JPH0644696B2 - Pulse width modulation power amplifier demodulation filter - Google Patents

Pulse width modulation power amplifier demodulation filter

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JPH0644696B2
JPH0644696B2 JP59160022A JP16002284A JPH0644696B2 JP H0644696 B2 JPH0644696 B2 JP H0644696B2 JP 59160022 A JP59160022 A JP 59160022A JP 16002284 A JP16002284 A JP 16002284A JP H0644696 B2 JPH0644696 B2 JP H0644696B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、D級増幅器の一種であるPWM(パルス幅変
調)型パワーアンプの復調フィルタに関する。
The present invention relates to a demodulation filter for a PWM (pulse width modulation) type power amplifier, which is a type of class D amplifier.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

増幅動作がスイッチング素子のオン、オフで行えるため
に高効率となるPWM型パワーアンプは、概略第5図の
ような構成をとる。図中、1は方形波発振部で、その出
力(方形波)をミラー積分部2で積分し、さらに三角波
増幅部3で増幅することにより、第6図に示すように一
定周期の三角波Tが得られる。この三角波Tをパルス幅
変調用の比較器4の一方の入力に与える。この比較器4
の他方の入力は、音声用プリアンプ部5で増幅され、さ
らにリミッタ部6で振幅制限された音声入力信号Vinで
あ。従って、比較器4の出力Pは2入力の大小関係に応
じて変換されたパルス幅を有するパルス列となり、比較
器4で音声入力信号Vinを反転入力とし、三角波Tを非
反転入力とすれば、パルス列Pは第6図のようなPWM
信号波となる。
The PWM type power amplifier, which has a high efficiency because the amplifying operation can be performed by turning the switching element on and off, has a configuration as shown in FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes a square wave oscillating section, and its output (square wave) is integrated by a mirror integrating section 2 and further amplified by a triangular wave amplifying section 3 to generate a triangular wave T having a constant period as shown in FIG. can get. This triangular wave T is given to one input of the comparator 4 for pulse width modulation. This comparator 4
The other input is the audio input signal Vin which is amplified by the audio preamplifier unit 5 and further amplitude-limited by the limiter unit 6. Therefore, the output P of the comparator 4 becomes a pulse train having a pulse width converted according to the magnitude relationship of the two inputs. If the comparator 4 inputs the voice input signal Vin as an inverting input and the triangular wave T as a non-inverting input, The pulse train P is PWM as shown in FIG.
It becomes a signal wave.

増幅動作はこのPWM信号Pについて行われる。7はこ
のためパルスドライブ部であり、また8はパルス電力増
幅部である。このドライブ部7及び増幅部8はスイッチ
ング素子で構成され、その増幅出力はPWM信号Pの振
幅だけがスイッチング素子のオン、オフで増幅された形
になる。この増幅部8の出力の一部は帰還部9を通して
比較部4の反転入力に負帰還されることもある。そして
該増幅出力から音声出力信号Vout を復調するためにフ
ィルタ部10が設けられる。このフィルタ部10の基本
形は、第7図に示すようにインダクタンス(コイル)L
と容量(コンデンサ)Cからなるローパスフィルタ
(LPF)であり、これにより高周波成分(キャリア
分)を除去すると、第6図のように音声入力信号Vinと
逆相の音声出力信号Vout が復調される。
The amplification operation is performed on this PWM signal P. Therefore, 7 is a pulse drive unit, and 8 is a pulse power amplification unit. The drive unit 7 and the amplification unit 8 are composed of switching elements, and the amplified output is in a form in which only the amplitude of the PWM signal P is amplified by turning the switching elements on and off. A part of the output of the amplification section 8 may be negatively fed back to the inverting input of the comparison section 4 through the feedback section 9. A filter unit 10 is provided to demodulate the audio output signal Vout from the amplified output. As shown in FIG. 7, the basic shape of the filter unit 10 is an inductance (coil) L
It is a low-pass filter (LPF) composed of 0 and a capacitance (capacitor) C 0. By removing a high frequency component (carrier component) by this, an audio output signal Vout having an opposite phase to the audio input signal Vin is demodulated as shown in FIG. To be done.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

