WO2018074317A1

WO2018074317A1 - 電力増幅器

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Publication number: WO2018074317A1
Application number: PCT/JP2017/036987
Authority: WO
Inventors: 洋平大谷
Original assignee: ヤマハ株式会社
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2018-04-26
Also published as: JP6819690B2; US20190245494A1; JPWO2018074317A1; US10819293B2

Abstract

電力増幅器は、入力信号が与えられる信号入力部と、信号入力部と電気的に絶縁されており、フローティング電源からの電源電圧により信号入力部の出力信号を増幅する出力段と、フローティング電源が発生する電源電圧の基準ノードと基準電位線との間に挿入された基準電位スイッチと、出力段の出力ノードと基準ノードとの間の電圧を差動増幅して信号入力部に帰還させる帰還回路とを有する。

Description

電力増幅器

　この発明は、スピーカ等の負荷を駆動する電力増幅器に関する。

　音響システムでは、必要とされる音量等に応じて、複数の電力増幅器を組み合わせて使用する場合がある。例えば特許文献１に開示された技術では、複数台の電力増幅器を並列接続し、この並列接続された複数台の電力増幅器により共通のスピーカを駆動する。

特表２０１３－５２１６９９号公報

　上述した特許文献１に開示の技術によれば、複数台の電力増幅器を並列接続することにより、１台の電力増幅器が出力可能な電流を越える大きな電流をスピーカに流すことができる。しかしながら、音響システムによっては、スピーカに印加する電圧を大きくしたいという要求が生じる場合があり、特許文献１に開示の技術ではこの要求に応えることができない。ここで、スピーカに印加する電圧を大きくするために、２台の電力増幅器をＢＴＬ（Bridged Transless）接続することが考えられる。しかし、ＢＴＬ接続は、その原理上、電力増幅器の接続台数が２台に限定されるため、スピーカに印加する電圧を１台の電力増幅器の出力電圧の３倍以上に大きくすることができないという問題がある。そこで、スピーカに印加する電圧を増加させるために、複数の電力増幅器の出力段を直列接続することにより、各出力段の出力電圧を加算した電圧を発生してスピーカに印加する構成を採用することが考えられる。しかしながら、従来、この構成を採用することは困難であった。一般に電力増幅器では、歪の少ない増幅動作を実現するため、電力増幅器の出力信号を入力側に負帰還させる帰還回路が設けられる。ここで、複数の電力増幅器の出力段を直列接続した場合、各電力増幅器の出力信号が互いに異なったものとなる。従って、各電力増幅器において適切な帰還動作を行われるように各々の帰還回路を設計することが困難であった。

　この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、複数台の電力増幅器の出力段の直列接続が可能な電力増幅器を提供することを目的としている。

　この発明は、入力信号が与えられる信号入力部と、前記信号入力部と電気的に絶縁されており、フローティング電源からの電源電圧に基づいて、前記信号入力部の出力信号を増幅する出力段と、前記フローティング電源が発生する電源電圧の基準ノードと基準電位線との間に挿入された基準電位スイッチと、前記出力段の駆動対象と前記基準ノードとの間の電圧を差動増幅して前記信号入力部に帰還させる帰還回路とを具備することを特徴とする電力増幅器を提供する。

この発明の一実施形態である電力増幅器の機能構成を示すブロック図である。同電力増幅器の具体的な構成例を示す回路図である。２台の電力増幅部の出力段を直列接続した電力増幅器の構成例を示す回路図である。同電力増幅器の各部の波形を示す波形図である。同電力増幅器の各部の波形を示す波形図である。この発明の他の実施形態である電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。変形例における電力増幅器の構成を示す回路図である。

　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
　図１は、この発明の一実施形態である電力増幅器の機能構成を示すブロック図である。なお、図１では、電力増幅器の構成に関する理解を容易にするため、スピーカ７が電力増幅器とともに図示されている。この電力増幅器は、信号入力部１と、出力段２と、基準電位スイッチ５と、フィルタ６と、帰還回路４とを有する。信号入力部１には、入力端子１３から入力信号Ｖｉｎが与えられる。出力段２は、信号入力部１から電気的に絶縁されており、フローティング電源３からの電源電圧に基づいて信号入力部１の出力信号を増幅する。基準電位スイッチ５は、フローティング電源３が発生する電源電圧の基準ノード３３と基準電位線（図１に示す例では接地線）との間に挿入される。フィルタ６は、出力段２の出力ノード２３およびフローティング電源３の基準ノード３３間の電圧におけるオーディオ帯域の成分を通過させる。帰還回路４は、出力段２の出力ノード２３と基準ノード３３との間の電圧を差動増幅して信号入力部１に帰還信号を供給する。フィルタ６の出力ノードおよび基準ノード３３は、スピーカ７を接続するためのスピーカ端子７１および７２に各々接続されている。この電力増幅器を単独の電力増幅器として動作させる場合、基準電位スイッチ５はＯＮとされる。

