JPS5831606A - 電力増幅回路の保護回路 - 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】 本発明はオーディオ用電力増幅回路の保１１回路に関す
るものである。

オーディオ用の増幅回路としては、従来よりム級増幅回
路、Ｂ級増幅回路などが知られており。

実用に供さｎている増幅器のほとんどはとのいずｆ′Ｌ
ｖｈの方式をとる。このうち、出力が数１０〜数１００
Ｗの−のはいわゆる電力増幅器（パワーアンプ）と称さ
れるものであって、同様にム級、Ｂ級が用いられるが、
一般には効率の点からにＢ級が又歪率等音響特性を重視
する場合にはＡ級がそれぞれ採用されることが多い、こ
几ら増幅回路方式の電力効率（ηＡ）（ηＢ）に、正弦
波信号について電源電圧を（±Ｖａ　）、信号振幅′ｆ
：（ＶＯ）とすれば。

それぞれ次式で示される。

得られるのは共に信号振幅（’Ｖｏ）が電源電圧に等し
くなる時、即ち最大出力時であって、それぞれ入数にあ
ってはη入（ｍａｌ）＝５０１Ｇ、Ｂ級ではηＢ（鳳ａ
Ｘ）＝７８．５−となる・効率の点３ｈら框パルス幅変
調（ＰＷＭ：Ｐｕ１ｓｅ　Ｗｉｔｌｔｈ　Ｍｏｄｕｒａ
ｔｉｏｎ）方式のいわゆるＤ数層幅回路が公知である・
これに負荷に対し電源を高速でスイッチングして供給し
、このスイッチングのデエーテイ（０１時間と０７７時
間の比率）ｔ−信号に比例させることｒｃ工って負荷に
加わる平均的な電力をコントロールする４のである。電
力制御素子は理論的には導通又は遮断の状態しかないの
で、この部分の発熱即ち損失に無く、きわめて高い効率
が得られる亭が知られているが１反面スイッチングパル
ス波形の歪による高調波歪が現状では多く、実用に供さ
れている例は少ない。

（１）式及び（２）式で示されるＡ級およびＢ数層幅回
路の理論効率白線、更にＤ数層幅器の実測効率曲線の例
ｔ−ｊｌＫ１図に示す・ さて、このようなム級、Ｂ級増幅器の最大出力に、電源
電圧（■ｃ）と負荷抵抗（６）によって定まるが、勿論
常時最大出力で使用されることばない・音東信号の平均
パワーエネルギーに最大パワー（ピーク値）の１／８〜
１／１０である事が苅られているー従って（１）又は（
２）式から示されるように、これら増幅器の実質的な効
率はきわめて悪い・例えｔｆＲ＝８Ωのスピーカに対し
最大１００Ｗの出力が可能な増幅Ｓ！に於て、１０Ｗ１
に出力した時の効率は、Ｂ級増幅器で（２）式より この時、出力電力ｔ−（ｐｏ）、入力電力ｔ（Ｐｉ）と
すると、損失電力（ｐｔ−ｖｏ）は であり、こｒｔに実に無駄な事であると言わねばならな
い、これに、最大パワーを供給する大めに必要な電源電
圧に対し、冥際に出力する信号の振幅に小さいので、こ
の差の分が出力段素子に於ける電圧降下として損失にな
る為である・これが着しｔ電源電圧が常に出力信号振幅
のピークに維持さ１するならば、効率は７　Ｂ、５　％
で、損失電力に１０×（０，７８５−１）＝２．７Ｗで
済む・このような点を考慮して１本願出願人は先に特願
昭５５−６７２７６号を出願した。即ち、増幅器の出力
にあわせて電源電圧を出力信号振＠に制御シ、出力段素
子に論ける電圧降下を必要最小限にとどめて、この部分
で発生する損失を減少させ。

増幅器全体の効率を改善する増幅器を提案した。

罠に詳説すると、増幅器の出力段を含む電力増幅部の電
源を可変電圧電源とし、出力信号振幅の包絡変化、即ち
信号エンベロープにあわせてとｎｔ制却する・また可変
電圧電源の側副信号に、出力信号ｔ％Ｋ　してこｆＬ′
を得る。

