と抵抗122との並列接続の抵抗値(R・R)/(R+R)と一致する。
増幅部131は、増幅入力点が正の入力、対応入力点が負の入力に接続され、フィードバック点が出力に接続される。「正の入力」とは入力が大きくなれば出力も大きくなるような入力であり、「負の入力」とは入力が大きくなると出力が小さくなるような入力である。増幅部131は、増幅入力点の電位Vと対応入力点の電位Vが一致するように動作する。増幅部131は、例えばオペアンプである。
増幅器900は、例えば真空管を含んでおり、単体で動作させた場合には、入力xに対して、
Ax+f(x) (1)
を出力する。Aは増幅器900の増幅率であり、f(x)はxが入力されたときの増幅器900の出力に含まれる歪みの量である。図1に示した回路の場合、抵抗値R3が抵抗121と抵抗122との並列接続の抵抗値(R・R)/(R+R)なので電位Vは、キルヒホッフの法則より電位Vout,電位Vを用いて次式のように表現できる。
Figure 0006973794
また、電位Vは次式のように電位Vin,電位Vを用いて表現できる。
Figure 0006973794
増幅部131は、増幅入力点の電位Vと対応入力点の電位Vが一致するように動作するので、次式の関係が成り立つ。
Figure 0006973794
そして、R=Rのように抵抗111,112を設定した場合、式(4)の左辺は0になるので、電位Voutと電位Vinの関係は次式のようになる。
Figure 0006973794
ここで、値(R+R)/Rは増幅器900の増幅率Aとなるように設定しているので、増幅器900単体で動作させたときには歪みf(x)を含むとしても、歪み調整回路100を接続すれば、Vout=A・Vinのように、歪み成分を除去できる。つまり、抵抗111の抵抗値Rと抵抗112の抵抗値Rを一致させれば、歪み調整回路100は、歪み除去回路となる。
次にR≠Rの場合を検討する。このとき式(4)と(R+R)/R=Aの関係から電位Vを求めると次式のようになる。
Figure 0006973794
式(1),(2),(5),V=Vより、電位Voutは、次式のように表現できる。
Figure 0006973794
式(6)を電位Voutについて解き、整理すると、以下のようになる。
Figure 0006973794
ここまでの分析は分母が0になることを防ぐためにR≠Rを前提としていたが、式(7)からも、R=Rのように抵抗111,112を設定したときに歪み成分の項が0になることが分かる。
図2は、R/Rの値と歪み率の関係を示す図である。横軸はR/Rの値、縦軸が歪み率である。例えば、抵抗111を可変抵抗としR=0とした場合はV=Vinとなり、式(7)は、
out=AVin+f(Vin
となるので、式(1)で示した増幅器900を単体で動作させた場合と同じとなる。つまり、増幅器900の歪みがそのまま(100%)出力される。また、R=R/2の場合は、式(7)は、
out=AVin+f(V)/2≒AVin+f(Vin)/2
となるので、歪み率が約50%となる。歪み調整回路100としては、抵抗値Rを0からRの間で調整できる可変抵抗とすれば、歪みの位相は変えない範囲で歪みの量を調整できる。また、例えば抵抗値Rを0から2Rの間で調整できる可変抵抗とすれば、歪みの位相を逆転した調整も可能になる。このように、歪み成分を調整したい範囲となるように、抵抗値Rの設定範囲を決めればよい。また、抵抗111として複数の抵抗値の異なる固定抵抗を用意し、切り替えることで歪み成分を調整してもよい。式(7)から分かるように、抵抗値Rを変化させても増幅率Aには影響しない。つまり、増幅器900の増幅率Aを維持しながら歪みの量を調整できる。
なお、上述の説明では増幅入力点が増幅部131の正の入力、対応入力点が増幅部131の負の入力に接続される理由は説明されていないので補足説明する。電位を高くする歪みが付加されたとき増幅出力点の電位Voutは高くなり、対応入力点の電位Vも上昇する。対応入力点を増幅部131の負の入力に接続しているので、フィードバック点の電位Vは低くなる。これは、対応入力点の電位Vを下げる効果につながるため、歪みを低減することになる。
また、図1にはコンデンサなどは付加されていないが、増幅対象信号に影響を与えない範囲で付加しても構わない。例えば、直流成分を除去するためにいずれかの抵抗と直列にコンデンサを付加してもよい。
<上位概念>