　図２は、本実施形態による電力増幅器の具体例である電力増幅器１００の構成を示す回路図である。この電力増幅器１００は、Ｄ級増幅器である。図２には、図１に図示されていない電力増幅器１００の構成要素として、絶縁型ゲートドライバ８が図示されている。

　図２に示すように、信号入力部１は、オペアンプ１１と、コンパレータ１２と、キャパシタ１１１および１１２と、抵抗１１３と、抵抗１１４と、キャパシタ１１５とを有する。オペアンプ１１の非反転入力端には、入力端子１３から入力信号Ｖｉｎが与えられる。このオペアンプ１１の出力端および反転入力端間にはキャパシタ１１２および１１１が直列接続されている。そして、キャパシタ１１１および１１２間のノードは抵抗１１３を介して接地されている。抵抗１１４およびキャパシタ１１５は、オペアンプ１１の反転入力端と接地線との間に直列接続されている。

　ここで、オペアンプ１１、キャパシタ１１１および１１２、ならびに抵抗１１３は、入力信号Ｖｉｎと帰還回路４からの帰還信号との誤差を積分する２次の誤差積分器を構成している。なお、この誤差積分器は、オペアンプ１１の出力端子および反転入力端子間の帰還路に抵抗１１３がなく、キャパシタのみがある１次の誤差積分器であってもよい。また、抵抗１１４は、図２において非反転増幅器の入力抵抗である。キャパシタ１１５は、帰還回路４を介して帰還される信号のうち所望の増幅率で増幅させたい信号(音声信号)と増幅不要のＤＣ成分とを分離するためのものである。

　オペアンプ１１の出力信号はコンパレータ１２の非反転入力端に与えられる。このコンパレータ１２の反転入力端には、図示しない周期波形発生回路が出力する所定周波数のキャリア信号が与えられる。このキャリア信号は例えば三角波信号である。コンパレータ１２は、オペアンプ１１の出力信号とキャリア信号とを比較することにより、オペアンプ１１の出力信号によりパルス幅変調されたＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）パルス列を出力する。

　絶縁型ゲートドライバ８は、信号入力部１と出力段２とを電気的に絶縁した状態で、信号入力部１が出力するＰＷＭパルス列を出力段２に伝達する回路である。この絶縁型ゲートドライバ８としては各種の回路を利用可能である。例えばフォトカプラまたはトランスを利用して、この絶縁型ゲートドライバ８を構成してもよい。あるいは信号入力部１が出力するＰＷＭパルス列により高周波信号をＯＮ／ＯＦＦ－Ｋｅｙｉｎｇ（変調）する変調回路と、絶縁体からなる区間を介してこの変調された高周波信号を受信して復調する復調回路とにより絶縁型ゲートドライバ８を構成してもよい。

　出力段２は、２個のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属－酸化膜－半導体構造の電界効果トランジスタであり、以下、単にトランジスタという）２１および２２により構成されている。これらのＮチャネルトランジスタ２１および２２は、フローティング電源３の正極および負極間に直列に接続されている。そして、Ｎチャネルトランジスタ２１および２２間のノードが出力段２の出力ノード２３となっている。

　絶縁型ゲートドライバ８は、信号入力部１の出力信号が例えばＬレベルである場合に、Ｎチャネルトランジスタ２１をＯＦＦさせる電圧をＮチャネルトランジスタ２１のゲートおよびソース間に出力し、Ｎチャネルトランジスタ２２をＯＮさせる電圧をＮチャネルトランジスタ２２のゲートおよびソース間に出力する。これによりフローティング電源３の負極がＮチャネルトランジスタ２２を介して出力ノード２３に接続される。また、絶縁型ゲートドライバ８は、信号入力部１の出力信号が例えばＨレベルである場合に、Ｎチャネルトランジスタ２１をＯＮさせる電圧をＮチャネルトランジスタ２１のゲートおよびソース間に出力し、Ｎチャネルトランジスタ２２をＯＦＦさせる電圧をＮチャネルトランジスタ２２のゲートおよびソース間に出力する。これによりフローティング電源３の正極がＮチャネルトランジスタ２１を介して出力ノード２３に接続される。

　フローティング電源３は、この例では、直列接続された２個の同じ電源電圧の直流電源３１および３２により構成されている。ここで、直流電源３１の正極は、フローティング電源３の正極となっており、直流電源３２の負極は、フローティング電源３の負極となっている。また、直流電源３１の負極および直流電源３２の正極が接続された中性点がフローティング電源３の基準ノード３３となっている。この基準ノード３３の電位が、フローティング電源３により発生される電源電圧の基準電位となる。基準電位スイッチ５は、この基準ノード３３と、基準電位線である接地線との間に挿入されている。

