JPH09130160A

JPH09130160A - アナログ信号増幅装置及びオーディオ信号増幅装置

Info

Publication number: JPH09130160A
Application number: JP16584696A
Authority: JP
Inventors: Chikashi Yoshida; 史吉田; Yoshimichi Maejima; 吉道前島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】同一の供給電源電圧で異なる最大出力電力値
の信号増幅装置を提供すると共に、最大出力電力値が小
さいほど電力損失を小さくし、放熱器を小さくできるよ
うにする。【解決手段】入力制限回路３は入力端子２を介して信
号源１から供給された入力信号電圧の最大信号電圧値を
制限する。電力増幅回路５は入力制限回路３を通過した
信号電圧を、例えばＰＷＭ変調により該信号を低周波成
分に含むスイッチング信号に変換した後、該変調出力を
Ｄクラス増幅により電力増幅する。音声信号復調回路６
は、電力増幅回路５の出力信号に含まれるスイッチング
周波数を除去し、元の信号源の信号と相似の信号に復調
する。音声信号復調回路６からの復調信号は、スピーカ
再生装置７に供給され、該スピーカ再生装置７を駆動す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オーディオ信号等
のアナログ信号を増幅するアナログ信号増幅装置、及び
入力オーディオ信号を増幅してスピーカ再生装置に供給
するオーディオ信号増幅装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、音声信号の増幅に用いられるオー
ディオ信号増幅装置は、その電力増幅段の動作状態によ
り大別してＡクラス増幅器、Ｂクラス増幅器、ＡＢクラ
ス増幅器の３種類が存在している。それ以外の方式の増
幅器が用いられる比率は、前述の増幅器に対して非常に
少ない割合に留まっている。

【０００３】そして、これらＡクラス増幅器、Ｂクラス
増幅器、ＡＢクラス増幅器の電力増幅段の最終構成とし
ては、ほとんどの場合プッシュ・プル・エミッタ・ホロ
ワが用いられる。

【０００４】このプッシュ・プル・エミッタ・ホロワ
は、通常、極性の異なる２個を一組とするパワーデバイ
スで構成されており、パワーデバイスがパワートランジ
スタの場合には、ＮＰＮ型パワートランジスタとＰＮＰ
型パワートランジスタとを一組として構成されている。

【０００５】上記Ａクラス増幅器、Ｂクラス増幅器、Ａ
Ｂクラス増幅器についてそれぞれ簡単に説明すると、Ａ
クラス増幅器とは、上記２個のパワートランジスタがそ
れぞれ常に活性状態で動作するものであり、Ｂクラス増
幅器とは、上記２個のパワートランジスタの内の一方が
活性状態にあるとき他方が常に遮断領域にあるように動
作するものである。また、ＡＢクラス増幅器とは、上記
Ａクラス増幅器とＢクラス増幅器の中間的な動作をする
ものであり、一方のパワートランジスタが活性領域にあ
るとき他方のパワートランジスタは活性領域又は遮断領
域にあるように動作するものである。

【０００６】ここで、上記プッシュ・プル・エミッタ・
ホロワに着目すると、これを構成する通常２個を一組と
するパワーデバイスは、供給電源と負荷であるスピーカ
再生装置との間に直列に接続されている。つまりパワー
デバイスの一例としてパワートランジスタを使用する
と、供給電源→パワートランジスタのコレクタ端子→パ
ワートランジスタのエミッタ端子→スピーカ再生装置→
供給電源（グランド）といった経路で電流が流れる構成
である。

【０００７】この構成の意味するところは、供給電源電
圧値を、パワートランジスタのコレクタ端子−エミッタ
端子間にかかる電圧と、負荷であるスピーカ再生装置に
かかる電圧とに分圧していることに他ならない。つま
り、負荷であるところのスピーカ再生装置に供給される
電流は、必ず一旦パワートランジスタのコレクタ端子−
エミッタ端子間を通過し、この端子間には上述した電圧
がかかっているので、このパワートランジスタ内部では
電力を消費している。そしてこの電力は負荷であるスピ
ーカ再生装置には供給されないので電力損失となり、パ
ワートランジスタ内部のＰＮ接合において熱を発生する
結果となる。このパワートランジスタ内部で消費される
電力損失Ｐ_d とするとき、Ａクラス増幅器、Ｂクラス増
幅器、ＡＢクラス増幅器の内、最も損失の少ないＢクラ
ス増幅器の電力損失Ｐ_d は、供給電源電圧値±Ｖ_CC、出
力電圧の振幅値Ｖ_OUT 、負荷の値Ｒ_L を用いて、次の関
係式で近似される。

