JPH05152867A - D級増幅器 - Google Patents

D級増幅器

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JPH05152867A
JPH05152867A JP3317666A JP31766691A JPH05152867A JP H05152867 A JPH05152867 A JP H05152867A JP 3317666 A JP3317666 A JP 3317666A JP 31766691 A JP31766691 A JP 31766691A JP H05152867 A JPH05152867 A JP H05152867A
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digital
pulse
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Katsuyoshi Fujii
克芳 藤井
Masahiko Hatanaka
正彦 畠中
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 D級増幅器の信号処理方式をPWMあるいは
PDMに容易に切り替えることができるようにする。 【構成】 差分積分器2は入力信号と帰還信号である出
力信号との差分を積分して差分積分信号を出力する。1
ビット量子化器3は差分積分信号の極性を判定して1ビ
ットのデジタル信号を出力する。遅延器5は1ビット量
子化器3のデジタル出力信号を任意の周波数のクロック
で遅延させる。デジタル信号選択スイッチ4は遅延器5
の出力あるいは1ビット量子化器3の出力を選択する。
パルス増幅器7はデジタル信号選択スイッチ4の出力信
号を電力増幅する。帰還回路30はパルス増幅器7のデ
ジタル出力信号を帰還信号として差分積分器2に送出す
る。ローパスフィルタ8はパルス増幅器7の出力に接続
され、必要な周波数帯域のみを通過させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は音響信号の高効率電力増
幅を目的としたD級増幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、音響信号の高効率電力増幅器とし
てD級増幅器が用いられ、特に高レベルにある電力を高
い効率で処理できるという利点を有している。
【0003】従来の高効率電力増幅を目的としたD級増
幅器は、例えば特開平2−177606号公報に示され
ている。
【0004】以下に、従来のD級電力増幅器の信号処理
法について説明する。図4はこの従来のD級増幅器のブ
ロック図を示すものである。図4において、10はアナ
ログ信号入力端子、11はコンパレータ、12はドライ
ブアンプ、13はパルス増幅器、14及び15はローパ
スフィルタを構成するコイル及びコンデンサ、16は出
力端子、17は負荷、18は三角波信号発生器、19は
FM変調器、20は基本信号発振器、21はランダム信
号発振器である。
【0005】以上のように構成されたD級増幅器につい
て、以下その動作について説明する。
【0006】まず、コンパレータ11の(−)入力端子
にはアナログ信号入力端子10に入力された音響信号が
入力され、コンパレータ11の(+)入力端子には三角
波信号発振器18から三角波信号が入力される。この2
種の信号はコンパレータ11により振幅が比較され、1
ビットのデジタル信号に変換される。すなわち、コンパ
レータ11の出力Coutは、音響信号>三角波信号の時
out=0、音響信号<三角波信号の時 Cout=1とな
る。この変換の波形図を図5に示す。このことから、C
outは三角波信号の周波数をキャリアとしたパルス幅変
調信号に変換されたことがわかる。コンパレータ11の
出力Coutはドライブアンプ12により増幅され、さら
にパルス増幅器13により電力増幅される。電力増幅さ
れたパルス幅変調信号はコイル14及びコンデンサ15
よりなるローパスフィルタで不必要な成分が除去され、
音響信号となって出力端子7から出力される。また、増
幅器としての特性向上のため、パルス増幅器13の出力
からコンパレータ11の(−)入力端子に抵抗器を介し
て帰還が掛けられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、パルス幅変調信号を得るため、三角波発
生器を必要としており、低歪率の増幅器を得るために
は、直線性の良い三角波を発生させる必要があり、複雑
な構成にならざるを得ないという問題点を有していた。
【0008】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、簡単な構成でD級増幅器の信号処理方式を選択する
ことができる高効率の電力増幅器を提供することを目的
とする.