　出力段２の出力ノード２３およびフローティング電源３の基準ノード３３と、スピーカ７の両端のスピーカ端子７１および７２との間には、フィルタ６が設けられている。図示の例では、フィルタ６は、インダクタ６１とキャパシタ６２により構成されている。インダクタ６１は、出力ノード２３とスピーカ端子７１との間に接続されている。キャパシタ６２は、スピーカ端子７１および７２間に接続されている。スピーカ端子７２は、基準ノード３３に接続されている。

　帰還回路４は、出力段２の出力ノード２３と基準ノード３３の各電位を差動増幅して信号入力部１に帰還信号を供給する回路であり、反転増幅器４１および４２と、差動増幅器４３とを有する。

　反転増幅器４１は、抵抗４１１および４１２と、オペアンプ４１３とにより構成されている。ここで、抵抗４１１は、出力段２の出力ノード２３とオペアンプ４１３の反転入力端との間に接続されている。抵抗４１２は、オペアンプ４１３の出力端と反転入力端との間に接続されている。そして、オペアンプ４１３の非反転入力端は接地されている。この反転増幅器４１は、出力段２の出力ノード２３および接地線間の電圧の極性を反転し、極性を反転した電圧に抵抗４１１の抵抗値に対する抵抗４１２の抵抗値の比を乗算した電圧を出力する。

　反転増幅器４２は、抵抗４２１および４２２と、オペアンプ４２３とにより構成されている。この反転増幅器４２の構成は、反転増幅器４１と同様である。この反転増幅器４２は、フローティング電源３の基準ノード３３（＝スピーカ端子７２）および接地線間の電圧の極性を反転し、極性を反転した電圧に抵抗４２１の抵抗値に対する抵抗４２２の抵抗値の比を乗算した電圧を出力する。

　差動増幅器４３は、抵抗４３１～４３４とオペアンプ４３５とにより構成されている。抵抗４３１は、反転増幅器４１の出力端とオペアンプ４３５の反転入力端との間に接続されている。抵抗４３２は、オペアンプ４３５の出力端と反転入力端との間に接続されている。抵抗４３３は、反転増幅器４２の出力端とオペアンプ４３５の非反転入力端との間に接続されている。抵抗４３４は、オペアンプ４３５の非反転入力端と接地線との間に接続されている。抵抗４３１および４３２の各抵抗値の比と、抵抗４３３および４３４の各抵抗値の比は、互いに等しい。そして、オペアンプ４３５の出力端は、信号入力部１のオペアンプ１１の反転入力端に接続されている。この差動増幅器４３は、反転増幅器４１の出力電圧と反転増幅器４２の出力電圧との差分の極性を反転し、極性を反転した電圧に抵抗４３１の抵抗値に対する抵抗４３２の抵抗値の比を乗算した電圧をオペアンプ４３５から帰還信号として出力する。

　上述したように反転増幅器４１は、出力段２の出力ノード２３および接地線間の電圧と反対の極性の電圧を出力し、反転増幅器４２は、フローティング電源３の基準ノード３３および接地線間の電圧と反対の極性の電圧を出力する。従って、差動増幅器４３は、出力段２の出力ノード２３とフローティング電源３の基準ノード３３との差電圧と同じ極性の電圧を出力する。また、帰還回路４全体としてのゲインは、抵抗４１１の抵抗値に対する抵抗４１２の抵抗値の比（＝抵抗４２１の抵抗値に対する抵抗４２２の抵抗値の比）と、抵抗４３１の抵抗値に対する抵抗４３２の抵抗値の比（＝抵抗４３３の抵抗値に対する抵抗４３４の抵抗値の比）とを乗算したゲインになる。
　以上が図２に示す電力増幅器１００の構成である。

　以上の構成において、電力増幅器１００を単独の電力増幅器として動作させる場合には、基準電位スイッチ５がＯＮとされる。この状態における電力増幅器１００の動作は次のようになる。

　信号入力部１では、入力信号Ｖｉｎと帰還信号との誤差積分値に応じてパルス幅変調されたＰＷＭパルス列が出力される。この信号入力部１の出力信号がＬレベルである期間、出力段２では、Ｎチャネルトランジスタ２１がＯＦＦ、Ｎチャネルトランジスタ２２がＯＮとなる。この間、直流電源３２の負極がＮチャネルトランジスタ２２を介して出力ノード２３に接続され、この出力ノード２３と基準ノード３３（直流電源３２の正極）との間の電圧がフィルタ６を介してスピーカ７に供給される。