一般に、LPFをL,Cで構成する場合は第7図のよう
に逆L型に接続する。これで−12dB/oct の遮断特
性を得ることが出来るが、より急峻な特性を得たい場合
にはこれを縦続接続する手法がとられている。しかし、
PWM形式のパワーアンプの出力段にこのようなLPF
を直接接続すると次の様な不具合いが生じる。つまり、
第7図の回路ではスピーカ11のもつインピーダンス特
性(インダクタンスL′)と、フィルタ10のもつ伝達
関数により、第8図(a)のような遮断特性を示す。この
時のカットオフ周波数fcは、通常の全帯域スピーカシ
ステムでは20KHz付近に設定される。またPWMの
サンプリング周波数(三角波Tの繰り返し周波数)をf
sとすると、通常50KHz<fs<300KHz程度
に設定される。
Generally, when the LPF is composed of L and C, it is connected in an inverted L-shape as shown in FIG. With this, a cutoff characteristic of -12 dB / oct can be obtained, but in order to obtain a steeper characteristic, a method of connecting these in cascade is adopted. But,
Such an LPF at the output stage of the PWM type power amplifier
If you connect directly, the following problems will occur. That is,
The circuit of FIG. 7 shows a cutoff characteristic as shown in FIG. 8A due to the impedance characteristic (inductance L ′) of the speaker 11 and the transfer function of the filter 10. The cutoff frequency fc at this time is set to around 20 KHz in a normal full band speaker system. In addition, the sampling frequency of PWM (repetition frequency of triangular wave T) is f
If s, it is usually set to about 50 KHz <fs <300 KHz.

これによってキャリア分は除去されて、信号が復調され
るわけであるが、このままではキャリアの周波数に対し
てLPFは非常に重い負荷となり、無信号時でも出力電
流iが大きく流れてしまう。この点を避けるためにL
の値を大きくすれば高域に対するインピーダンスは上昇
する(iが減る)が、その分スピーカ両端での総合周
波数特性も影響を受け、第8図(b)のように高域が減衰
してしまう。このような理由から理論的には100%で
あるPWMパワーアンプの効率が十分に生かされないの
が実情である。本発明は帯域除去フィルタ(BEF)を
用いることでこの点を解決し、PWMパワーアンプの高
効率化を図ろうとするものである。
As a result, the carrier component is removed and the signal is demodulated, but if this condition is left as it is, the LPF becomes a very heavy load with respect to the carrier frequency, and the output current i 0 flows largely even when there is no signal. L to avoid this point
Increasing the value of increases the impedance for high frequencies (i 0 decreases), but the overall frequency characteristics at both ends of the speaker are also affected by that, and high frequencies are attenuated as shown in Fig. 8 (b). I will end up. For this reason, the efficiency of the PWM power amplifier, which is theoretically 100%, is not fully utilized. The present invention intends to solve this problem by using a band elimination filter (BEF) and to improve the efficiency of the PWM power amplifier.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、パルス幅変調型パワーアンプと、該パルス幅
変調型パワーアンプの出力信号を復調するローパスフィ
ルタを備え、入力アナログ信号でキャリアをパルス幅変
調してその被変調パルス信号を電力増幅した後、ローパ
スフィルタで復調するパルス幅変調型パワーアンプの復
調フィルタにおいて、キャリア周波数を含む特定帯域で
インピーダンスが増大する帯域除去フィルタを前記パル
ス幅変調型パワーアンプと前記ローパスフィルタとの間
に設けたことを特徴とするものである。
The present invention comprises a pulse width modulation type power amplifier and a low pass filter for demodulating an output signal of the pulse width modulation type power amplifier, and pulse width modulating a carrier with an input analog signal to power-amplify the modulated pulse signal. After that, in the demodulation filter of the pulse width modulation type power amplifier which demodulates with the low pass filter, a band elimination filter whose impedance increases in a specific band including the carrier frequency is provided between the pulse width modulation type power amplifier and the low pass filter. It is characterized by that.

