WO2022195995A1 - デジタルパワーアンプ、スピーカ駆動システム、及びスピーカ駆動方法 - Google Patents

デジタルパワーアンプ、スピーカ駆動システム、及びスピーカ駆動方法 Download PDF

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俊文 猪狩
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株式会社Jvcケンウッド
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    • H03F2200/171A filter circuit coupled to the output of an amplifier

Definitions

  • the present disclosure relates to a digital power amplifier, a speaker driving system, and a speaker driving method.
  • a digital power amplifier including a pulse width modulation section modulates an input analog audio signal into a digital PWM signal, amplifies it, and then converts it into an analog audio signal. It demodulates to a signal and drives a speaker.
  • PWM modulation section pulse width modulation section
  • the plurality of parallel-connected speakers may be driven by a plurality of parallel-connected digital power amplifiers.
  • Patent Literature 1 When multiple digital power amplifiers are connected in parallel, if the voltage gain of each digital power amplifier is not the same, an abnormal current will flow between the multiple digital power amplifiers.
  • abnormal current flow is prevented by providing a voltage feedback circuit and a current feedback circuit that respectively feed back the voltage and current of the low frequency component including the audio signal band in the amplified audio signal.
  • One or more embodiments are a digital power amplifier, a speaker drive system, and a digital power amplifier that can suppress abnormal current flowing in a high frequency band exceeding the audio signal band and reduce the occurrence of defects due to abnormal current flowing in the high frequency band.
  • An object of the present invention is to provide a speaker driving method.
  • an operational amplifier having an analog first audio signal at its inverting input, and a pulse width for generating a pulse width modulated signal based on the output of said operational amplifier a modulation section, a power amplification section that amplifies the power of the pulse width modulated signal, and a feedback circuit that feeds back the output of the power amplification section to the inverting input terminal, wherein the operational amplifier receives a feedback signal from the feedback circuit. is fed back to the inverting input terminal to perform a self-oscillation operation, and the pulse width modulating section pulse width modulates a signal obtained by integrating the sum of the first audio signal and the feedback signal by the operational amplifier.
  • the pulse width modulation section generates a pulse width modulation signal that performs a self-oscillation operation, demodulates the pulse width modulation signal output from the power amplification section, and outputs an audio signal band and a pulse exceeding the audio signal band.
  • a digital power amplifier is provided, further comprising: a high-pass filter; and a first current feedback circuit that feeds back the current component of the second audio signal from which the low frequency component has been removed to add the current component to the first audio signal. be done.
  • a plurality of digital power amplifiers are connected in parallel, at least one speaker is connected to the plurality of parallel connected digital power amplifiers, each digital power
  • the amplifier includes an operational amplifier to which an analog first audio signal is input to an inverting input terminal, a pulse width modulation section that generates a pulse width modulated signal based on the output of the operational amplifier, and amplifies the power of the pulse width modulated signal. and a feedback circuit for feeding back the output of the power amplifier to the inverting input terminal, wherein the operational amplifier is self-excited by feeding back the feedback signal from the feedback circuit to the inverting input terminal.
  • the pulse width modulation section pulse width modulates a signal obtained by integrating the sum of the first audio signal and the feedback signal by the operational amplifier, whereby the pulse width modulation section performs a self-oscillation operation.
  • demodulates the pulse width modulated signal output from the power amplifier unit includes an audio signal band and a high frequency band of the pulse width modulated signal exceeding the audio signal band, and outputs to the speaker a demodulator that generates an analog second audio signal to be supplied; a high-pass filter that removes low-frequency components including the audio signal band in the current of the second audio signal;
  • a speaker driving system is provided, further comprising a current feedback circuit for feeding back the current component of the second audio signal to be added to the first audio signal.
  • an analog first audio signal is input to an inverting input terminal of an operational amplifier, and a pulse width modulation section generates a pulse width modulated signal based on the output of the operational amplifier.
  • a power amplifier amplifies the power of the pulse width modulated signal
  • a feedback circuit feeds back the output of the power amplifier to the inverting input terminal
  • the operational amplifier receives the feedback signal from the feedback circuit as the A self-oscillating operation is performed by feedback to the inverting input terminal
  • the operational amplifier integrates the sum of the first audio signal and the feedback signal
  • the pulse width modulation unit pulse width modulates the signal
  • the pulse width modulation section generates a pulse width modulation signal that performs a self-oscillation operation
  • the demodulation section demodulates the pulse width modulation signal output from the power amplification section to exceed an audio signal band and the audio signal band.
  • a loudspeaker driving method is provided that feeds back to.