【0009】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のD級増幅器は、入力信号と帰還信号であるパ
ルス出力信号との差分を積分した差分積分信号を出力す
る差分積分器と、前記差分積分信号の極性を判定して1
ビットのデジタル信号を出力する1ビット量子化器と、
前記1ビット量子化器のデジタル出力信号を任意の周波
数のクロックで遅延させる遅延器と、前記遅延器の出力
信号か、あるいは前記1ビット量子化器のデジタル出力
信号を選択するデジタル信号選択スイッチと、前記デジ
タル信号選択スイッチで選択されたデジタル信号を電力
増幅するパルス増幅器と、前記パルス増幅器により増幅
されたパルス出力信号を帰還信号として前記差分積分器
に送出する帰還回路と、前記パルス増幅器の出力に接続
され、必要な周波数帯域の信号のみを通過させるローパ
スフィルタと、により構成されている。
【0010】
【作用】本発明は上記した構成により、差分積分器,1
ビット量子化器,遅延器,デジタル信号選択スイッチと
パルス増幅器及び帰還回路で閉ループ回路を構成する。
デジタル信号選択スイッチで、遅延器の出力信号を選択
し、パルス増幅器で増幅する場合、この閉ループ回路は
主に差分積分器及び遅延器の位相遅れにより低周波数域
では負帰還状態となり、高周波数域では正帰還状態とな
るため、高周波数域で発振する。この発振周波数は閉ル
ープ回路が、低周波数域で1ビット量子化の誤差を補正
するように帰還回路が構成されているため、一定の周波
数ではなくなる。これにより、帰還回路の発振周波数す
なわちキャリア信号の周波数は常に変化し、キャリア信
号のエネルギーは単一の周波数及びその高調波に集中す
ることなく拡散される。
【0011】一方、デジタル信号選択スイッチで、1ビ
ット量子化器の出力信号を選択し、パルス増幅器で増幅
する場合、閉ループ回路は負帰還状態となり、差分積分
器によりパルス増幅器からの帰還信号と入力信号との差
信号が検出され、さらに差信号は積分される。差分積分
器の出力信号は1ビット量子化器によりデジタル信号に
変換され、パルス増幅器により電力増幅される。これら
の動作を閉ループ回路が繰り返すことにより、一定の周
波数で回路は発振する。
【0012】このように、デジタル信号選択スイッチ
で、増幅器の信号処理方式をパルス密度変調あるいはパ
ルス幅変調に設定することができる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。
【0014】図1は本発明の実施例におけるD級増幅器
のブロック図を示すものである。図1において、1は入
力端子、2は入力端子1に入力された入力信号と帰還信
号である出力信号とを入力として、これら2信号の差分
値を積分した差分積分信号を出力する差分積分器、3は
差分積分信号をデジタル信号に変換する1ビット量子化
器、4はデジタル信号選択スイッチである。5は1ビッ
ト量子化器のデジタル出力信号を任意の周波数のクロッ
クで遅延させる遅延器であり、Dタイプフリップフロッ
プなどで構成される。6は任意の周波数のクロックパル
スを発生するクロック発振器、7は遅延器5のデジタル
出力信号を電力増幅するパルス増幅器、8はパルス増幅
器7の出力信号から不要な信号成分を除去するローパス
フィルタ、9は出力端子、30は帰還回路である。
【0015】以上のように構成された本実施例のD級増
幅器について、以下その動作について説明する。帰還回
路30を介したパルス増幅器7の出力信号は帰還信号と
して入力端子1からの入力信号と共に差分積分器2に入
力され、2信号間の差分値が積分され、差分積分器2か
ら差分積分信号が出力される。差分積分信号は1ビット
量子化器3に入力され、1ビット量子化器3により1ビ
ットのデジタル信号に変換される。1ビットのデジタル
信号は遅延器5に入力され、遅延器5にクロック発振器
6から供給されるクロックの繰り返し周期に応じた時間