　一方、信号入力部１の出力信号がＨレベルである期間は、Ｎチャネルトランジスタ２１がＯＮ、Ｎチャネルトランジスタ２２がＯＦＦとなる。この間、直流電源３１の正極がＮチャネルトランジスタ２１を介して出力ノード２３に接続され、この出力ノード２３と基準ノード３３（直流電源３１の負極）との間の電圧がフィルタ６を介してスピーカ７に供給される。

　帰還回路４では、反転増幅器４１が出力段２の出力ノード２３および接地線間の電圧を反転増幅し、反転増幅器４２が基準ノード３３および接地線間の電圧を反転増幅器４１と同じゲインで反転増幅する。そして、差動増幅器４３は、反転増幅器４１および４２の各出力信号の差分を反転増幅し、信号入力部１のオペアンプ１１の反転入力端に帰還させる。このように、電力増幅器１００の出力段２の出力電圧が信号入力部１に負帰還されつつ、電力増幅器１００による入力信号Ｖｉｎの増幅動作が行われる。

　図３は２台の電力増幅器１００を直列接続した構成を示す回路図である。図３において、電力増幅部１００ａおよび１００ｂは、各々図２に示す電力増幅器１００である。ここで、電力増幅部１００ａに属する要素には、文字ａを付加した符号が付けられている。同様に、電力増幅部１００ｂに属する要素には、文字ｂを付加した符号が付けられている。

　図３に示すように、電力増幅部１００ａのスピーカ端子７１ａは、電力増幅部１００ｂのスピーカ端子７２ｂと接続されている。電力増幅部１００ａのスピーカ端子７２ａと、電力増幅部１００ｂのスピーカ端子７１ｂとの間にはスピーカ７が接続されている。また、電力増幅部１００ａの基準電位スイッチ５ａはＯＮ、電力増幅部１００ｂの基準電位スイッチ５ｂはＯＦＦとなっている。電力増幅部１００ａの信号入力部１ａと電力増幅部１００ｂの信号入力部１ｂには、入力端子１３から入力信号Ｖｉｎが与えられる。

　図４Ａおよび図４Ｂは、図３に示す電力増幅器の各部の波形を示す波形図である。以下、この波形図を参照し、図３に示す電力増幅器の動作を説明する。

　電力増幅部１００ａでは、基準電位スイッチ５ａがＯＮであるため、図４Ａに示すように、出力段２ａの基準ノード３３ａの基準電位ＶＭａは０Ｖとなる。従って、直流電源３１ａおよび３２ａの電源電圧を各々Ｖｃｃとすると、図４Ａに示すように、フローティング電源３ａの正極の電位ＶＨａはＶｃｃ、負極の電位ＶＬａは－Ｖｃｃとなる。そして、信号入力部１ａ側から供給されるＰＷＭパルス列により出力段２ａのスイッチングが行われると、図４Ａに示すように、基準電位ＶＭａ＝０Ｖを中心として振動する交流電圧ＶＯａがスピーカ端子７１ａおよび７２ａ間に発生する。

　また、電力増幅部１００ｂでは、基準電位スイッチ５ｂがＯＦＦであり、スピーカ端子７２ｂがスピーカ端子７１ａに接続されているため、図４Ｂに示すように、出力段２ｂの基準ノード３３ｂの基準電位ＶＭｂは電力増幅部１００ａ側の基準電位ＶＭａ＝０Ｖに電力増幅部１００ａが出力する交流電圧ＶＯａを加えた電位となる。従って、直流電源３１ｂおよび３２ｂの電源電圧を各々Ｖｃｃとすると、図４Ｂに示すように、フローティング電源３ｂの正極の電位ＶＨｂはＶＯａ＋Ｖｃｃとなり、負極の電位ＶＬａはＶＯａ－Ｖｃｃとなる。そして、信号入力部１ｂ側から供給されるＰＷＭパルス列により出力段２ｂのスイッチングが行われると、図４Ｂに示すように、基準電位ＶＭｂ＝ＶＯａを中心として振動する交流電圧ＶＯｂがスピーカ端子７１ｂおよび７２ｂ間に発生する。このように、図３に示す電力増幅器によれば、電力増幅部１００ａおよび１００ｂが出力する電圧を加算した電圧をスピーカ７に対して与えることができる。

　一方、電力増幅部１００ａでは、帰還回路４ａにより出力段２ａの出力ノード２３ａおよび基準ノード３３ａ間の電圧が信号入力部１ａに帰還され、電力増幅部１００ｂでは、帰還回路４ｂにより出力段２ｂの出力ノード２３ｂおよび基準ノード３３ｂ間の電圧が信号入力部１ｂに帰還される。この場合、帰還回路４ａおよび４ｂにより、互いに同じ電圧波形の帰還信号が信号入力部１ａおよび１ｂに帰還される。以下、その理由を説明する。