この整流回路の応答速度を定めるａｉｌＦ定数のうち立
上り時間（アタックタイム）を定める立上り時定数に当
然充分小さく、且つこれに応答する可変電圧電源の上昇
速度も可能な限り早めらルるが。

尚かつ出力信号の急激な上昇に追随不可能な時には、別
途設けらｆ′した充分高い電圧の定電圧電源に一時的に
切換える・ここで、前記可変電圧電源は全電圧制御範囲
にわたって高効率が維持されなければならず、従って、
＄かる電１［置として特にパルス幅ｆａｔ方式のスイッ
チング環ＩＩ（以後ＰＷＭ電源と略記する）を採用して
、こｆＬｔ−実現している◎以下ｌ［２図にもとすきこ
の種増幅器の具体的内容を詳述する。

落２図はこの種増幅器の原理を説明するブロック図であ
る。即ち、入力端子１１１に入力した信号にＡ級又ｉＢ
級の電圧増＠回路１２１　Ｋて増幅されると同時に入力
信号を整流する整流回路（３）を経てＰＷＭｔ１１１！
回路＋４１に入力する・該ＰＷＭ増幅回路（４）の出力
に電圧増幅回路（２）に縦続する電力増幅回路（５）の
電源として図示の如くダイオ−）’（６）を介して接続
する・一方別途設けらｆＬπ定電圧電源（７１にトラン
ジスタ（８）を介して電力増幅回路（５１Ｋ：電力？供
給するが、該トランジスタ（８）ハ図示の通り電圧増幅
回路（２）側にレールシフト回路（９１ｔ−介してその
ベースが接続さするエミッタホロワ型である為、ベース
電位がエミッタ電位即ちＩ’ＷＭ増幅回路（４）の出力
電圧よりも低いｌｉｉ？Ｈ逆バイアスさ几、カットオフ
状■となっている・この場合、電圧増幅回路（６）の電
源は前記ＰＷＭ増幅回路１４）により与えられる・電圧
増＠回路１２）の出力信号に一定の直施分を付加し穴前
記トツンジスタ（８）のベース電位がＰＷＭ増ＩＮ＆−
１１（４）のめ力を越えると、トランジスタ（８１にエ
ミッタホロワ接続として能動状ｌＩ＃ＩＣ入ａ、ａａ電
源（７）より電源を受けて電力増幅回路（５）を略ベー
ス電位に付勢する＠この時ダイオード（６）に逆バイア
ス状態となって、電流がＰＷＭ増幅回路（４）側に逆流
するのを防止する・尚特ハ出力端子である。

また、整流回路１３）の入力は電圧増幅回路（２）、ま
たは出力端子αＯより供給される場合もある。

上述の如く構成した場合、電像電圧が増幅器の出力信号
振幅に制卸されるため、出力段素子での電圧降下を必要
最小限にとどめ、この部分で発生する損失を着しく減少
さぜることかできる・一般に出力段での損失によって発
生する熱を放散するための放熱器の容量に、前述の音楽
信号の平均パワーを供給する時の熱損失に対して充分な
だけのものが使用されており、実用上これで充分でＴｏ
る。

従って、小出力時においても高効率であるこの種電源電
圧が制卸される電力増幅器の場合１通常の電力増幅器に
比較して放熱器を大幅に小型化できる・ さて、この種増幅器の使用時に於いて出力増幅器（６）
とスピーカーとの接続時のミスなどによる出力短絡或は
、電圧増幅回路優）の出力段が何らかの原因により短絡
した場合、更にｔた。増幅器の出力及び電力増幅Ｉｇｌ
Ｗ＆の出力段（５）が正常動作しているに％＞１０＆わ
らずＰＷＭ電源の出力端子が短絡した場合、過電流が電
力増幅回路の出力段或はｐｗＭｔ源の出力段ｒｃｍれ、
出力段が破壊されてしまうという問題が生じる・ 本発明はこのエラな問題点を解決できる保護回ｗＩｖｃ
ｗ４するｔのであり、特にＦＷ輩電源の出力段の過電眞
ｔ−検出することにより、”ＰＷＭ電源及び定電圧電源
から電力増幅回路（５）への電源供給を停止させて電力
増幅回路の出力段及びＦＷ輩電源の出力＊１保護するこ
とを可能にするものであり。