〔作用〕[Action]

キャリア成分除去用の帯域除去フィルタは、キャリア周
波数を含む特定帯域においてインピーダンスが増大する
ため、パルス幅変調型パワーアンプからローパスフィル
タに到達するキャリア成分を著しく減衰させる。しか
し、信号帯域(20Hz〜20KHz)は通過させるの
でローパスフィルタによる復調に支障はない。このこと
により無信号時の出力電流iを減衰させることができ
るので、PWM型パワーアンプの効率を改善することが
できる。
Since the impedance of the band elimination filter for removing the carrier component increases in a specific band including the carrier frequency, the carrier component reaching the low pass filter from the pulse width modulation type power amplifier is significantly attenuated. However, since the signal band (20 Hz to 20 KHz) is passed, there is no problem in demodulation by the low pass filter. As a result, the output current i 0 when there is no signal can be attenuated, so that the efficiency of the PWM power amplifier can be improved.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の一実施例を示す回路図で、フィルタ部
(復調フィルタ)10はキャリア成分に対する帯域除去
フィルタBEFを前段に、そして復調用のローパスフ
ィルタLPFを後段に配した構成となっている。フィル
タBEFはインダクタンスLと容量Cの並列共振
回路で、その共振点がキャリア(サンプリング)周波数
fsに設定してある。フィルタLPFはインダクタンス
と容量Cを逆L型に接続したもので、20〜20
KHzのアナログ信号復調に用いられる。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention, in which a filter section (demodulation filter) 10 has a structure in which a band elimination filter BEF 1 for a carrier component is arranged in a front stage and a low pass filter LPF for demodulation is arranged in a rear stage. Has become. The filter BEF 1 is a parallel resonance circuit having an inductance L 1 and a capacitance C 1 , and its resonance point is set to the carrier (sampling) frequency fs. The filter LPF has an inductance L 0 and a capacitance C 0 connected in an inverted L shape, and is 20 to 20.
Used for KHz analog signal demodulation.

電力増幅部8の無信号時の出力はキャリア成分だけであ
り、第2図(a)のようにデューディ50%のパルス列f
(t)である。このパルス列f(t)の振幅を±Aとしてフー
リエ級数展開すると となる。第2図(b)はフィルタBEFの周波数特性で
あるが、その共振周波数fに設定してある。従って、このフィルタBEFのfs
に対するインピーダンスは無限大になり、(1)式の第1
項で示されるキャリアの基本波成分を通過させない。こ
のため無信号時にはフィルタLPFに流れる電流(第7
図のi)は著しく減少するので効率が改善される。勿
論、変調がかかればパルス列f(t)のデューティは50
%以外の値になるので、フィルタBEFを通過する成
分が現われる。これは変調成分であるから、これをフィ
ルタLPFに与えることで増幅されたアナログ信号OU
Tが復調される。
The output of the power amplification unit 8 when there is no signal is only the carrier component, and as shown in FIG.
(t). If the amplitude of this pulse train f (t) is ± A and Fourier series expansion is performed, Becomes FIG. 2 (b) shows the frequency characteristic of the filter BEF 1 , whose resonance frequency f 0 is Is set to. Therefore, the fs of this filter BEF 1
Impedance becomes infinite, and the first of the equation (1)
It does not pass the fundamental wave component of the carrier shown in section. Therefore, when there is no signal, the current flowing through the filter LPF (7th
The efficiency is improved because i 0 ) in the figure is significantly reduced. Of course, if the modulation is applied, the duty of the pulse train f (t) is 50.
Since the value is other than%, the component passing through the filter BEF 1 appears. Since this is a modulation component, the analog signal OU amplified by applying this to the filter LPF
T is demodulated.