  • the abnormal current flowing in the high frequency band exceeding the audio signal band is suppressed, and the occurrence of defects due to the abnormal current flowing in the high frequency band. can be reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating one or more embodiments of a digital power amplifier and speaker drive system.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the duty ratio and the self-excited frequency when the pulse width modulating section 13 shown in FIG. 1 generates the PWM signal.
  • 3 shows the relationship between the output current Io and the output voltage Vo of the digital power amplifier 100 when the voltage feedback amount ⁇ 0 of the voltage feedback circuit 22 and the current feedback amount ⁇ 1a of the current feedback circuit 24 shown in FIG. 1 are changed. It is a characteristic diagram showing .
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing a first example of PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b shown in FIG. 1 and an abnormal current at that time.
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing a first example of PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b shown in FIG. 1 and an abnormal current at that time.
  • FIG. 5 is a waveform diagram showing a second example of PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b shown in FIG. 1 and an abnormal current at that time.
  • FIG. 6 is a diagram showing a digital signal obtained by providing a voltage feedback circuit that feeds back a voltage with a voltage feedback amount ⁇ 0b in a high frequency band in FIG. 1 and changing the voltage feedback amount ⁇ 0b and the current feedback amount ⁇ 1b of the current feedback circuit 26 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the output current Io and the output voltage Vo of the power amplifier 100;
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing frequency bands of the output current component of the digital power amplifier 100 and the output current components of the current feedback circuits 24 and 26.
  • FIG. 6 is a diagram showing a digital signal obtained by providing a voltage feedback circuit that feeds back a voltage with a voltage feedback amount ⁇ 0b in a high frequency band in FIG. 1 and changing the voltage feedback amount ⁇ 0b and the current feedback amount ⁇ 1b of the current
  • a digital power amplifier, a speaker driving system, and a speaker driving method according to one or more embodiments will now be described with reference to the accompanying drawings.
  • FIG. 1 two digital power amplifiers 100a and 100b are connected in parallel, and a speaker 50a is connected to the digital power amplifiers 100a and 100b.
  • Any digital power amplifier including digital power amplifiers 100 a and 100 b will be referred to as digital power amplifier 100 .
  • Three or more digital power amplifiers 100 may be connected in parallel.
  • a plurality of digital power amplifiers 100 connected in parallel constitute a speaker driving system.
  • speaker 50b may be connected in parallel with the speaker 50a. Any speaker including speakers 50 a and 50 b will be referred to as speaker 50 . Three or more speakers 50 may be connected in parallel to the digital power amplifiers 100a and 100b.
  • the digital power amplifier 100 shown in FIG. 1 is a so-called high impedance amplifier.
  • a required number of digital power amplifiers 100 may be connected in parallel according to the number of speakers 50 .
  • At least one speaker 50 may be connected to a plurality of digital power amplifiers 100 connected in parallel.
  • the configuration and operation of the digital power amplifier 100b are the same as the configuration and operation of the digital power amplifier 100a. As a representative, the configuration and operation of the digital power amplifier 100a will be described.
  • the digital power amplifier 100a includes an adder 11, an operational amplifier 12, a feedback circuit 17, a pulse width modulation section 13 (hereinafter referred to as PWM modulation section 13), a power amplification section 14, a demodulation section 15, and a current detection circuit. 16 and a power supply circuit 30 .
  • the digital power amplifier 100a also includes a low-pass filter 21 (hereinafter, LPF 21), a voltage feedback circuit 22, a low-pass filter 23 (hereinafter, LPF 23), a current feedback circuit 24, a high-pass filter 25 (hereinafter, HPF 25), and a current feedback circuit 26.
  • LPF 21 low-pass filter 21
  • LPF 23 voltage feedback circuit 22
  • HPF 25 high-pass filter 25
  • HPF 25 high-pass filter 25
  • LPF21 is a first low-pass filter
  • LPF23 is a second low-pass filter
  • Current feedback circuit 26 is a first current feedback circuit
  • current feedback circuit 24 is a second current feedback circuit.
  • the power supply circuit 30 is connected to a commercial power supply (not shown), and supplies power to the operational amplifier 12, the PWM modulation section 13, the power amplification section 14, and the current detection circuit 16.
  • An analog audio signal Sin (first audio signal) is input to the adder 11 .
  • the adder 11 adds the voltage feedback signal from the voltage feedback circuit 22 and the current feedback signals from the current feedback circuits 24 and 26 , and supplies the result to the inverting input terminal of the operational amplifier 12 .
  • a non-inverting input terminal of the operational amplifier 12 is grounded.