信ｌＩ性の高い小型軽量の電力増幅器を提供するもので
ある・ 本発明の内容について以下３５図とともに説明する。ａ
ｔＳ図に於いて、（２）は定電圧電源、（図示せず）の
電源端子（７１）と（７２）から直流電源が供給される
電圧増幅回路であり、プリテンプ（図示せず）からの信
号を入力端子（１）に受け、その出力側にｒＣＰ　Ｎ　
ＰとＭＰＨの出力トランジスタ（５１）と（５２）の相
補接続エリなるエミッタホロワ型の電力増幅回路（５）
を備え、出力端子鰻重９負荷傾を制卸するｃｌｆＰかる
構成の電力増幅回路（５）の電力的損失框、出力トラン
ジスタ（５１）及び（５２）　Ｉｃ於ける電圧降下と′
ｔｔＩＬの積として表わされることば前述の通りである
。この電圧降下を必要最小限とする為のｅ’ＴＫ電圧電
源【ダイオード（６１）及び（，６２）ｔ−介してＰＷ
Ｍ増＠増結回路１の正負電源出力端子（４０１）及び（
４０２）工９受ける。該？ＷＭｔｌｌｌ＠回路（４）は
三角［’！＋？発生する三角波発生回路（４０３）と、
該三角波出力と前記電圧増幅回路（２）の出力信号のビ
ーク包絡を検出する全波整流口Ｗ＆（ロ）の出力信号と
ｔ比較し且つ該整流信号に比例したデユーティ比のパル
ス幅器ｍ［号【発生する比較器（４０７）と、該パルス
幅ｆｌｌｌｌ信号九より結合コンデンサ（４０８）　ｔ
−介してスイッチングされると共に抵抗（４０９）、　
（４１０）ｔ−各バイアス抵抗とするスイッチング・ト
ランジスタ（４１１）と、同じく反転増幅器（４１２）
および結合コンデンサ（４１５）　ｔ−介してスイツチ
ングされると共に抵抗（４１４）（４１５１各バイアス
抵抗とするスイッチング・トランジスタ（４１６）と、
前記両トランジスタに各縦続するインダクタンス（４１
７）およびコンデンサ（４１８）よす成る正電源のフィ
ルタ（４１９）と、インダクタンス（４２０）およびコ
ンデンサ（４２１）より成る負電源側のフィルタ（４２
２）とより構成される。前記各トランジスタ（４１１）
（４１６）にに各縦続するインダクタンス（４１７）戚
いＨ（４２０）　ｔＩｈら発生する逆方向電流ｔｔｍす
るダイオード（４２３）及び（４２４）がそれぞｆＬ便
ａされている。この構成により、前記整流信号に比例し
たデユーティ比のパルス＠変調信号によりスイッチング
トランジスタ（４１１）及び（４１６）に前記定電圧電
源の端子（７１）及び（７２）からの電源電力【スイッ
チング制約して、端子（４０１）及び（４０２）１ｍ前
記整流信号に比例して電圧増幅回路（２）の出力信号の
エンベシープに略等し一電圧を供給する・罠に厳密＃Ｃ
は端子（４０１）或いは（４０２）に供給される可変電
源電圧は出力トランジスタ（５１）又は（５２）の飽和
電圧、およびダイオード（６１）又ｒ！（６２）の電圧
降下の分だけ出力包絡信号を越えなければならず、この
為に抵抗（４０５）（４０６）より成る直流バイアス回
路が、前記三角波発生回路（４０５）とコンデンサ（４
０４）により結合される比較！　（４０７）の入力側に
図示の如く接続される。

このようＩ／ｃｌｌ成さ′ｒＬ、たＰＷＭ増幅回路唖；
に付勢される電力増幅回路用）の出力トランジスタ（５
１）戚いに（５２）［於ける電圧降下に出方信号の包絡
変化があっても、常時最小なレベルに維持される。