【０００８】

【数１】

【０００９】この関係式によって明らかなように、電力
損失Ｐ_d は供給電源電圧値Ｖ_CCに依存する値であり、出
力電圧の振幅値Ｖ_OUT 及び負荷の値Ｒ_L を一定に保つ
と、一般的に供給電源電圧値が高いほど電力損失Ｐ_d の
値も大きくなる。これはＡクラス増幅器、ＡＢクラス増
幅器ともに共通して言える事柄である。

【００１０】一方、音声信号の増幅に用いられるオーデ
ィオ信号増幅装置の最大出力電力値をＷ_MAX とおくと、
Ｗ_MAX はその動作クラスとは無関係に、

【００１１】

【数２】

【００１２】という関係式で近似される。この関係式の
意味するところは、オーディオ信号増幅装置の最大出力
電力値Ｗ_MAX は、負荷の値Ｒ_L を一定に保つと、供給電
源電圧値Ｖ_CCにのみ依存する値である、ということにな
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、今日、主に
製品の生産コスト・ダウンを目指し、色々な製品での使
用部品・構成の標準化が叫ばれている。その流れの中
で、オーディオ信号増幅装置及びその供給電源の標準化
が急務となっている。

【００１４】そして、オーディオ信号増幅装置及びその
供給電源の標準化を進めていく上で現在最も問題となっ
ていることが、先に上げた供給電源電圧値とオーディオ
信号増幅装置の最大出力電力値、及び電力増幅段で生じ
る電力損失との関係である。

【００１５】今、オーディオ信号増幅装置及びその供給
電源の標準化が進み、同一の供給電源電圧値で異なる最
大出力電力値を有するオーディオ信号増幅装置が求めら
れたとする。

【００１６】通常のオーディオ信号増幅装置の場合、電
力増幅段で生じる電力損失のため発生する温度上昇を抑
制するために、電力を増幅するパワーデバイスに放熱器
を取り付けることが一般的であるが、ここで設計者が第
１に期待することは、最大出力電力値の小さなオーディ
オ信号増幅装置にはより小さな放熱器を取り付けたいと
いう事柄である。また反対に、製品のサイズ等の制限に
より、大きな放熱器を取り付けることが不可能なため、
あるいは供給電源の出力電流が充分に大きくとれないた
めに、オーディオ信号増幅装置の最大出力電力値を制限
したいというような事態も考えられる。

【００１７】ここで、上述したように同一の供給電源電
圧値Ｖ_CCで異なる最大出力電力値を有するオーディオ信
号増幅装置を実現する一つの方法として、オーディオ信
号増幅装置の仕上がり利得を考慮した上で、オーディオ
信号増幅装置に入力される信号電圧の最大値を制限する
ことが考えられる。この場合、オーディオ信号増幅装置
の出力電圧は、（入力信号電圧）×（オーディオ信号増幅装置の仕上が
り利得）で表されるので、オーディオ信号増幅装置に入力される
信号電圧の最大値を制限するとオーディオ信号増幅装置
の最大出力電圧値も制限される。

【００１８】ところが、前述のようにパワートランジス
タ内部で消費される電力Ｐ_d は供給電源電圧値Ｖ_CCによ
り大きく左右されるので、例え最大出力電力値が最大入
力電圧値を規定することにより制限されたとしても、電
力増幅を行うパワートランジスタ内部で消費される電力
Ｐ_d の値は本来の最大出力電力値を有するオーディオ信
号増幅装置と比較してほとんど変化しないということに
なる。よって放熱器の大きさも本来の最大出力電力値を
有するオーディオ信号増幅装置と同等な物が必要不可欠
となり、これでは入力される信号の最大電圧値を制限し
た意味が全く無くなってしまう。

【００１９】また、供給電源電圧値Ｖ_CCを一定に保って
最大出力電力値を制限する別の方法としては、予め最大
入力電圧の大きさを予想しておき、その大きさにあわせ
てオーディオ信号増幅装置の仕上がり利得を設定すると
いう方法も考えられる。しかしながら、この方法でも、
パワートランジスタ内部で消費される電力Ｐ_d の値を、
本来の最大出力電力値を有するオーディオ信号増幅装置
のパワートランジスタ内部で消費される電力Ｐ_d と比べ
て小さくすることは不可能である。

