JPH02288710A - スイッチング増幅器と波形処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は音声信号を処理する方法と装置に関する。特
にこの発明は携帯用のバッテリー作動装置に有用な効率
が高いスイッチング増幅器に関する。

〔従来の技術〕

音声周波数信号を増幅するために利用できる効率の高い
スイッチング増幅器は公知である。このような増幅シス
テムの一つはカダフィ　（Ｃｕｄａｈｙ）に授与された
増幅器回路という名称の米国特許明細書第３，１８５．
７６８号に開示されている。

公知のスイッチング増幅システムは供給された音声入力
信号に応答してパルス幅変調されたスイッチング信号を
生成する。この被変調信号には音声入力信号を複製する
成分が含まれている。更に、前記被変調信号にはスイッ
チング信号の周波数及びその調波と関連する高周波成分
が含まれている。

被変調スイッチング信号は固体スイッチに入力信号を供
給するために利用できる。固体スイッチは負荷に出力信
号を供給する。

負荷が誘導性部品を有し、又は負荷と直列に誘導性フィ
ルターがある場合は、負荷電流のより高い周波数成分は
減衰される。

誘導性部品の最大値と品質が限定されているので、出力
信号のより高い周波数成分と関連する感知し得る電流の
流れが依然として有り得る。この電流は音声入力信号の
振幅が小さい場合に特に顕著である。

誘導性フィルターを使用すると増幅器のサイズと重さが
増大するので望ましくない。又増幅器のコストも高くな
る。

更に、変調音声入力信号がない場合は、切り換え信号は
負荷にて方形波信号として現れることがよくある。この
方形波はスイッチング波形の周波数において、増幅器の
波高値出力容量に対応する振幅を有している。

このような装置は携帯用の、バッテリーにより給電され
る用途に使用されることが多い。従って、サイズと重さ
を最小限にし、且つ特に入力音声信号の振幅がほとんど
ゼロの場合、バッテリーからのエネルギ損失を最小限に
することが特に望まれる。

〔発明の要約〕

この発明に基づき、効率の高いスイッチング増幅器は負
荷に対して入力信号の増幅された表現を供給する。この
増幅器には選択された高周波クロック波形を生成するた
めの回路が含まれている。

高周波クロック波形は第１及び第２のパルス幅変調器に
連結されている。増幅される入力信号も２つの変調器に
連結されている。２つの変調器のうちの一つへの入力は
反転されている。各変調器は入力信号の瞬間値に応じて
パルス幅変調されたスイッチング波形を生成する。

プッシュプル・ブリッジ出力スイッチング回路が変調回
路の各々の出力に連結されている。負荷は出力ブリッジ
の第１の第２の端子の間に連結されている。

音声周波数入力信号の増幅された表現はプッシュプル・
ブリッジ出力段の第１の第２の出力端子の間に出現し、
負荷に送られる。負荷が誘導性である場合は、電流はパ
ルス幅変調されたスイッチング信号の高周波成分のため
に減衰され、高い効率をもたらす。

この増幅器の特別の利点は、入力信号がゼロにほぼ等し
い値を有している場合、負荷に送られる増幅された表現
もゼロにほぼ等しい値を持づという点である。この条件
ではパルス信号又はスイッチング信号は負荷には送られ
ない。一つの実施例におけるパルス幅変調器は入力信号
の振幅を高周波クロック波形の振幅と比較するための比
較器を各々備えている。一つの変調器への入力は入力電
気信号の反転された表現である。

クロック波形は三角形の波形である。あるいは、クロッ
ク波形はのこぎり波形でもよい。この発明の別の実施例
では、入力電気信号を反転させる代わりに比較器の一つ
への高周波クロック入力を反転させることもできよう。

増幅器のプッシュプル・ブリッジ出力段には電界効果形
トランジスタのような４個のスイッチング素子が備えら
れている。

負荷はプリフジの第１と第２の出力端子の間に連結され
ている。ブリッジ内の種々のスイッチング素子の対偶が
交互に切り換えられる結果、増幅器に給電するのに単一
の電気エネルギ源しか使用していなくても、３レベルの
出力信号が負荷に供給されることができる。