さて、かかるＰＷＭ［源の周波数応答特性は。

三角波発生回路（４０３）の発振周波数が余波整Ｒ回路
６１の出力信号周波数に比較して充分高く、かつ比較器
（４０７）、スイッチングトランジスタ（４１１）及び
（４１６）が理想的なスイッチングパルスヲ発生させる
ならば、はぼフィルタ回路（４１９）又に（４２２）の
遮断特性によって′ｊｉ！まる・前記発振周披数框具体
的に：框変調信号の１０倍以上とさ′ｒＬ、例えば変調
信号周波数が２０ＫＨｇならば、２００ＫＨｚ〜５００
ＫＨｚとなる・このような高速度のスイッチング素子は
現状では非常に高価であることが知られている。又高周
波スイッチングに伴なう不惑ｌ！な周波数成分が出力端
子（４０１）或いは（４０２）を経て増幅回路側に漏ｆ
Ｌないよう減衰特性の急峻な、従って次数の高いフィル
タが要求ｇｎる・一方増幅信号が音楽信号（オーディオ
信号）の場合、このパワースペクトルｔＸ１ＫＨｔｘ以
下に大部分のエネルギーが集中している事が知られてい
る・このような特徴ｔ−考鷹して、この実蔦例ではＰＷ
Ｍ増輻回路１４）の周波数特性ｔＩ　ＫＨｔｓ程度にと
どめている・この周波数特性を越える信号でカ為つ端子
（４０１）及び（４０２）に与えられるｌｉＰＷＭ回路
出力電圧よりも大きな振＠を有する信号の為に準備され
る回路について次に説明する・電圧層＠回路（２１の出
力端には、余波整Ｒ回路−と共にダイオード（９３）、
（９４）・・−・・（９８）と抵抗（９１）、　（９２
）との直列ＷａＸり成るレベルシフト回路が図示の如＜
ａｍされ、かつダイ、オード回路の両端にはトランジス
タ（８，１）及び（８２）の各ベースーＪｂＸ！ｌ！絖
されている・これらトランジスタ（８１）（８２）のエ
ミッタは電力増幅回路側に又コレクタは前記定電圧電源
側にそ几ぞｎ接続されているので、ベース電位が前記Ｐ
ＷＭ増幅回路（４）により与えらｎる出力トランジスタ
（５１）及び（５２）の各コレクタ電位を越えなけｎば
逆バイアス状態となってカットオフさｒｔ、越えるに従
ってエミッタホロワとして能動し、電力増幅回路（５）
の電１！Ｉ’、ｔ−ＰＷＭ増幅回路（４）より定電圧電
源（図示せず）の側に切換えるのに前述の通りである。

ここで、ダイオード（９３）・・・・・・（９８）、抵
抗（９１）（９２）の直列接続ｊ：りなるバイアス回路
の回路電流に、抵抗（９１）と（９２）の抵抗値が充分
太きく選ばｆ′Ｌｆ′Ｌば電圧増幅回路（２）の出力に
ほとんど影響を与える事になく、仮りにこれがあったと
しても、出力端（１０エリ入力端１１）に適当な負帰還
回路（図示せず）を設ければ補償できる。尚電源切換用
のトランジスタ（８１）及び（８２）框勿論電界効果ト
ランジスタ（ＮＥＴ）でも良く、この場合、ベースをゲ
ートに、エミッタをソースｖｃ％コレクタｔドレインに
各対応するソースホロワ接続となる。