第3図は更に効率を改善するために帯域除去フィルタを
多段に接続した本発明の他の実施例である。(1)式で示
したようにパルス列f(t)は基本波成分 sintの他に、
3次高調波 sin3t、5次高調波 sin5t、……を含
む。従って高効率化のためには高調波成分の除去も必要
である。但し、各振幅は1/3,1/5,……と順次低
下するので、基本波成分を1として3次、5次、……の
奇数次高調波成分の合計の割合を求めると となる。この式からn=5までの和を求めると0.87
8となる。従って、n=5までの高調波を除去すると で示される分だけ、無駄に消費される電流が減少する。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention in which band elimination filters are connected in multiple stages to further improve efficiency. As shown in equation (1), the pulse train f (t) has the fundamental wave component sint as well as
Includes the third harmonic sin3t, the fifth harmonic sin5t, .... Therefore, in order to improve efficiency, it is also necessary to remove harmonic components. However, since each amplitude decreases in order of 1/3, 1/5, ..., If the fundamental wave component is set to 1 and the ratio of the total of the odd harmonic components of the 3rd, 5th ,. Becomes When the sum up to n = 5 is calculated from this formula, it is 0.87.
It becomes 8. Therefore, if harmonics up to n = 5 are removed, The current consumed in vain is reduced by the amount indicated by.

第3図はこれを実現した実施例で、BEFは基本波成
分fsに対する帯域除去フィルタ、BEFは3次高調
波3fsに対する帯域通過フィルタ、BEFは5次高
調波5fsに対する帯域除去フィルタである。L〜L
およびC〜Cは各フィルタBEF〜BEF
構成するインダクタンスおよび容量で、それぞれ以下の
関係にある。
FIG. 3 shows an embodiment in which this is realized. BEF 1 is a band elimination filter for the fundamental wave component fs, BEF 2 is a band pass filter for the third harmonic 3fs, and BEF 3 is a band elimination filter for the fifth harmonic 5fs. is there. L 1 to L
3 and C 1 to C 3 are inductances and capacities that form the filters BEF 1 to BEF 3 , and have the following relationships.