【００２０】結論として、負荷であるスピーカー再生装
置を決定した場合、現在一般に使用されているＡクラス
増幅器、Ｂクラス増幅器、ＡＢクラス増幅器で最大出力
電力値を制限し、かつ電力増幅段での電力損失を減少さ
せ、放熱器をも小さくする方法としては、このオーディ
オ信号増幅装置に供給する供給電源電圧を下げる以外に
ないということである。

【００２１】また、オーディオ信号増幅装置以外にも、
ビデオ信号や計測器のセンサ信号等の種々のアナログ信
号についても、信号増幅装置の供給電源を標準化しよう
とする場合には同様な問題が生ずることになる。

【００２２】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、供給電源電圧値を一定にして標準化を図りなが
らも、最大出力電力値を可変とし、電力損失の制限作用
により放熱器を小さくできるようなアナログ信号増幅装
置及びオーディオ信号増幅装置の提供を目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアナログ信
号増幅装置は、入力アナログ信号の最大信号電圧値を制
限する入力制限手段と、上記入力制限手段から出力され
た信号を低周波成分に含むスイッチング信号に変換し電
力増幅して出力する電力増幅手段とを有することにより
上述した課題を解決する。

【００２４】また、本発明に係るオーディオ信号増幅装
置は、入力オーディオ信号を増幅してスピーカ再生装置
に供給するオーディオ信号増幅装置において、上記入力
オーディオ信号の最大信号電圧値を制限する入力制限手
段と、上記入力制限手段から出力された信号電圧を時間
軸方向の情報に変換してから電力として増幅して出力す
る電圧／電力増幅手段とを有することにより上述した課
題を解決する。

【００２５】ここで、アナログ信号増幅装置は、入力制
限手段により入力アナログ信号の最大電圧値を制限し、
その出力を電力増幅手段に送って入力信号が低周波成分
となるようなスイッチング信号に変換した後電力増幅す
る。

【００２６】また、オーディオ信号増幅装置は、入力制
限手段により入力オーディオ信号の最大電圧値を制限
し、その出力を電力増幅手段に送って時間軸方向の情報
に変換してから電力として増幅して出力する。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るオーディオ信
号増幅装置の実施の形態について図面を参照しながら説
明する。

【００２８】本発明の実施の形態となるオーディオ信号
増幅装置は、図１に示すように、信号源１から供給され
る電圧変化の形の入力オーディオ信号を入力端子２を介
して受け取り、入力制限回路３で電圧値を制限し、電力
増幅回路５を用いて電力増幅してスピーカ再生装置７に
供給するオーディオ信号増幅装置である。ここで、電力
増幅回路５は、入力制限回路３からの信号が低周波成分
となるようなスイッチング信号に変換し電力増幅して出
力するものであり、例えば、入力信号電圧の振幅情報を
パルス幅変調（ＰＷＭ）等にて一旦時間軸方向の情報に
変換することにより、オーディオ信号増幅装置への供給
電源電圧値に対して無相関とした後、電力増幅のための
スイッチング回路であるいわゆるＤクラス増幅部に供給
して電力増幅するものである。

【００２９】以下、各部の構成及び動作を詳細に説明す
る。入力端子２を介して信号源１から供給された入力信
号電圧は、入力制限回路３に供給される。この入力制限
回路３は、オーディオ信号増幅装置の最大出力電力値の
制限に応じて入力電圧値を制限するものであり、電圧制
限された出力は、電力増幅回路５に送られる。

【００３０】入力制限回路３は、例えば図２に示すよう
に、減衰部３１とリミッタ部３２とを有して成ってい
る。減衰部３１は、入力信号電圧設定回路４によりコン
トロールされる回路であり、ここから供給される信号に
応じて入力信号電圧の振幅をコントロールする。減衰部
３１から出力された信号電圧は、リミッタ部３２に送ら
れ、このリミッタ部３２で上記信号電圧の最大信号電圧
値を決定する。すなわち、この入力制限回路３は、この
実施の形態となるオーディオ信号増幅装置の最終的な最
大出力電圧値を決定する。

【００３１】このオーディオ信号増幅装置の最終的な最
大出力電圧値Ｖ_MAX は、入力制限回路３を通過できる最
大信号電圧値をＶ_INMAX 、該オーディオ信号増幅装置の
仕上がり利得をＡ_G とすると、