更に別の実施例では、変調器には各々電圧又は電流被制
御パルス幅生成器を備えることができる。

高周波クロック信号を各生成器へのクロック入力に連結
可能である。反転された入力信号は第２生成器のパルス
幅入力に連結可能である。２つの生成器の各々からのパ
ルス幅変調された出力順はブリッジ出力段の各々の入力
に連結可能である。

この発明の更に別の実施例では、音響信号を処理するた
めのシステムには音響信号を検出し、且つ、それに応答
して電気信号を生成するための回路が備えられている。

電気信号は前述のように相互に接続された第１及び第２
の変調器回路を有するスイッチング増幅器で増幅される
。スイッチング増幅器からの出力は、増幅された電気信
号を出力音響信号に変換するための変換器に連結されて
いる。

この発明の他の多くの利点及び特徴は以下の発明及びそ
の実施例の詳細な説明、特許請求の範囲及び本明細書の
一部として発明の詳細が全て、完全に開示されている添
付図面から明らかになるであろう。

〔実施例〕

つぎにこの発明の実施例を添付図面を参照しつつ詳細に
説明する。

この発明は多くの異なる実施態様が可能であるが、以下
の説明が発明の原理の例示であり、発明を図示した特定
の実施例に限定するものではないことを了解しつつ、特
定の実施例を図示し、且つ詳細に説明する。

第１図はこの発明に基づく高効率の切り換え増幅システ
ム１０の構成図を示す。このシステム１０は高周波クロ
ック又は比較信号源工２を含んでいる。

高周波クロック又は比較信号源１２は電気信号のパルス
列を三角形の波形生成器１６に供給する発振器１４を含
んでいる。生成器１６はクロック発振器１４と組み合わ
せて１００キロヘルツの高さの周波数の三角形の波形を
生成する。システム１０には第１及び第２の比較器２０
及び２２が備えられている。＆’ｉ２４上の三角波形か
らの出力は比較器２０及び２２の各々への正の入力に供
給される。

システムｌＯは更にインバータ回路２８をも備えている
。インバータ回路２８はマイナス１の利得を有するよう
に構成された演算増幅器として実施することができる。

増幅される電気入力信号は入カポ−）３０にてシステム
ｌＯに連結されている。入力ボート３０自体は比較器２
０の負の入力及びインバータ２８の入力に連結されてい
る。インバータ２８からの出力は比較器２２の負の入力
に連結されている。

第１図の概略図から明らかであるように、比較器２０及
び２２は生成器１６から同一の比較波形を受領する。し
かし、インバータ２８がある結果、比較器２０と２２の
各々に供給された変調信号は位相が異なっている。

比較器２０からの出力、すなわち線３４上のパルス幅変
調されたパルス列Ｓ１は今度は第１スイツチング素子３
６に連結される。比較器２２からの出力、すなわち線３
８上のパルス幅変調されたパルス列Ｓ２は第２のスイッ
チング素子４０に連結される。

素子３６及び４０は４素子プツシユプル出カブリツジを
形成する。ブリッジ出力段が増幅器１０に組み込まれて
いるので、３レベル出力体号を生成するのに単一の電気
エネルギ（Ｂ＋）源しか必要ない。

スイッチング素子３６には出力線が第１のトランジスタ
・スイッチ４４に連結されたインバータ４２が備えられ
ている。比較器３４からの出力はスイッチング素子３６
内の第２のトランジスタ・スイッチ４６に連結されてい
る。スイッチング素子４０はスイッチング素子３６と同
一である。

出力導通部材５０及び５２は各々スイッチング素子３６
と４０のそれぞれ一つのトランジスタ・スイッチに各々
連結されている。例えば、導通部材５０は半導体スイッ
チ４４及び４６に連結されている。１．３ボルトの低電
圧水基バッテリーか、又はより高い３ボルトのバッテリ
ーであってもよい同じ電圧源がスイッチング素子３６及
び４０の各々に連結されている。

出力信号は導通部材５０と５２の間に生成される。その
間に負荷りを接続することができる。引き続き説明する
ように、入力ポート３０に供給された電気信号の増幅さ
れた表現は導通部材５０と５２の間に出現し、従って負
荷りに供給される。