  • the PWM modulation section 13 generates and outputs a digital pulse width modulation signal (PWM signal) having a duty ratio corresponding to the amplitude of the analog signal output from the operational amplifier 12 .
  • the PWM modulation section 13 supplies the PWM signal to the power amplification section 14 .
  • the operational amplifier 12 constitutes an integrating circuit. By feeding back the output of the power amplifier 14 to the inverting input terminal of the operational amplifier 12 through the feedback circuit 17, the operational amplifier 12 performs self-oscillating operation.
  • the operational amplifier 12 outputs a signal obtained by integrating the sum of the audio signal Sin input to the inverting input terminal and the feedback signal fed back from the output of the power amplifier 14 to the inverting input terminal by the feedback circuit 17.
  • the PWM modulation section 13 By performing width modulation, the PWM modulation section 13 generates a PWM signal that performs a self-oscillating operation. As long as power is supplied from the power supply circuit 30, the PWM modulation unit 13 generates a PWM signal even if the audio signal Sin is not input to the adder 11 and the speaker 50 is not connected.
  • the PWM modulation section 13 generates a PWM signal with a duty ratio of 50% when no analog signal is input from the operational amplifier 12, that is, when the amplitude of the analog signal is zero.
  • the PWM modulation unit 13 generates a PWM signal with a duty ratio increased or decreased from the duty ratio of 50% according to an increase or decrease in the amplitude of the input analog signal.
  • the self-oscillating PWM modulation section 13 generates a PWM signal with a self-excited frequency according to the duty ratio.
  • the free-running frequency varies from 100 kHz to 500 kHz.
  • the power amplifier 14 amplifies the power of the PWM signal supplied from the PWM modulator 13 and supplies the amplified power to the demodulator 15 .
  • the demodulator 15 has a low-pass filter (LPF) with an inductor L and a capacitor C.
  • the inductor L is connected in series between the power amplifier 14 and the current detection circuit 16, and the capacitor C has one terminal connected to the output stage of the inductor L and the other terminal grounded.
  • the demodulator 15 removes high frequency components from the input digital signal and demodulates it into an analog signal.
  • the analog signal output from the demodulator 15 is supplied to the speaker 50a via the current detection circuit 16 as an analog audio signal Sout (second audio signal).
  • the digital power amplifier 100a converts the input analog audio signal Sin into a digital PWM signal, amplifies it, demodulates it into an analog audio signal Sout, and drives the speaker 50a.
  • the audio signal Sout includes an audio signal band and a high-frequency band of the PWM signal exceeding the audio signal band that could not be removed by the demodulator 15 .
  • the digital power amplifier 100a includes a voltage feedback circuit 22 and a current feedback circuit 24 to improve audio performance and circuit stability. Note that improving audio performance includes at least one of suppressing fluctuations in output voltage, reducing a distortion factor, and reducing noise.
  • the LPF 21 removes high frequency components from the voltage of the audio signal Sout after passing through the current detection circuit 16 and supplies it to the voltage feedback circuit 22 .
  • the voltage feedback circuit 22 feeds back the voltage component from which the high frequency component has been removed to the adder 11 so as to add it to the audio signal Sin.
  • the current detection circuit 16 detects the current of the audio signal Sout.
  • the LPF 23 removes the high-frequency component of the current of the audio signal Sout detected by the current detection circuit 16 and supplies it to the current feedback circuit 24 .
  • the current feedback circuit 24 feeds back the current component from which the high frequency component has been removed to the adder 11 so as to add it to the audio signal Sin.
  • the output current fluctuation width ⁇ Io occurs in the output current Io. .
  • an abnormal current flows between the digital power amplifiers 100a and 100b in the audio signal band.
  • the greater the slope between the output current Io and the output voltage Vo the smaller the output current fluctuation width ⁇ Io.
  • the optimal value of the ratio of ⁇ 1a/ ⁇ 0 is selected to achieve both improved audio performance and improved stability of parallel connection operation of the digital power amplifier 100 while suppressing abnormal current in the audio signal band as much as possible. have set.
  • the abnormal current in the audio signal band is suppressed, the abnormal current flows in the high frequency band exceeding the audio signal band between the plurality of digital power amplifiers 100 connected in parallel. It has become clear that the abnormal current that flows may cause various problems.
  • An abnormal current flowing in a high-frequency band deteriorates the efficiency of amplification of the audio signal Sin by the digital power amplifier 100, deteriorates audio performance, heats circuit elements, shortens the life of the device, or destroys the device. This may lead to problems such as increasing the risk of
  • FIG. 4 respectively show first examples of PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b.