図1の歪み調整回路100内の点線で囲んだ構成部は、歪み調整部110、増幅率設定部120、歪みフィードバック部130である。歪み調整部110は、増幅対象の信号である増幅対象信号と歪みフィードバック部130の出力であるフィードバック信号を入力とし、増幅対象信号とフィードバック信号とを加重平均(重み付き平均)した信号である増幅入力信号を、増幅器900への入力信号として出力する。増幅率設定部120は、増幅器900の出力信号である増幅出力信号と歪みフィードバック部130の出力であるフィードバック信号を入力とし、増幅出力信号を増幅器900の増幅率で除した信号とフィードバック信号とを加重平均した信号である対応入力信号を出力する。歪みフィードバック部130は、増幅入力信号と対応入力信号に応じたフィードバック信号を出力し、増幅入力信号と対応入力信号を一致させるように機能する。上述の例と同様に、Vinを増幅対象信号、Vを増幅入力信号、Voutを増幅出力信号、Vを対応入力信号、Vをフィードバック信号とする。
式(1)は増幅器900の特性であり、この特性を前提とする。上記の場合、式(2),式(3)に相当する式は、式(2’),式(3’)のようになる。
Figure 0006973794
フィードバック部130は、増幅入力信号Vと対応入力信号Vを一致させるように機能するので、V=Vとなる。よって、式(4)に相当する式は、以下のようになる。
Figure 0006973794
ここで、b=cのように設定すると、a=1−b=1−c=dとなるので、
Figure 0006973794
となる。つまり、対応入力信号Vに含まれるフィードバック信号Vの割合と、増幅入力信号Vに含まれるフィードバック信号Vの割合を同じにすれば、歪み成分を除去できる。このとき、歪み調整回路100は、歪み除去回路となる。
次に、b≠cの場合を検討する。式(4’)よりフィードバック信号Vを求めると次のようになる。
Figure 0006973794
式(1),(2’),(5’),V=Vより、増幅出力信号Voutは次式のようになる。
Figure 0006973794
式(6’)の増幅出力信号Voutを左辺にまとめると、以下のようになる。
Figure 0006973794
ここで、b−c+ac=b−c(1−a)=b−cb=b(1−c)=bdなので、左辺の係数の分子はbdである。また、b−c=bd−acである。これらの関係を使って式を整理すると、以下のようになる。
Figure 0006973794
ここまでの計算ではb≠cを前提としたが、式(7’)においてはb=cでも構わない。また、c=0は、歪み調整部110がフィードバック信号Vを利用しないことを示しており、上述の回路のR=0とした場合と同じである。式(7’)より、上述の上位概念でもa,bを固定し、c,dの割合を調整することで、増幅率を維持したまま歪みを調整できることが分かる。ただし、b=0またはd=0では歪み成分が無限大倍になってしまうため、b≠0かつd≠0に限る。
上述の上位概念の説明が成り立つ条件は、
・増幅入力信号Vは増幅対象信号Vinとフィードバック信号Vとを加重平均した信号であること
・対応入力信号Vは増幅出力信号Voutを増幅器900の増幅率Aで除した信号とフィードバック信号Vとを加重平均した信号であること
・増幅入力信号Vと対応入力信号Vを一致させるように機能すること
である。これらの条件を満たせば、図1に示した抵抗とオペアンプを組み合わせた回路に限定しなくても、歪み調整回路100は、増幅器の増幅率を維持しながら歪みの量を調整できる。
[変形例]
図3は、変形例の歪み調整回路の構成例を示す。図3の構成は、図1の抵抗121を取り除いた構成である。抵抗121を取り除いた場合とは、抵抗121の抵抗値を無限大することと等価である。この場合、増幅器900の増幅率Aは1である。歪み調整回路200と増幅器900との組合せは、増幅装置20である。
実施例1と同様に、歪み調整回路200の内部において、増幅対象の入力信号である増幅対象信号が流れる点を増幅対象点、増幅器900への入力信号である増幅入力信号が流れる点を増幅入力点、増幅器900の出力信号である増幅出力信号が流れる点を増幅出力点、増幅出力信号に対応した信号が流れる点を対応入力点、フィードバック信号が流れる点をフィードバック点とする。そして、増幅対象点の電位をVin、増幅入力点の電位をV、増幅出力点の電位をVout、対応入力点の電位をV、フィードバック点の電位をVとする。言い換えると、Vinは増幅対象信号、Vは増幅入力信号、Voutは増幅出力信号、Vは対応入力信号、Vはフィードバック信号を示している。
歪み調整回路200は、増幅対象点と増幅入力点の間に配置された抵抗111と、増幅入力点とフィードバック点の間に配置された抵抗112と、増幅出力点と対応入力点の間に配置された抵抗122と、対応入力点とフィードバック点の間に配置された抵抗223と、増幅部131を備える。抵抗223の抵抗値R3は、抵抗122の抵抗値Rと一致する。