第１図のスイッチング増幅システム１０は、その回路が
導通部材５０と５２の間に出現する出力信号における高
周波切り換え成分の振幅を大幅に縮小するという点で特
に有利である。その結果、負荷りが固有に誘導性インピ
ーダンスを有している場合は別個の誘導性フィルターは
必要ない。これは通常は、１００ヘルツから１０，００
０ヘルツの範囲の通常の可聴範囲内の音響周波数応答を
付与することを意図した補聴器の場合である。

第２図は別の変調条件のシステム１０の線５０．５２上
の波形の幾つかを示している。第１図に図示され、比較
器２０及び２２にようて励振されるスイッチング素子３
６及び４０は線３４と、線３８上の電気信号を、導通部
材５０及び５２にて一方から他方を減じることによって
結合する。

第２Ａ図は入力ボート３０上の入力電気信号がそこで６
０％の正の変調状態を生成する線５０．５２上の出力を
示している。線５０−５２の出力のグラフは負荷りに供
給されるブツシュプル出力信号である。それは線５０と
５２上の信号の差に対応する。

第２Ｂ図は人カポ−）３０上の入力電気信号がそこでゼ
ロの瞬間値を有しており、それによって負荷りにて変調
されない状態を生成する線５０．５２上の出力を示して
いる。第２Ｂ図から明らかであるように、線５０と５２
上の出力は同一である。従って、線５０と５２との出力
差によって、負荷りに供給されるほぼゼロ値の振幅の信
号が生じる。このゼロ振幅信号は、入力電圧がゼロ・ボ
ルトの値を有している場合、切り換え信号が負荷に供給
されないという点で特に有利である。

第２Ｃ図の波形は入力電気信号がそこで６０％の負荷の
変調状態を生成する線５０．５２上の出力を示している
。線５０−５２の出力のグラフは負荷りに供給されるプ
ッシュプル出力信号である。

第３図は第１図のシステムＩＯに基づく回路の概略図で
ある。第１図の素子に対応する第３図の振幅システム１
０の素子には同じ識別番号が付しである。第３図の概略
図では、クロック発振器１４は直列に連結された一対の
インバータによって実施されている。三角波形生成器１
６は抵抗とコンデンサとを組み合わせたＤ−フリソプフ
ロフブによって実施されている。切り換え素子３６と４
０から成る出力ブリッジは第３図では市販のＣＭＯ８素
子、７４ＨＣＵＯ４型で実施されている。第３図に示す
比較器素子２０．２２は出力負荷抵抗２１及び２３を必
要とする開放形コレクタ出力装置である。あるいは、電
力散逸を低くするためプルアップ及びプルダウン（トー
テムポール）出力を有する比較器を使用してもよい。

第４図は補聴器又は音響処理システム６ｏの概略構成図
である。音響処理システム６ｏは入力マイクロフォン６
２を備えている。この入力マイクロフォン６２は音響入
力ＰＩＮを対応する電気信号に変換する。

マイクロフォン６２からの電気信号はプリアンプ６４で
増幅可能である。線３ｏ上のプリアンプ６４からの出力
はスイッチング増幅器１ｏの入力に対応する。

線５０．５２上のスイッチング増幅器１ｏがらの出力は
受信器６６に供給可能である。受信器６６は線５０．５
２上の電気信号を音響信号Ｐ。ＬＩＴに変換する。増幅
システム１０は標準のＤクラス型切り換え増幅器と比較
すると幾つかの重要な利点を備えている。システム１０
の利点の−っは線５０．５２上の負荷出力電圧に存在す
る切り換え信号の高周波成分及びその調波が標準のＤク
ラス型切り換え増幅器の場合よりも大幅に少ないことで
ある。更に、システム１０への入力端子３０での入力電
圧がゼロ・ボルトである場合、標準のＤクラス型切り換
え増幅器の場合のように、出力導体５０と５２の間にス
イッチング信号が供給されることはない。更に、低レベ
ル入力の場合、システム１０は従来のクラスＤ型増幅器
の場合よりも少ない電流しか引き込まない。最後に、第
３図に示したシステム１０の詳細な実施例においては、
インバータ２８の線２８ａに連結された基準電圧の変化
によって有効直流電流が負荷りを流れることはない。基
準電圧Ｖ、ｌの変化は線５０．５２の各々の上の出力の
共通なオフセントにしがみえない。標準のＤクラス型切
り換え増幅器の場合は、動作休止点の値の前記のような
変化によって直流電流が負荷りに流れてしまう。