第4図は第3図の具体例で、インダクタンスL〜L
は一連のコイル101を区分して使う点に1つの特徴が
ある。第2の特徴は容量C〜Cを全て同じ値にし
(C=C=C)、共振周波数fs,3fs,5f
sはインダクタンスL〜Lを異ならせることで設定
する点である。考え方としてはL〜Lを一定にして
〜Cを異ならせる方法もあるが、本例のように一
連のコイル101を区分してL〜Lを異ならせる方
法は単に巻数T〜Tを選ぶだけで良く、C〜C
を異ならせる方法により素子選定等の面で実現しやす
い。この観点から第4図の例ではL=3L=5L
となる点(巻数ではT=3T=5T)に中間タッ
プを出し、同じ値のC〜Cを並列に接続してある。
FIG. 4 is a specific example of FIG. 3, showing inductances L 0 to L 3
Has a feature in that a series of coils 101 are divided and used. The second feature is that the capacitors C 1 to C 3 all have the same value (C 1 = C 2 = C 3 ), and the resonance frequencies fs, 3fs, 5f.
s is a point set by making the inductances L 1 to L 3 different. As an idea, there is also a method of making L 1 to L 3 constant and making C 1 to C 3 different, but the method of dividing a series of coils 101 and making L 1 to L 3 different as in this example is simply the number of turns. It is sufficient to select T 1 to T 3 , and C 1 to C 3
It is easy to realize from the aspect of element selection, etc. From this viewpoint, in the example of FIG. 4, L 1 = 3L 2 = 5L 2
An intermediate tap is provided at a point (T 1 = 3T 2 = 5T 2 in the number of turns) and C 1 to C 3 having the same value are connected in parallel.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように本発明によれば、PWM信号のキャリ
ア周波数を含む特定帯域でインピーダンスが増大してキ
ャリア成分の通過を妨げる帯域除去フィルタをローパス
フィルタの前段に設けたので、アナログ信号を復調する
該ローパスフィルタにキャリア成分による電流が流れに
くくなり、その分PWM型パワーアンプの効率が改善さ
れる利点がある。
As described above, according to the present invention, since the band elimination filter that impedes the passage of the carrier component by increasing the impedance in the specific band including the carrier frequency of the PWM signal is provided before the low pass filter, the analog signal is demodulated. There is an advantage that a current due to a carrier component is less likely to flow in the low pass filter, and the efficiency of the PWM type power amplifier is improved accordingly.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す回路図、第2図は帯域
除去フィルタ特性の説明図、第3図は本発明の他の実施
例を示す回路図、第4図はその具体例を示す回路図、第
5図はPWM型パワーアンプの一例を示すブロック図、
第6図はその動作波形図、第7図は従来の復調フィルタ
の一例を示す回路図、第8図はその特性図である。 図中、1は方形波発振部、3は三角波増幅部、4はPW
M用比較部、8はパルス電力増幅部、10はフィルタ部
(復調フィルタ)、11はスピーカ、101はコイル、
LPFはローパスフィルタ、BEF〜BEFは帯域
除去フィルタ、C〜Cは容量、L〜Lはインダ
クタンスである。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of band elimination filter characteristics, FIG. 3 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a specific example thereof. FIG. 5 is a circuit diagram showing a block diagram showing an example of a PWM type power amplifier,
FIG. 6 is an operation waveform diagram thereof, FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a conventional demodulation filter, and FIG. 8 is a characteristic diagram thereof. In the figure, 1 is a square wave oscillator, 3 is a triangular wave amplifier, and 4 is a PW.
M comparison unit, 8 pulse power amplification unit, 10 filter unit (demodulation filter), 11 speaker, 101 coil,
LPF is a low pass filter, BEF 1 to BEF 3 are band elimination filters, C 0 to C 3 are capacitors, and L 0 to L 3 are inductances.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】パルス幅変調型パワーアンプと、該パルス
幅変調型パワーアンプの出力信号を復調するローパスフ
ィルタを備え、入力アナログ信号でキャリアをパルス幅
変調してその被変調パルス信号を電力増幅した後、ロー
パスフィルタで復調するパルス幅変調型パワーアンプの
復調フィルタにおいて、 キャリア周波数を含む特定帯域でインピーダンスが増大
する帯域除去フィルタを前記パルス幅変調型パワーアン
プと前記ローパスフィルタとの間に設けたことを特徴と
するパルス幅変調型パワーアンプの復調フィルタ。
1. A pulse width modulation type power amplifier and a low pass filter for demodulating an output signal of the pulse width modulation type power amplifier, wherein a carrier is pulse width modulated by an input analog signal and the modulated pulse signal is power amplified. Then, in the demodulation filter of the pulse width modulation type power amplifier that demodulates with the low pass filter, a band elimination filter whose impedance increases in a specific band including the carrier frequency is provided between the pulse width modulation type power amplifier and the low pass filter. A demodulation filter of a pulse width modulation type power amplifier characterized by the above.
【請求項2】帯域除去フィルタのインダクタンスとロー
パスフィルタのインダクタンスに一連のコイルを区分し
て使用することを特徴とする、特許請求の範囲第1項記
載のパルス幅変調型パワーアンプの復調フィルタ。
2. A demodulation filter for a pulse width modulation type power amplifier according to claim 1, wherein a series of coils are divided and used for the inductance of the band elimination filter and the inductance of the low pass filter.
【請求項3】基本波および高調波に対する各帯域除去フ
ィルタの内容を同じ値にして、それらと並列共振回路を
構成する各インダクタンスの値を異ならせてなることを
特徴とする、特許請求の範囲第2項記載のパルス幅変調
型パワーアンプの復調フィルタ。
3. The contents of the band elimination filters for the fundamental wave and the harmonics are set to the same value, and the values of the respective inductances forming the parallel resonance circuit are made different from those of the band elimination filter. A pulse width modulation type power amplifier demodulation filter according to the second item.
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