　まず、電力増幅部１００ａでは、反転増幅器４１ａにより出力段２ａの出力ノード２３ａの電位の反転増幅が行われ、反転増幅器４２ａにより基準ノード３３ａの電位ＶＭａ＝０Ｖの反転増幅が行われる。そして、差動増幅器４３ａにより反転増幅器４１ａおよび４２ａの各出力信号の差動増幅が行われ、帰還信号が差動増幅器４３ａから信号入力部１ａに与えられる。

　一方、電力増幅部１００ｂでは、反転増幅器４１ｂにより出力段２ｂの出力ノード２３ｂの電位の反転増幅が行われ、反転増幅器４２ｂにより基準ノード３３ｂの電位ＶＭｂ＝ＶＯａの反転増幅が行われる。そして、差動増幅器４３ｂにより反転増幅器４１ｂおよび４２ｂの各出力信号の差動増幅が行われ、帰還信号が差動増幅器４３ｂから信号入力部１ｂに与えられる。

　ここで、仮に信号入力部１ａ側から出力段２ａに供給されるＰＷＭパルス列と同じ波形のＰＷＭパルス列が信号入力部１ｂ側から出力段２ｂに供給されると、出力段２ｂの出力ノード２３ｂおよび基準ノード３３ｂ間の電圧波形は、出力段２ａの出力ノード２３ａおよび基準ノード３３ａ間の電圧波形と同じになる。従って、出力段２ｂの出力ノード２３ｂおよび基準ノード３３ｂの各電位の波形は、出力段２ａの出力ノード２３ａおよび基準ノード３３ａの各電位の波形に対し、スピーカ端子７１ａの電圧ＶＯａが同相成分として加わった波形となる。帰還回路４ｂにおいて、この同相成分は差動増幅器４３ｂによって除去される。従って、帰還回路４ｂから信号入力部１ｂに与えられる帰還信号は、帰還回路４ａから信号入力部１ａに与えられる帰還信号と同じになる。信号入力部１ａおよび１ｂは、同じ入力信号Ｖｉｎが与えられ、同じ帰還信号が与えられる。従って、信号入力部１ａ側から出力段２ａに供給されるＰＷＭパルス列と信号入力部１ｂ側から出力段２ｂに供給されるＰＷＭパルス列は同じ波形になる。このように図３に示す電力増幅器では、帰還回路４ａおよび４ｂにより、互いに同じ電圧が信号入力部１ａおよび１ｂに帰還される。

　以上のように、本実施形態によれば、１台の電力増幅器１００を図２に示すように単独の電力増幅器として使用し、あるいは図３に例示するように各々が電力増幅器１００である２台の電力増幅部１００ａおよび１００ｂを直列接続して使用することができる。そして、２台の電力増幅部１００ａおよび１００ｂを直列接続して使用した場合には、２台の電力増幅部１００ａおよび１００ｂの出力電圧を加算した電圧を駆動対象であるスピーカ７に与えることができる。なお、図示は省略したが、図３に示す構成において、２台の電力増幅部１００ａおよび１００ｂの基準電位スイッチ５ａおよび５ｂを両方ともＯＮとし、電力増幅部１００ａおよび１００ｂを並列接続してスピーカ７を駆動することも可能である。

　また、本実施形態では、出力段２を信号入力部１から電気的に絶縁された構成とし、フローティング電源３により駆動するようにし、フローティング電源３の基準ノードと基準電位線との間に基準電位スイッチ５を設けた。また、本実施形態では、出力段２から駆動対象に与えられる電圧を帰還回路４が差動増幅して信号入力部１に帰還するようにした。

　従って、本実施形態によれば、２台の電力増幅部１００ａおよび１００ｂを直列接続して使用する場合に、一方の電力増幅部１００ａの基準電位スイッチ５ａをＯＮ、他方の電力増幅部１００ｂの基準電位スイッチ５ｂをＯＦＦとすることにより、電力増幅部１００ａおよび１００ｂでは、同じ構成の帰還回路４ａおよび４ｂにより各々の出力電圧の信号入力部１ａおよび１ｂへの帰還を行わせることができる。

＜他の実施形態＞
　以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）上記実施形態では、２台の電力増幅部１００ａおよび１００ｂを直列接続したが、３台以上の電力増幅部を直列接続してスピーカ７の駆動を行ってもよい。図５は３台の電力増幅部１００ａ、１００ｂおよび１００ｃを直列接続した電力増幅器の構成を例示する回路図である。この電力増幅器では、電力増幅部１００ａのスピーカ端子７１ａは、電力増幅部１００ｂのスピーカ端子７２ｂと接続され、電力増幅部１００ｂのスピーカ端子７１ｂは、電力増幅部１００ｃのスピーカ端子７２ｃと接続されている。そして、電力増幅部１００ａのスピーカ端子７２ａと、電力増幅部１００ｃのスピーカ端子７１ｃとの間にスピーカ７が接続されている。また、電力増幅部１００ａの基準電位スイッチ５ａはＯＮ、電力増幅部１００ｂの基準電位スイッチ５ｂはＯＦＦ、電力増幅部１００ｃの基準電位スイッチ５ｃはＯＦＦとなっている。そして、電力増幅部１００ａの信号入力部１ａ、電力増幅部１００ｂの信号入力部１ｂおよび電力増幅部１００ｃの信号入力部１ｃには、入力端子１３から入力信号Ｖｉｎが与えられる。この態様によれば、電力増幅部１００ａ、１００ｂおよび１００ｃの各出力電圧を加算した電圧をスピーカ７に与えることができる。