増幅部131は、増幅入力点が正の入力、対応入力点が負の入力に接続され、フィードバック点が出力に接続される。「正の入力」とは入力が大きくなれば出力も大きくなるような入力であり、「負の入力」とは入力が大きくなると出力が小さくなるような入力である。増幅部131は、増幅入力点の電位Vと対応入力点の電位Vが一致するように動作する。抵抗121の抵抗値を無限大にしただけなので、動作原理は実施例1と同じであり、抵抗値Rを変化させても増幅率Aには影響しない。つまり、歪み調整回路200は、増幅器900の増幅率Aを維持しながら歪みの量を調整できる。
図4に歪みを付加したシミュレーション用の回路構成を、図5にシミュレーション結果を示す。シミュレーション用回路の増幅器900には、増幅率が1となるように構成にしたオペアンプ901と、歪みfを付加するための発振器902を用いた。オペアンプ310、抵抗301,302,303,304は、増幅出力信号Voutと増幅対象信号Vinとの差分を出力する回路である。つまり、オペアンプ310の出力は、増幅出力信号Voutに含まれる歪み成分dである。シミュレーションでは、増幅対象信号Vinを1kHzの正弦波、歪みfを3kHzの正弦波とし、歪みfの振幅は増幅対象信号Vinの10%とした。抵抗112,122,223,301,302,303,304は10kΩである。
図5(A)は抵抗111を5kΩにした場合の結果、図5(B)は抵抗111を10kΩにした場合の結果、図5(C)は抵抗111を15kΩにした場合の結果である。それぞれの図には、増幅対象信号Vinと増幅出力信号Voutと歪み成分dを示している。横軸は時間であり、1メモリが0.2m秒である。縦軸は電圧であり、増幅対象信号Vinと増幅出力信号Voutは1メモリが1V、歪み成分dは1メモリが0.1Vである。
図5(B)から分かるように、抵抗111を抵抗112と同じ10kΩにした場合には、増幅出力信号Voutに含まれる歪み成分dがなくなっていることが分かる。したがって、増幅出力信号Voutは増幅対象信号Vinと同じ正弦波となっている。図5(A)では、増幅対象信号Vinがピーク値のタイミングで、歪み成分dは逆符号のピーク値となっている。つまり、増幅出力信号Voutはピーク値が抑圧されるような歪みが付加された信号となっている。一方、図5(C)では、増幅対象信号Vinがピーク値のタイミングで、歪み成分dは同符号のピーク値となっている。つまり、増幅出力信号Voutはピーク値が高くなり、三角波に近い形状になっている。このように、抵抗111の抵抗値Rを変更しただけで、増幅率Aを維持したまま歪み成分を調整できる。
<上位概念>
上位概念の歪み調整回路200は以下のようになる。図3の歪み調整回路200内の点線で囲んだ構成部は、歪み調整部110、増幅率設定部220、歪みフィードバック部130である。歪み調整部110は、増幅対象の信号である増幅対象信号と歪みフィードバック部130の出力であるフィードバック信号を入力とし、増幅対象信号とフィードバック信号とを加重平均した信号である増幅入力信号を、増幅器900への入力信号として出力する。増幅率設定部220は、増幅器900の出力信号である増幅出力信号と歪みフィードバック部130の出力であるフィードバック信号を入力とし、増幅出力信号とフィードバック信号とを加重平均した信号である対応入力信号を出力する。歪みフィードバック部130は、増幅入力信号と対応入力信号に応じたフィードバック信号を出力し、増幅入力信号と対応入力信号が一致するように機能する。上述の例と同様に、Vinを増幅対象信号、Vを増幅入力信号、Voutを増幅出力信号、Vを対応入力信号、Vをフィードバック信号とする。
上位概念の場合も増幅率Aを1としているだけなので、実施例1で説明した原理は成り立つ。したがって、歪み調整回路200は、増幅器900の増幅率を維持しながら歪みの量を調整できる。
10,20 増幅装置
100,200 歪み調整回路
110 歪み調整部
111,112,121,122,123,223 抵抗
120,220 増幅率設定部
130 歪みフィードバック部
131 増幅部
900 増幅器

Claims (8)

  1. 増幅器の歪みを調整するための歪み調整回路であって、
    増幅対象の信号である増幅対象信号を入力とし、前記増幅器への入力信号である増幅入力信号を出力する歪み調整部と、
    前記増幅器の出力信号である増幅出力信号を入力とし、対応入力信号を出力する増幅率設定部と、
    前記増幅入力信号と前記対応入力信号に応じたフィードバック信号を出力する歪みフィードバック部と、
    を備え、
    前記歪み調整部は、前記フィードバック信号も入力とし、前記増幅入力信号は、前記増幅対象信号と前記フィードバック信号とを加重平均した信号であり、
    前記増幅率設定部は、前記フィードバック信号も入力とし、前記対応入力信号は、前記増幅出力信号を前記増幅器の増幅率で除した信号と前記フィードバック信号とを加重平均した信号であり、
    前記フィードバック部は、前記増幅入力信号と前記対応入力信号を一致させるように機能し、