ダイオードバイアス回路のダイオードの直列接続個数で
決まるバイアス電圧は、各トランジスタ（８１）又は（
８２）のベースに、電圧増幅回路（２）の出力信号レベ
ルより一定レベルだけ高い（負振幅の場合には低ｈ）電
圧を与えて、出力信号の信号レヘル＃ＩＰＷＭ増幅回路
（４１によって与えられる電源電圧を越える以前に速や
ｔＰ＃Ｃトランジスタ（８１）又は（８２）を能動させ
るものである。又１図に於て各トランジスタ（８１）又
は（８２”）のベースに接続されているダイオード（８
３）又は（８４）は、これらトランジスタが逆バイアス
される時各ベースと工電ツタ間の逆耐圧破壊から保護す
るものである・ 次に過電流検出回路Ｉと、スイッチより成る直流電源電
圧制御回路１Ｂ、　（１３，ａ４１．　ａ９及ヒ（１１
１）＋２）動作につ−て説明する・何らかの原因１例え
と出力端子−と負荷恨−との接続イスによる出力短絡或
いに、出力トランジスタ（５１）（５２）の異常動作に
よる短絡、更にまた。前記２つの原因の他、ＰＷＭ増＠
回路１４）の端子（４０１）（４０２）とダイオード（
６１）（６２）の配線間での短絡、或いはコンデンサ（
４１８）（４２１）、　　ダイオード（４２３）（４２
４）の破壊による短絡などＦＣよりＰＷＭ増幅回路圓の
スイッチングトランジスタ（４１１）あるいｄ　（４１
６）に過電流が流ｎ、該ススイツチングトランジスタ４
１１）。

（４１６）のエミッタと、正あるいは負のだ電圧電源端
子（７１）（７２）との間、に：接続さｆした抵抗（４
５０）及び（４３１）の電圧降下によって（Ａ）点の電
位が下がり、＠）点の電位が上がる。正あるいは負の定
電圧電源端子（７１）（７２）がそれぞれトランジスタ
（５０１）（５０２）のエミッタ＃Ｃ接続されてお０．
１ｇｊ）ランジスタ（５０１）（５０２）のそれぞれの
ベースに前記（Ａ）、（Ｂ）点が接続されているので、
該トランジスタ（５０１）（５０２）が導通し、抵抗（
５０３）、　（５０４）彫（５０５）、（５０６）　Ｋ
よって分圧さｎ７ｙ電圧が発生し。

比較回路（５１１）及び（５１２）Ｋ入力される・該比
較回路（５１１）及び（５１２）は入力さｒｔた電圧と
、抵抗（５０７）（５０８）及び（５０９）（５１０）
　Ｋ：より設定さｆ′Ｌ′ｆｔ電流制限電圧とを比較し
、出力電圧を発生さぜる・即ち該比較回路（５１１）及
び（５１２）Ｋより過電流を検出する・該出力電圧にＯ
Ｒ回路（５１３）と抵抗（５１４）を経て、スイッチン
グトランジスタ（５１５）のベースに印加され、そｎに
エリスイッチングトランジスタ（５１５）及び（５１６
）が導通して、リレーコイル（Ｒｌ　）Ｖｃ電ｗ　カｙ
１　ｎ　４゜該リレーコイル（Ｒ１１＞　［電流がＭＬ
れることにエリ、各スイッチに遅ＩＥＩＩ　Ｌ、テ、　
（ｌａト（１３１Ｈｏ　Ｆ　Ｆ、　’１４１（１！１９
お工び（１１１）［ＯＮ状態となる。スイッチ（１１１
）がＯＮすることによりリレー（５２０）はラッチ状態
とな９．電源スィッチ（図示せず）が０ＦＩＦＩＣなら
ない限り、前記状ＩＩｔ保持する。スイッチ株３がＯＦ
ＦすることにエリＰＷＭ増幅回路１４）のスイッチング
トランジスタ（４１１）および（４１６）のスイッチン
グが停止し。

ＰＷＭ増幅回路（ヅの出力端子（４０１）および（４０
２）から出力トランジスタ（５１）（５２）への電源供
給？停止する。又スイッチＩと回がＯＮすることに工９
トランジスタ（８１）および（８２）の［流バイアスが
なくなり、１！電圧電源からの供給、も停止さぜる・こ
の工うに電源供給を停止させることにより出力トランジ
スタ（５１）（５２）及びＰＷＭ増幅回路（長１のスイ
ッチングトランジスタ（４１１）（４１６）全保護する
。ｔた。スイッチＱ３Ｈ電圧増幅回路（２）を保護する
ためのものである。