（２）図６に示すように、前述の実施形態の帰還回路４における反転増幅器４１および４２を、絶縁型増幅器（アイソレーションアンプ）４５に置換してもよい。絶縁型増幅器４５は、反転増幅器４５１と絶縁トランス４５２とで構成される。反転増幅器４５１の出力端と基準ノード３３との間に絶縁トランス４５２の１次コイルが接続され、差動増幅器４３の入力端子間に絶縁トランス４５２の２次コイルが接続される。絶縁トランス４５２の１次コイルと２次コイルとの巻数比に応じて絶縁型増幅器４５のゲイン（ひいては差動増幅器４３の全体のゲイン）を所望の数値に設定することが可能である。また、図７に示すように、差動増幅器４３による増幅を絶縁型増幅器４５により実現してもよい。すなわち、差動増幅器４３を省略してもよい。図７の構成では、絶縁型増幅器４５における絶縁トランス４５２の巻数比に応じて、差動増幅器４３全体としてのゲインが所望の数値に設定される。

（３）図８に示すように、実施形態の帰還回路４における反転増幅器４１および４２を、１個の差動入力増幅器４６に置換してもよい。差動入力増幅器４６は、出力段２の出力ノード２３とフローティング電源３の基準ノード３３との間の差電圧の極性を反転して増幅する。差動入力増幅器４６の出力端の電圧は、反転増幅器４３（オペアンプ４３５の反転入力端）の基準電圧（非反転入力端と同じ接地線）を基準として出力され、反転増幅器４３の反転入力端に供給される。

（４）前述の実施形態では、フィルタ６の前段の電圧（出力ノード２３と基準ノード３３との間の電圧）を信号入力部１に帰還させたが、以上の構成に加えて、フィルタ６の後段（スピーカ端子７１および７２）の電圧を帰還回路４により信号入力部１に帰還させてもよい。

　例えば、図９に例示される通り、フィルタ６の後段に位置するスピーカ端子７１の電圧が、ローパスフィルタ４７１を介して、反転増幅器４１におけるオペアンプ４１３の反転入力端に供給される。また、フィルタ６の後段に位置するスピーカ端子７２の電圧（すなわち基準ノード３３の電圧）が、ローパスフィルタ４７２を介して、反転増幅器４２におけるオペアンプ４２３の反転入力端に供給される。ローパスフィルタ４７１および４７２の各々は、例えば抵抗とキャパシタとで構成され、フィルタ６の後段の電圧におけるオーディオ帯域の成分（例えば２０ｋＨｚ以下の帯域成分）を通過させる。以上の説明から理解される通り、図９の帰還回路４は、前述の実施形態と同様に出力ノード２３と基準ノード３３との間の電圧を信号入力部１に帰還させるほか、フィルタ６の出力ノードと基準ノード３３との間の電圧のうちオーディオ帯域の成分を差動増幅して信号入力部１に帰還させる。

　以上の構成によれば、実際にスピーカ７に供給される電圧を信号入力部１に帰還させることができるという利点がある。なお、図９に破線で図示される通り、出力ノード２３からオペアンプ４１３の反転入力端までの経路上にキャパシタ４７３を接続し、基準ノード３３からオペアンプ４２３の反転入力端までの経路上にキャパシタ４７４を接続してもよい。キャパシタ４７３と抵抗４１１とはハイパスフィルタとして機能し、出力ノード２３の電圧のうち例えばオーディオ帯域を上回る成分を通過させる。同様に、キャパシタ４７４と抵抗４２１とはハイパスフィルタとして機能し、基準ノード３３の電圧のうち例えばオーディオ帯域を上回る成分を通過させる。

（５）図３に示す電力増幅器において、電力増幅部１００ａおよび１００ｂのゲインは異なっていてもよい。図３によれば、電力増幅部１００ａおよび１００ｂのゲインが異なっていたとしても、電力増幅部１００ｂのスピーカ端子７１ｂおよび７２ｂの各電位に含まれる同相成分（電力増幅部１００ａの出力電圧に起因した同相成分）が差動増幅器４３ｂにおいて相殺され、上述と同様な効果が得られる。