増幅器１０と共に利用できる別の変調システム７０は第
５図に示されている。変調器システム７０には比較器２
０と２２が備えられ、双方とも入力ポート３０に連結さ
れている。変調器システム７０には更に三角波形生成器
１６と反転演算増幅器２８とが備えらでいる。しかし、
変調器システム７０では、三角波形生成器１６の出力は
比較器２２に連結される前に反転される。比較器２ｏ、
２２からの出力、すなわち線３４及び４ｏ上の信号Ｓ１
及びＳ２は第１図に示したプッシュプル出力段３６．４
０に連結可能である。第６図は別の変調システム７４を
示している。変調システム７４は高周波クロック・パル
ス源７６を備えている。パルス源７６からの出力パルス
は可変パルス幅生成器回路７８及び８ｏのクロック入力
に連結されている。可変パルス幅回路７８及び８ｏは例
えば単安定マルチバイブレータとして実施可能であろう
。

第６図に示すように、生成器７８と８０の各々へのパル
ス幅入力は入力信号と反転された入力信号にそれぞれ連
結される。線８２及び８４上で生成される２つのパルス
幅変調された波形Ｓ１．Ｓ２は今度は第１図のプッシュ
プル・ブリッジ出力段３６．４０に連結されて負荷を励
振する。

第７図は別の、単一端の出力段９ｏを示してぃる。この
出力段９０は３つの非反転半導体スイッチング素子９２
．９４及び９６と組み合わせて正と負の源を使用する。

スイッチング素子９２．９４及び９６への入力は線９２
ａ、９４ａ、９６ａ上の符号化された入力信号を介して
供給される。符号化された入力はパルス幅被変調出力波
形Ｓｌ及びＳ２から誘導され、且つ従来のディジタル論
理回路と組み合わせて前述の変調システムの何れかを用
いて生成することができる。

スイッチング素子９２−９６からの出力は出力節点９８
で相互に連結され、且つ続いて負荷に連結される。前述
のプッシュプル出力段３６．４０の場合と同様に、出力
段９０は負荷に３レベル出力を供給する。入力電気信号
の瞬間値がほぼゼロボルトである場合は、出力段９０は
負荷にほぼゼロボルトを供給する。

この発明の増幅システムは音声周波数信号を増幅する目
的のためだけではなく、別の信号を増幅する目的にも利
用できることが理解されよう。別の例としてはモータの
回転軸の速度を制御するために利用できる制御信号があ
る。更に、本発明の増幅器は高効率の携帯用、バッテリ
ー給電の動作が必要な場合には常に有用であることが理
解されよう。