  • the periods of the PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b are both t1, and the frequencies of both match. However, the PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b are out of phase.
  • an abnormal current shown in FIG. 4(c) flows between the digital power amplifier 100a and the digital power amplifier 100b in a high frequency band exceeding the audio signal band.
  • the abnormal current has a period t1 and alternately flows from the digital power amplifier 100a to the digital power amplifier 100b and from the digital power amplifier 100b to the digital power amplifier 100a.
  • FIG. 5 (a) and (b) show second examples of PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b, respectively.
  • the period of the PWM signal generated by the digital power amplifier 100a is t1
  • the period of the PWM signal generated by the digital power amplifier 100b is t2, and the two have different frequencies.
  • an abnormal current shown in FIG. 5(c) flows between the digital power amplifiers 100a and 100b in a high frequency band exceeding the audio signal band.
  • the abnormal current has a cycle of alternately repeating cycles t1 and t2, and alternately flows from the digital power amplifier 100a to the digital power amplifier 100b and from the digital power amplifier 100b to the digital power amplifier 100a.
  • the digital power amplifier 100a is provided with a current feedback circuit 26 for suppressing the abnormal current in the high frequency band derived from the PWM signal.
  • the amount of current feedback by the current feedback circuit 26 is assumed to be ⁇ 1b.
  • the current of the audio signal Sout detected by the current detection circuit 16 has its low frequency components removed by the HPF 25 and is fed back to the adder 11 by the current feedback circuit 26 .
  • the frequency of the PWM signal generated by the PWM modulation unit 13 as described above is in the range of 100 kHz to 500 kHz, and the frequency of the abnormal current is the same as the frequency of the PWM signal.
  • HPF 25 passes a frequency band of 100 kHz to 500 kHz.
  • the current feedback circuit 26 increases the current feedback amount ⁇ 1b to strongly operate the current feedback.
  • the current feedback amount ⁇ 1b in the current feedback circuit 26 is larger than the current feedback amount ⁇ 1a in the current feedback circuit 24.
  • the output current Io of the digital power amplifier 100 includes, for example, an audio signal current component in the audio signal band of 20 Hz to 20 kHz and an abnormal current component of 100 kHz to 500 kHz. Audio signal current components may include anomalous currents in the audio signal band. A current component of the PWM signal is also present between 100 kHz and 500 kHz. Note that the current component and the abnormal current component of the PWM signal exist at any frequency in the frequency band of 100 kHz to 500 kHz.
  • the LPF 23 removes high frequency components and supplies a frequency band including the audio signal band of 20 Hz to 20 kHz to the current feedback circuit 24 . Therefore, the current feedback circuit 24 feeds back the audio signal current component to the adder 11, as shown in FIG. 7(b).
  • HPF 25 removes low frequency components and provides a frequency band including 100 kHz to 500 kHz to current feedback circuit 26 . Therefore, the current feedback circuit 26 feeds back the abnormal current component of 100 kHz to 500 kHz to the adder 11, as shown in FIG. 7(c).
  • the phase shift of the PWM signals generated by the digital power amplifiers 100a and 100b of the self-oscillating PWM modulation system is eliminated, and the frequency mismatch is eliminated. It is canceled and the abnormal current component is suppressed. Therefore, according to the digital power amplifier 100, it is possible to reduce the occurrence of defects due to abnormal current flowing in a high frequency band.
  • Voltage feedback circuit 22 and current feedback circuit 24 improve audio performance and reduce abnormal current in the audio signal band that occurs when the voltage gain of each digital power amplifier 100 is not the same when multiple digital power amplifiers 100 are connected in parallel. is suppressed. If the audio performance improvement is not required and the voltage gain can be adjusted and managed so that the voltage gain difference of each digital power amplifier 100 does not occur, the digital power amplifier 100 includes the LPF 21, the voltage feedback circuit 22, LPF 23 and current feedback circuit 24 may not be provided. That is, the digital power amplifier 100 may include only the HPF 25 and the current feedback circuit 26 as feedback circuits.
  • a transformer can be provided at the output of the digital power amplifier 100 to prevent an abnormal current in a high frequency band exceeding the audio signal band from flowing between the multiple digital power amplifiers 100 connected in parallel.
  • a transformer in this case, a large-sized and expensive transformer for high power is required. Therefore, if the digital power amplifier 100 includes a high-power transformer, the device will be large and expensive.
  • a plurality of digital power amplifiers in which abnormal currents flowing in a high frequency band exceeding the audio signal band are connected in parallel at low cost without increasing the size of the device. 100 can be prevented from flowing.