（６）上記実施形態では、この発明による電力増幅器の例として、周期波形発生回路が発生するキャリア信号を用いてＰＷＭパルス列を発生する他励式Ｄ級増幅器を示した。しかし、この発明による電力増幅器は、出力段および帰還回路を含む閉ループに発生する自励発振を利用してＰＷＭパルス列を発生する自励式Ｄ級増幅器であってもよい。また、この発明による電力増幅器は、Ｄ級増幅器以外の電力増幅器であってもよい。

（７）上記実施形態では、２個の直流電源３１および３２によりフローティング電源３を構成したが、フローティング電源３の構成は任意であり、例えば１個の直流電源によりフローティング電源３を構成してもよい。また、上記実施形態では、フローティング電源３の中性点を基準ノード３３としたが、中性点でないノードを基準ノード３３としてもよい。

（８）複数台の電力増幅器を直列接続した組を複数組用意し、これらの各組をＢＴＬ（Bridged Transless）接続してもよい。

　例えば、図１０に例示される通り、反転回路８２と絶縁型ゲートドライバ８’と出力段２’と基準電位スイッチ５’とフィルタ６’とが前述の実施形態に追加される。反転回路８２は、信号入力部１からの出力信号を反転して絶縁型ゲートドライバ８’に入力する。絶縁型ゲートドライバ８’、出力段２’およびフィルタ６’は、前述の実施形態における絶縁型ゲートドライバ８、出力段２およびフィルタ６とそれぞれ同様に動作する。正相側のフィルタ６の出力側にスピーカ端子７１が設置され、逆相側のフィルタ６’の出力側にスピーカ端子７２が設置される。なお、図１０においてはフローティング電源３とは別個のフローティング電源３’を便宜的に図示したが、実際にはフローティング電源３がフローティング電源３’として共用される。フローティング電源３を正相側と逆相側とで共用する場合には、基準電位スイッチ５が基準電位スイッチ５’として共用される。

　図６から図９に例示した構成をＢＴＬ接続型の電力増幅器に採用してもよい。例えば、図１１に例示される通り、ＢＴＬ接続型の電力増幅器において、図６または図７の例示と同様に、反転増幅器４１および４２を絶縁型増幅器４５に置換してもよい。また、図１２に例示される通り、ＢＴＬ接続型の電力増幅器において、図８の例示と同様に、反転増幅器４１および４２を１個の差動入力増幅器４６に置換してもよい。図１３に例示される通り、ＢＴＬ接続型の電力増幅器において、フィルタ６の後段の電圧を帰還回路４により信号入力部１に帰還させてもよい。

（９）前述の実施形態では非反転型の電力増幅器１００を例示したが、反転型の電力増幅器に本発明を適用してもよい。図１４は、反転型の電力増幅器の構成を例示する回路図である。図１４に例示される通り、反転型の電力増幅器においては、入力端子１３が、キャパシタ１１５と抵抗１１４とを介して、信号入力部１におけるオペアンプ１１の反転入力端に接続される。オペアンプ１１の非反転入力端は接地される。図１４の構成においては、例えば電力増幅器の前段に反転回路（図示略）が設置され、反転回路と反転型の電力増幅器とを含む全体で非反転型の電力増幅器が構成される。

（１０）複数台の電力増幅器を直列接続した組を複数組用意し、これらの各組を並列接続してもよい。

（１１）以上に例示した具体的な形態から把握される本発明の好適な態様を以下に例示する。

　本発明の好適な態様に係る電力増幅器は、入力信号が与えられる信号入力部と、前記信号入力部と電気的に絶縁されており、フローティング電源からの電源電圧に基づいて、前記信号入力部の出力信号を増幅する出力段と、前記フローティング電源が発生する電源電圧の基準ノードと基準電位線との間に挿入された基準電位スイッチと、前記出力段の駆動対象と前記基準ノードとの間の電圧を差動増幅して前記信号入力部に帰還させる帰還回路とを具備する。

　この電力増幅器は、１台を単独で使用する他、複数台を組み合わせて使用することが可能である。この発明において特徴的な電力増幅器の使用形態として、複数台の電力増幅器の出力段を直列接続して使用する形態がある。例えば２台の電力増幅器を使用する場合、２台の電力増幅器の信号入力部に共通の入力信号を与えるように構成し、１台の電力増幅器（以下、第１の電力増幅器という）の基準電位スイッチをＯＮにして、もう１台の電力増幅器（以下、第２の電力増幅器）の基準電位スイッチをＯＦＦにする。そして、第１の電力増幅器の出力段、第２の電力増幅器の出力段および負荷を直列接続する。