分遅延される。遅延処理されたデジタル信号及び1ビッ
ト量子化器3の出力デジタル信号は、デジタル信号選択
スイッチ4により選択され、どちらかの信号がパルス増
幅器7により電力増幅される。パルス増幅器7の出力信
号は、帰還回路30を介して差分積分器2に入力され
る。また、パルス増幅器7の出力信号は、コイルおよび
コンデンサからなるフィルタ8に入力され、不要な信号
成分が除去されて出力端子9から出力される。
【0016】デジタル信号選択スイッチ4で遅延器5の
出力を選択した場合、閉回路ループではデルタシグマ変
調が行われ、1ビット量子化器3の出力はパルス密度変
調信号になる。差分積分器2,1ビット量子化器3,デ
ジタル信号選択スイッチ4,遅延器5,パルス増幅器7
および帰還回路からなる閉回路ループは、低周波数域で
は負帰還になるように構成されているが、高周波数域で
は差分積分器2と遅延器5による位相遅れで正帰還とな
る。このため、閉回路ループは高周波数域で発振状態に
なる(キャリア発振)が、その発振周波数はクロック発
振器6のクロック周波数よりも低い。
【0017】ここで、デルタシグマ変調器の説明を図2
と共に行う。図2は2次デルタシグマ変調器のブロック
線図であり、図中のTは入力信号を1サンプルクロック
期間の時間遅延をさせる遅延器である。図2のデルタシ
グマ変調器をZ変換式で表すと次式(1)になる。
【0018】 Vo(z)=−αVin(z)[2−Z-1]+[2Z-1−Z-2][Vo(z)−αYo(z)] ・・・(1) 図1に示したデルタシグマ変調増幅器のブロック図は上
式(1)に基づいて構成を変更したものである。
【0019】次に、図1に示すデルタシグマ変調増幅器
が図2に示すデルタシグマ変調器と等価であることを示
す。差分積分器2の入出力特性は、次式(2)に示す特
性である必要がある。サンプリング周期=T,差分積分
器入力信号=Vs,差分積分器出力信号=Voとすれ
ば、
【0020】
【数1】
【0021】これをZ変換式で表せば次式(3)にな
る。 Vo(z)=−α[2Vs(z)−Z-1Vs(z)+2Z-1Vo(z)−Z-2Vo(z)] ・・・(3) 1ビット量子化器3の出力をYoとすれば、パルス増幅
器7の出力は遅延器5でTの時間遅延があることからZ
-1Yo(z)となる。パルス増幅器7の出力信号Z -1Yo(z)
と2状態変調入力端子1に加えられた信号VinでVs(z)
を表すと次式(4)になる。
【0022】 Vs(z)=Vin(z)+Zー1Yo(z) ・・・(4) 式(4)を用いて式(3)を表せば次式(5)となる。
【0023】 Vo(z)=−αVin(z)[2−Z-1]+[2Z-1−Z-2][Vo(z)−αYo(z)] ・・・(5) 式(5)は式(1)と同じであり、図1に示すデルタシ
グマ変調増幅器と図2に示すデルタシグマ変調器が同様
の動作をすることがわかる。
【0024】図3にデルタシグマ変調器の信号及び量子
化ノイズスペクトルを示す。1ビット量子化器による量
子化ノイズは、ホワイトノイズと考えられるが、デルタ
シグマ変調のノイズシェーピング特性により、サンプリ
ング周波数(遅延器のクロック周波数)の1/2付近に
量子化ノイズのピークが現れる。
【0025】同様に、本発明のD級増幅器において、デ
ジタル信号選択スイッチ4で遅延器5の出力信号を選択
し、パルス増幅器7で電力増幅する閉回路ループの場合
もノイズシェーピング特性を示す。また、サンプリング
周波数は遅延器5に供給されるクロックの周波数である
こともデルタシグマ変調器と同様である。閉回路ループ
が高周波数域で発振(キャリア発振)する周波数は、量
子化誤差を減少するように働くため、一定にはならな
い。
【0026】次に、デジタル信号選択スイッチ4で1ビ
ット量子化器3のデジタル出力信号を選択し、パルス増
幅器7で増幅する場合の説明をする。差分積分器2,1
ビット量子化器3,デジタル信号選択スイッチ4,パル
ス増幅器7および帰還回路30からなる閉回路ループで