    前記増幅率設定部の加重平均を固定し、前記歪み調整部の加重平均を調整することで増幅率を維持したまま歪みを調整する
    ことを特徴とする歪み調整回路。
  2. 増幅器の歪みを調整するための歪み調整回路であって、
    増幅対象の信号である増幅対象信号を入力とし、前記増幅器への入力信号である増幅入力信号を出力する歪み調整部と、
    前記増幅器の出力信号である増幅出力信号を入力とし、対応入力信号を出力する増幅率設定部と、
    前記増幅入力信号と前記対応入力信号に応じたフィードバック信号を出力する歪みフィードバック部と、
    を備え、
    前記増幅器の増幅率は1であり、
    前記歪み調整部は、前記フィードバック信号も入力とし、前記増幅入力信号は、前記増幅対象信号と前記フィードバック信号とを加重平均した信号であり、
    前記増幅率設定部は、前記フィードバック信号も入力とし、前記対応入力信号は、前記増幅出力信号と前記フィードバック信号とを加重平均した信号であり、
    前記フィードバック部は、前記増幅入力信号と前記対応入力信号を一致させるように機能し、
    前記増幅率設定部の加重平均を固定し、前記歪み調整部の加重平均を調整することで増幅率を維持したまま歪みを調整する
    ことを特徴とする歪み調整回路。
  3. 増幅器の歪みを調整するための歪み調整回路であって、
    増幅対象の入力信号である増幅対象信号が流れる点を増幅対象点、
    前記増幅器への入力信号である増幅入力信号が流れる点を増幅入力点、
    前記増幅器の出力信号である増幅出力信号が流れる点を増幅出力点、
    前記増幅出力信号に対応した信号が流れる点を対応入力点、
    フィードバック信号が流れる点をフィードバック点、
    とし、
    前記増幅対象点と前記増幅入力点の間に配置された抵抗Xと、
    前記増幅入力点と前記フィードバック点の間に配置された抵抗Yと、
    前記対応入力点と接地との間に配置された抵抗1と、
    前記増幅出力点と前記対応入力点の間に配置された抵抗2と、
    前記対応入力点と前記フィードバック点の間に配置された抵抗3と、
    前記増幅入力点が正の入力、前記対応入力点が負の入力に接続され、前記フィードバック点が出力に接続された増幅部と、
    を備え、
    抵抗1と抵抗2との直列接続の抵抗値を抵抗1の抵抗値で除した値は、前記増幅器の増幅率であり、
    前記抵抗3の抵抗値は、抵抗1と抵抗2との並列接続の抵抗値と一致し、
    前記増幅部は、前記増幅入力点の電位と前記対応入力点の電位が一致するように動作する
    ことを特徴とする歪み調整回路。
  4. 増幅器の歪みを調整するための歪み調整回路であって、
    増幅対象の入力信号である増幅対象信号が流れる点を増幅対象点、
    前記増幅器への入力信号である増幅入力信号が流れる点を増幅入力点、
    前記増幅器の出力信号である増幅出力信号が流れる点を増幅出力点、
    前記増幅出力信号に対応した信号が流れる点を対応入力点、
    フィードバック信号が流れる点をフィードバック点、
    とし、
    前記増幅対象点と前記増幅入力点の間に配置された抵抗Xと、
    前記増幅入力点と前記フィードバック点の間に配置された抵抗Yと、
    前記増幅出力点と前記対応入力点の間に配置された抵抗2と、
    前記対応入力点と前記フィードバック点の間に配置された抵抗3と、
    前記増幅入力点が正の入力、前記対応入力点が負の入力に接続され、前記フィードバック点が出力に接続された増幅部と、
    を備え、
    前記増幅器の増幅率は1であり、
    前記抵抗3の抵抗値は、抵抗2の抵抗値と一致し、
    前記増幅部は、前記増幅入力点の電位と前記対応入力点の電位が一致するように動作する
    ことを特徴とする歪み調整回路。
  5. 請求項3または4記載の歪み調整回路であって、
    前記増幅部は、オペアンプである
    ことを特徴とする歪み調整回路。
  6. 請求項1または2記載の歪み調整回路を備え、
    前記増幅対象信号に含まれる前記フィードバック信号の割合と、前記対象入力信号に含まれる前記フィードバック信号の割合は等しい
    ことを特徴とする歪み除去回路。
  7. 請求項3から5のいずれかに記載の歪み調整回路を備え、
    前記抵抗Xの抵抗値と前記抵抗Yの抵抗値が一致する
    ことを特徴とする歪み除去回路。
  8. 請求項1から5のいずれかに記載の歪み調整回路、もしくは請求項6または7記載の歪み除去回路と、
    前記増幅器を備えた
    増幅装置。
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