　この構成では、第１の電力増幅器の出力段の出力電圧および第２の電力増幅器の出力段の出力電圧を加算した電圧により負荷の駆動が行われ、負荷に電流が流れる。その際、第２の電力増幅器の出力電圧は、第１の電力増幅器の出力電圧が重畳された電圧となる。しかしながら、第１の電力増幅器および第２の電力増幅器では、各々の帰還回路により、各々のフローティング電源の基準電位を基準とした各々の出力電圧の差動増幅が行われ、各々の信号入力部への帰還が行われる。ここで、例えば第２の電力増幅器の出力電圧が発生する２つのノード（そのうち一方は基準ノード）の電位は、第１の電力増幅器の出力電圧に起因した同相成分を含むが、この同相成分は帰還回路において相殺され、信号入力部への帰還に影響を与えない。従って、２台の電力増幅器間で、帰還回路の回路構成を変えることなく、直列接続を実現することができる。以上、２台の電力増幅器の直列接続を例に説明したが、３台以上の電力増幅器を直列接続する場合も同様である。

　本発明の好適な態様において、前記帰還回路は、前記出力段の駆動対象に対する電圧を反転増幅する第１の反転増幅器と、前記フローティング電源の基準ノードの電圧を反転増幅する第２の反転増幅器と、前記第１の反転増幅器の出力信号と前記第２の反転増幅器の出力信号の差分を反転増幅する差動増幅器とを含む。

　本発明の好適な態様に係る電力増幅器は、前記出力段の出力ノードと前記フローティング電源の基準ノードとの間の電圧における特定の帯域の成分を通過させるフィルタを具備し、前記帰還回路は、前記出力ノードと前記基準ノードとの間の電圧、および、前記フィルタの出力ノードと前記基準ノードとの間の電圧のうちオーディオ帯域の成分を、差動増幅して前記信号入力部に帰還させる。

　本発明の他の態様に係る電力増幅器は、２以上の電力増幅部を具備し、前記２以上の電力増幅部の各々が、入力信号が与えられる信号入力部と、前記信号入力部と電気的に絶縁されており、フローティング電源からの電源電圧に基づいて、前記信号入力部の出力信号を増幅する出力段と、前記フローティング電源が発生する電源電圧の基準ノードと基準電位線との間に挿入された基準電位スイッチと、前記出力段の駆動対象と前記基準ノードとの間の電圧を差動増幅して前記信号入力部に帰還させる帰還回路とを具備する。

１００……電力増幅器、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ……電力増幅部、１，１ａ，１ｂ，１ｃ……信号入力部、８，８ａ，８ｂ，８ｃ……絶縁型ゲートドライバ、３，３ａ，３ｂ，３ｃ……フローティング電源、６，６ａ，６ｂ，６ｃ……フィルタ、７１，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７２，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ……スピーカ端子、７……スピーカ、４，４ａ，４ｂ，４ｃ……帰還回路、４１，４１ａ，４１ｂ、４１ｃ，４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ……反転増幅器、４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ……差動増幅器、５，５ａ，５ｂ，５ｃ……基準電位スイッチ。

Claims

　入力信号が与えられる信号入力部と、
　前記信号入力部と電気的に絶縁されており、フローティング電源からの電源電圧に基づいて、前記信号入力部の出力信号を増幅する出力段と、
　前記フローティング電源が発生する電源電圧の基準ノードと基準電位線との間に挿入された基準電位スイッチと、
　前記出力段の駆動対象と前記基準ノードとの間の電圧を差動増幅して前記信号入力部に帰還させる帰還回路と
　を具備することを特徴とする電力増幅器。
　前記帰還回路は、
　前記出力段の駆動対象に対する電圧を反転増幅する第１の反転増幅器と、
　前記フローティング電源の基準ノードの電圧を反転増幅する第２の反転増幅器と、
　前記第１の反転増幅器の出力信号と前記第２の反転増幅器の出力信号の差分を反転増幅する差動増幅器とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
　前記出力段の出力ノードと前記フローティング電源の基準ノードとの間の電圧における特定の帯域の成分を通過させるフィルタを具備し、
　前記帰還回路は、前記出力ノードと前記基準ノードとの間の電圧、および、前記フィルタの出力ノードと前記基準ノードとの間の電圧のうちオーディオ帯域の成分を、差動増幅して前記信号入力部に帰還させる
　請求項１に記載の電力増幅器。
　２以上の電力増幅部を具備し、
　前記２以上の電力増幅部の各々が、
　入力信号が与えられる信号入力部と、
　前記信号入力部と電気的に絶縁されており、フローティング電源からの電源電圧に基づいて、前記信号入力部の出力信号を増幅する出力段と、
　前記フローティング電源が発生する電源電圧の基準ノードと基準電位線との間に挿入された基準電位スイッチと、
　前記出力段の駆動対象と前記基準ノードとの間の電圧を差動増幅して前記信号入力部に帰還させる帰還回路と
　を具備することを特徴とする電力増幅器。