はパルス幅変調が行われる。パルス増幅器7の出力信号
は帰還回路30を通ったのち差分積分器2により積分さ
れ、積分出力が1ビット量子化器3に加えられる。積分
出力が1ビット量子化器3の量子化レベル(0ボルトと
仮定する)以上ならば、1ビット量子化器3の出力は”
1”になり、量子化レベル以下ならば1ビット量子化器
3の出力は”0”になる。閉回路ループは、負帰還回路
を構成しているから、閉回路ループを構成する差分積分
器2、1ビット量子化器3,デジタル信号選択スイッチ
4、パルス増幅器7の時定数により発振し、1ビット量
子化器3およびパルス増幅器7からはデューティーサイ
クル50%のパルスが出力される。。閉回路ループが発
振している状態で、入力端子1に入力信号が加えられる
と、差分積分器2の積分出力は入力信号に応じてバイア
スされる。このバイアスされた積分出力が1ビット量子
化器3により量子化されるため、バイアスされた量すな
わち入力信号に応じたデューティーサイクルのパルスが
1ビット量子化器3により出力され、PWM変調信号が
得られる。
【0027】
【発明の効果】以上のように本発明は、入力信号と帰還
信号であるパルス出力信号との差分を積分した差分積分
信号を出力する差分積分器(2)と、差分積分信号の極
性を判定して1ビットのデジタル信号を出力する1ビッ
ト量子化器(3)と、1ビット量子化器(3)のデジタ
ル出力信号を任意の周波数のクロックで遅延させる遅延
器(5)と、遅延器(5)あるいは1ビット量子化器
(3)の出力であるデジタル信号を選択するデジタル信
号選択スイッチ(4)と、デジタル信号選択スイッチ
(4)により選択されたデジタル信号を電力増幅するパ
ルス増幅器(7)と、パルス増幅器(7)のパルス出力
信号を帰還信号として差分積分器(2)に送出する帰還
回路(30)を設けることにより、D級増幅器の信号処
理方式をデジタル信号選択スイッチにより簡単に切り替
えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例におけるD級増幅器の構成を
示すブロック図
【図2】同実施例におけるデルタシグマ変調器のブロッ
ク線図
【図3】同実施例におけるデルタシグマ変調器の信号及
び量子化ノイズスペクトルを表す特性図
【図4】従来のパルス幅変調増幅器の構成を示すブロッ
ク図
【符号の説明】
1 入力端子 2 差分積分器 3 1ビット量子化器 4 デジタル信号選択スイッチ 5 遅延器 6 クロック発振器 7 パルス増幅器 8 ローパスフィルタ 9 出力端子 30 帰還回路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号と帰還信号であるパルス出力信
    号との差分を積分した差分積分信号を出力する差分積分
    器と、 前記差分積分信号の極性を判定して1ビットのデジタル
    信号に変換する1ビット量子化器と、 前記1ビット量子化器のデジタル出力信号を任意の周波
    数のクロックで遅延させる遅延器と、 前記遅延器の出力信号と、前記1ビット量子化器のデジ
    タル出力信号を選択するデジタル信号選択スイッチと、 前記デジタル信号選択スイッチで選択されたデジタル信
    号を電力増幅するパルス増幅器と、 前記パルス増幅器により増幅されたパルス出力信号を帰
    還信号として前記差分積分器に送出する帰還回路と、 前記パルス増幅器の出力に接続され、必要な周波数帯域
    の信号のみを通過させるローパスフィルタと、を備えた
    D級増幅器。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6621335B2 (en) * 2001-04-18 2003-09-16 Microsemi Corporation Class D amplifier with passive RC network
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