尚、コンデンサ（５１Ｂ）と（５１９）は電力増幅器の
電源がＯＮとなった時、トランジスタ（５０１）と（５
０２）が誤動作して過電流検出回路が働くのを防ぐため
のものである・尚まだ、上述においては出力トランジス
タ（５１）（５２）ｔ　Ｐ　Ｗ　Ｍ増幅回路（４）と直
流だ電圧電源から供給する例について説明したが、ＰＷ
Ｍ増幅回路からのみ出力トランジスタの駆動電源を供給
する場合にも本発明を適用できることは言うまでもない
・ このように本発明によれば、過電流の検出を直蒐足電圧
電源からＰＷＭ電源回路への供給電流によって行うこと
により、ＰＷＭ電源の出力段に対する色々の短絡状ｌ１
ｒｃ対して保護回路ｔＳかぜることができる・それ故、
電源電圧が最適に制鈍さｆ′Ｌ７を電力増幅器の低損失
で高効率の特長を生かした小型軽量且つ（Ｋ照性の高い
電力増幅器が得られる・

【図面の簡単な説明】

第１図は増幅器の効率特性を示す図面、Ｊｌｌ！２図は
電源電圧？１ｌｌＪ御することにより高効率會得る電力
増幅器のブロック図、ｊｌ！３図框本発明の電力増幅回
路の保護回路の具体的実ｍ例である。 （１）・・・入力端子、（２１・・・電圧増幅回路、（
３）・・・低域フィルタ、（４）・・・パルス幅増幅回
路％（５１・・・電力増幅回路、（７）・・・定電圧電
源、（９）・・・レベルシフト回路、（１ａ・・・出力
端子、　＋１１１・・・過電流検出回路％１１２＋１Ｍ
４１（１５１・・・直流電、源電圧制御回路、ｕｅ・・
・負荷−ｃ（◇・・・低域フィル″り、（全波整流回路
＞、（５１）（５２）・・・出力トランジスタ、（７１
）（７２３・・・定電圧電源の電源端子。 （８１）（８２）・・・スイッチングトランジスタ％（
ａＯＳ）・・・三角波発生回路、　（４０７）・・・比
較器、（４１１）（４１６）・・・スイッチングトラン
ジスタ、　　（４１９）（４２２）・・・フィルタ、（
９１）（９２）および（９５）（９４）・・・（９８）
・・・レベルシフト回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１電気信号或は咳信号に関連する信号の包絡線電圧
   を発生さぜるための包絡電圧発生回路と。 該回路の出力包絡電圧＃Ｃ応じて出力電圧が変化する可
   変直流電源供給回路と、該回ｗｅｔ駆動さぜる固定直流
   電源と、前記電気信号の電圧増幅回路と、該増＠回路の
   出力信号、前記可変直流電源供給回路の出力電源及び前
   記ｔａ足１［＃Ｉ！電源の出力電源が供給される電力増
   幅回路と、Ｖｋ電力増＠回路の異常動作による過電流を
   検出する過電藏検ｍ１ｉＡ路と。 前記電力増幅回路に供給される直流電源電圧を制−す為
   為のＩ［＃ｌ電源電圧制御回路とｔ備え、前記過電置検
   出口路は前記電力増幅ロ賂の異状動作による過電＃ｌｔ
   前記固定直流電源から前記可ｆｆｉ［ｍ電源供給ｌ路へ
   の供給電流によって検出し、ｌ［検出出力により前記直
   流電源電圧制卿ｎ１ＩｔＩａ−して前記可変ｌ［鷹電源
   供給口路及び前記固定直流電源から前記電力増幅回路へ
   の電源供給を停止することｔ特徴とする電力増幅回路の
   保＠回路。 （２）可変直置電源供給回路にパルス幅変調方式の電源
   供給曲路である特許請求の範囲第１項に記載の電力増１
   １回路の保護回路− （３）包絡電圧発生回路に整流回路からなる特許請求の
   範囲第１項に記載の電力増幅回路の保護回路− （４１１［流電源電圧制ａ回路にリレースイッチ或はス
   イッチングトランジスタである特許請求の範・Ｉ！第１
   項に記載の電力増幅回路の保ｌｌＩｇ回路・優）電力増
   幅回路の直流駆動電源は所だの電気信号より小さい時に
   は可変［置電源供給回路で為ら供給さｆＬ、所定の電気
   信号１り大きい時固足直眞電源から供給される特許請求
   の範囲第１項に記載の電力増幅回路の保護回路。