【００３２】

【数３】

【００３３】となる。ここで、入力制限回路３を通過す
る最大信号電圧値は、上述したように入力制限回路３内
のリミッタ部３２により設定される。この入力制限回路
３内のリミッタ部３２による入力制限回路３の最大信号
電圧値の設定は、（設計したいオーディオ信号増幅装置
の最大出力電圧値）／Ａ_Gという関係に基づいて行われ
る。

【００３４】入力制限回路３の減衰部３１としては、例
えば電子ボリューム等のような可変減衰器が用いられ、
この減衰量を入力信号電圧値設定回路４により変化させ
るようにすればよい。また、リミッタ部３２としては、
例えばダイオードリミッタ等の通常のリミッタ回路や、
ＶＣＡ（可変利得アンプ）等によるレベル圧縮を利用し
たソフトリミッタ回路等が使用できる。増幅装置の最大
出力電力を異ならせる場合には、リミッタ部３２を異な
るリミット電圧のものと交換したり、リミット電圧があ
る程度調整できるリミッタ回路を用いてリミット電圧を
変化させるようにすればよい。

【００３５】次に、図１の電力増幅回路５は、入力制限
回路３を通過した信号電圧にＰＷＭ変調を施して、該信
号電圧の振幅情報を時間軸方向の情報に変換し、いわゆ
るＤクラス増幅により電力増幅を行う。このＤクラス増
幅器は、パワートランジスタをオン・オフさせるような
２値的な動作により電源電力をスイッチング制御し、Ｐ
ＷＭ変調された電力信号を出力するものである。電力能
率の最大値は１００％であり、トランジスタの消費電力
を極端に小さくできる。

【００３６】図３は、上記電力増幅回路５の具体的な構
成の一例を示し、図４は、図３の各部信号波形を示して
いる。図３において、加算積分回路５１には、例えば図
４のＡに示すような上記入力制限回路３からの出力電圧
が、入力端子５０を介して供給されている。加算積分回
路５１には、方形波発生回路５３から、例えば図４のＢ
に示すようなデューティ５０％の方形波が供給されてい
る。これらの信号が加算積分回路５１で加算され、積分
されることにより、図４のＣに示すような波形の信号が
得られ、比較器５４に送られる。この図４のＣの波形
は、三角波に上記図４のＡの波形と同様な破線に示す波
形の信号が重畳されたものであり、比較器５４で０レベ
ルと比較されることにより、図４のＤに示すような矩形
波信号が得られる。この矩形波信号は低周波成分に上記
図４のＡの信号を含んでおり、この矩形波信号を、いわ
ゆるＤクラス増幅器５５で増幅して、ほぼ電源電圧の振
幅を有する矩形波信号とし、出力端子５６より取り出し
ている。

【００３７】出力端子５６より取り出された出力信号
は、図１の電力増幅回路５の出力として、音声信号復調
回路６に供給される。

【００３８】図１の音声信号復調回路６は、電力増幅回
路５の出力信号に含まれるスイッチング周波数を除去
し、元の信号源の信号と相似の信号に復調する。そし
て、音声信号復調回路６からの復調信号は、スピーカ再
生装置７に供給され、該スピーカ再生装置７を駆動す
る。

【００３９】音声信号復調回路６は、ローパスフィルタ
からなり電力増幅回路５の出力信号に含まれるスイッチ
ング周波数を除去し、元の信号源の信号と相似の信号に
復調する。この復調信号は、スピーカ再生装置７に供給
され、該スピーカ再生装置７を駆動する。

【００４０】通常、オーディオ信号増幅装置に関する電
力損失による発熱は、電力増幅段により生じるものであ
るが、ここでは入力信号電圧の情報すべてが時間軸方向
の情報に変調されているので、電力増幅段である電力増
幅回路５にかかる供給電源電圧値は、このオーディオ信
号増幅装置に関する電力損失とは無関係となる。

【００４１】このオーディオ信号増幅装置における電力
損失Ｐ_Ddは、電力増幅回路５のＤクラス増幅部のパワー
トランジスタのサチュレーション（飽和）電圧をＶ
_SAT 、出力電流をＩ_OUT 、Ｄクラス増幅部の基本スイッ
チング周期をＴとし、Ｄクラス増幅部の基本スイッチン
グ波形（方形波）の立ち上がり時間ｔ_r 、立ち下がり時
間ｔ_f は充分短いとすると、