これまでの説明から、この発明の新規の概念の精神と範
囲を逸脱することなく多くの変更と修正が可能であるこ
とがわかるであろう。ここに説明した特定の装置に限定
することを意図するものではなく、又それを意味するも
のでもないことが理解されよう。勿論、添付の特許請求
の範囲によって、特許請求の範囲内の前記修正の全てを
包含することを意図するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づくスイッチング増幅器の概略構成
図である。 第２Ａから２Ｃ図は第１図のスイッチング増幅器での波
形を時間関数として示したグラフである。 第３図は本発明に基づくスイッチング増幅器の詳細な概
略図である。 第４図は本発明に基づく補聴及び音声処理装置の構成図
である。 第５図は本発明に基づくスイッチング増幅器に有用な別
の変調器構造の部分構成図である。 第６図は本発明に基づくスイッチング増幅器に有用な更
に別の変調器構造の部分構成図である。 第７図は前述の変調器の何れがと共に使用できる別の出
力段の構成図である。 図中符号： ｌＯ・・・増幅器システム １２・・・信号源 １４・・・クロック発振器 １６・・・波形生成器 ２０・・・比較器 ２２・・・比較器 ２４・・・線 ２８・・・インバータ回路 ３０・・・入力ポート ３４・・・線 ３６・・・第１スイツチング素子 ３８・・・線 ４０・・・第２スイツチング素子 ４４・・・半導体スイッチ ４６・・・半導体スイッチ ５０・・・導通部材 ５２・・・導電部材 ６０・・・音響処理システム ６２・・・入力マイクロフォン ６４・・・プリアンプ ６６・・・受信器 ７０・・・変調器システム ７４・・・変調器システム ７６・・・パルス源 ７８・・・可変パルス幅変調回路 ８０・・・可変パルス幅変調回路 ８２・・・線 ８４・・・線 ９０・・・出力段 ９２・・・非反転半導体スイッチング素子９４・・・非
反転半導体スイッチング素子９６・・・非反転半導体ス
イノヂング素子９２ａ・・・線 ９４ａ・・・線 ９６ａ・・・線 ９８・・・出力節点 Ｌ・・・負荷 Ｓｌ、Ｓ２・・・パルス幅被変調波形 ＰＩＮ・・・音響入力 Ｐ　ＯＵＴ・・・音響出力 ／′−一＼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、供給された入力電気信号を増幅するための効率の良
   いスイッチング増幅器において、 供給された入力信号に応答して変調されたパルス幅を有
   する第１のパルス順を生成するための第１装置と、 供給された入力信号の反転表現に応答して変調されたパ
   ルス幅を有する第２のパルス順を生成するための第２装
   置と、 前記第１と第２のパルス順を結合する装置、とから構成
   されたことを特徴とする増幅器。 ２、供給された入力信号を反転するための装置を設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の増幅器。 ３、前記パルス順生成装置に接続され、選択された周波
   数の所定の波形を供給するための装置を設けたことを特
   徴とする請求項１記載の増幅器。 ４、前記第１生成装置が前記波形を入力信号と共に変調
   するための第１変調器を設け、 前記第２生成装置が前記第１変調器とは異なる位相で前
   記波形を変調する第２変調器を設け、前記結合装置が前
   記第１及び第２変調器と連結され、増幅された入力信号
   の表現を負荷に対して供給するための出力切り換え段を
   設けたことを特徴とする、供給された入力信号の増幅さ
   れた表現を負荷に対して供給するための請求項３記載の
   増幅器。 ５、入力信号と前記第２変調器との間に連結されたイン
   バータを設けたことを特徴とする請求項４記載の増幅器
   。 ６、前記出力段が４素子スイッチングブリッジを設けた
   ことを特徴とする請求項４記載の増幅器。 ７、ハウジングと、 前記ハウジングに担持され、増幅される入力音響信号を
   検出し、且つこれに対応する電気信号を生成するための
   装置と、 前記ハウジングに担持された前記生成装置と前記結合装
   置であって、前記電気信号が前記生成器に連結されてお
   り、前記電気信号が存在しない場合は切り換えへの過渡
   を抑止するための装置を含み、少なくとも第１出力導通
   部材にて前記電気信号の増幅された表現を供給するため
   の生成装置と結合装置と、 前記出力導通部材に連結され、前記電気信号に対応する
   音響信号を生成するための出力変換装置、とを更に備え
   たことを特徴とする請求項１記載の高効率の切り換え増
   幅器を組み込んだ補聴器。 ８、選択された振幅と周波数の周期的波形を形成するた
   めの装置を備えたことを特徴とする請求項７記載の補聴
   器。 ９、処理される音響の波形を検出し、 検出された波形に対応する入力電気信号を生成し、 入力電気信号に応答して第１のパルス幅変調された信号
   を生成し、 第１の切り換え信号から第２の切り換え信号を減じて出
   力電気信号を形成し、 出力電気信号を出力音響信号へと変換する、各段階から
   成ることを特徴とする請求項１記載の切り換え増幅器を
   使用した音響波形の処理方法。 １０、生成された入力電気信号を反転する段階を含むこ
   とを特徴とする請求項９記載の方法。