【００４２】

【数４】

【００４３】という関係式で近似され、Ｖ_SAT ＝一定、
とすると、出力電流により一義的に決定される。

【００４４】したがって、入力信号電圧値を制限するこ
とは負荷であるところのスピーカ再生装置７に音声信号
復調回路６を介して供給される出力電流を制限すること
と同じこととなるので、同時に電力増幅段における電力
損失をも制限することになり、結果的に供給電源電圧値
を変化させずに最大出力電力値を可変し、電力損失の制
限作用により放熱器を小さくすることが可能となる。

【００４５】以上より、このオーディオ信号増幅装置
は、電力増幅回路５で入力信号電圧の有する振幅情報を
一旦時間軸方向の情報に変換し、電力増幅段の電力増幅
回路５への供給電源電圧値と無相関としているので、結
果的に供給電源電圧値を変化させずに最大出力電力値を
可変し、電力損失の制限作用により放熱器の体積を必要
最小限に小さくすることが可能となる。

【００４６】なお、本発明は、上述した実施の形態のみ
に限定されるものではなく、例えば、入力アナログ信号
は、オーディオ信号のみならず、ビデオ信号や測定装置
のセンサ信号等のような種々のアナログ信号でパワー増
幅を必要とされる信号を用いることができる。また、電
力増幅回路におけるＰＷＭ（パルス幅変調）の代わり
に、ＰＰＭ（パルス位相変調）やＰＮＭ（パルス数変
調）、あるいはΔΣ変調などのように、低周波成分に元
のアナログ信号を含むようなスイッチング信号に変換す
るものを用いることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明に係るアナログ信号増幅装置は、
入力アナログ信号の最大信号電圧値を制限する入力制限
手段と、上記入力制限手段から出力された信号を低周波
成分に含むスイッチング信号に変換し電力増幅して出力
する電力増幅手段とを有して成ることにより、供給電源
電圧値を一定にしながらも最大出力電力を可変でき、か
つ電力損失が少なくでき、放熱器等をそれぞれの最大出
力電力に応じたものとすることができる。

【００４８】また、本発明に係るオーディオ信号増幅装
置は、上述した効果に加えて、スピーカ再生装置への最
大出力電力値を可変とするので、電力損失の制限作用に
より放熱器を小さくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態となるオーディオ信号増幅
装置の概略構成を示すブロック図である。

【図２】図１のオーディオ信号増幅装置に用いられる入
力制限回路３の一例の概略構成を示すブロック図であ
る。

【図３】図１のオーディオ信号増幅装置に用いられる電
力増幅回路５の一例の概略構成を示すブロック図であ
る。

【図４】図３の回路の動作を説明するための波形図であ
る。

【符号の説明】

３入力制限回路、４入力信号電圧値設定回路、
５電力増幅回路、６音声信号復調回路、７スピ
ーカ再生装置、５２加算積分回路、５３方形波
発生回路、５４比較器、５５Ｄクラス増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力アナログ信号の最大信号電圧値を制
限する入力制限手段と、上記入力制限手段から出力された信号を低周波成分に含
むスイッチング信号に変換し電力増幅して出力する電力
増幅手段とを有して成ることを特徴とするアナログ信号
増幅装置。
【請求項２】上記電力増幅手段の出力から上記低周波
成分を取り出す復調手段を備えることを特徴とする請求
項１記載のアナログ信号増幅装置。
【請求項３】上記電力増幅手段は、供給電源電圧値が
一定とされることを特徴とする請求項１記載のアナログ
信号増幅装置。
【請求項４】上記電力増幅手段は、入力信号をパルス
幅変調して電力増幅することを特徴とする請求項１記載
のアナログ信号増幅装置。
【請求項５】入力オーディオ信号を増幅してスピーカ
再生装置に供給するオーディオ信号増幅装置において、上記入力オーディオ信号の最大信号電圧値を制限する入
力制限手段と、上記入力制限手段から出力された信号電圧を時間軸方向
の情報に変換してから電力として増幅して出力する電圧
／電力増幅手段とを備えることを特徴とするオーディオ
信号増幅装置。
【請求項６】上記電力増幅手段の出力を復調する復調
手段を備えることを特徴とする請求項５記載のオーディ
オ信号増幅装置。
【請求項７】上記電圧／電力増幅手段は、供給電源電
圧値が一定とされることを特徴とする請求項５記載のオ
ーディオ信号増幅装置。
【請求項８】上記電圧／電力増幅手段は、上記信号電
圧の振幅情報をパルス幅変調により時間軸方向の情報に
変換してから電力として増幅して出力することを特徴と
する請求項５記載のオーディオ信号増幅装置。