  • the present invention is not limited to one or more embodiments described above, and can be modified in various ways without departing from the gist of the present invention.

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Abstract

オペアンプ(12)は、反転入力端子に入力される第1のオーディオ信号と電力増幅部(14)の出力の帰還信号との和を積分した信号を出力する。パルス幅変調部(13)は、オペアンプ(12)の出力をパルス幅変調することによってPWM信号を生成する。復調部(15)は、PWM信号を復調して、オーディオ信号帯域とオーディオ信号帯域を超えるPWM信号の高周波帯域とを含み、スピーカ(50a)に供給される第2のオーディオ信号(Sout)を生成する。ハイパスフィルタ(25)は、第2のオーディオ信号の電流におけるオーディオ信号帯域を含む低周波成分を除去する。電流帰還回路(26)は、低周波成分が除去された第2のオーディオ信号の電流成分を、第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する。

Description

デジタルパワーアンプ、スピーカ駆動システム、及びスピーカ駆動方法
 本開示は、デジタルパワーアンプ、スピーカ駆動システム、及びスピーカ駆動方法に関する。
 特許文献1に記載されているように、パルス幅変調部(PWM変調部)を備えるデジタルパワーアンプは、入力されたアナログのオーディオ信号をデジタルのPWM信号に変調して増幅した後に、アナログのオーディオ信号に復調してスピーカを駆動する。一例として、オーディオ信号を複数のスピーカに供給して所定の音声を出力する放送設備においては、並列接続された複数のデジタルパワーアンプによって並列接続された複数のスピーカを駆動することがある。
特開2016-72876号公報
 複数のデジタルパワーアンプが並列接続されているとき、各デジタルパワーアンプの電圧利得が同じでないと、複数のデジタルパワーアンプ間に異常電流が流れる。特許文献1においては、増幅されたオーディオ信号におけるオーディオ信号帯域を含む低周波成分の電圧及び電流をそれぞれ帰還する電圧帰還回路及び電流帰還回路を設けることにより異常電流が流れることを防止している。
 ところが、特許文献1に記載されている構成で異常電流が流れることを防止できるのは、オーディオ信号帯域における異常電流のみである。本発明者による検証によって、並列接続されている複数のデジタルパワーアンプ間にオーディオ信号帯域を超える高周波帯域で異常電流が流れ、高周波帯域で流れる異常電流が各種の不具合を招くおそれがあることが明らかとなった。
 1またはそれ以上の実施形態は、オーディオ信号帯域を超える高周波帯域で流れる異常電流を抑制して、高周波帯域で流れる異常電流による不具合の発生を低減させることができるデジタルパワーアンプ、スピーカ駆動システム、及びスピーカ駆動方法を提供することを目的とする。
 1またはそれ以上の実施形態の第1の態様によれば、反転入力端子にアナログの第1のオーディオ信号が入力されるオペアンプと、前記オペアンプの出力に基づいてパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調部と、前記パルス幅変調信号の電力を増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記反転入力端子へと帰還する帰還回路とを備え、前記オペアンプは、前記帰還回路による帰還信号を前記反転入力端子へと帰還することによって自励発振動作を行い、前記オペアンプが前記第1のオーディオ信号と前記帰還信号との和を積分した信号を前記パルス幅変調部がパルス幅変調することによって、前記パルス幅変調部は自励発振動作を行うパルス幅変調信号を生成し、前記電力増幅部より出力されるパルス幅変調信号を復調して、オーディオ信号帯域と前記オーディオ信号帯域を超えるパルス幅変調信号の高周波帯域とを含み、スピーカに供給されるアナログの第2のオーディオ信号を生成する復調部と、前記第2のオーディオ信号の電流における前記オーディオ信号帯域を含む低周波成分を除去するハイパスフィルタと、前記低周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電流成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する第1の電流帰還回路とをさらに備えるデジタルパワーアンプが提供される。
 1またはそれ以上の実施形態の第2の態様によれば、複数のデジタルパワーアンプが並列に接続され、並列に接続された前記複数のデジタルパワーアンプに少なくとも1つのスピーカが接続され、各デジタルパワーアンプは、反転入力端子にアナログの第1のオーディオ信号が入力されるオペアンプと、前記オペアンプの出力に基づいてパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調部と、前記パルス幅変調信号の電力を増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記反転入力端子へと帰還する帰還回路とを備え、前記オペアンプは、前記帰還回路による帰還信号を前記反転入力端子へと帰還することによって自励発振動作を行い、前記オペアンプが前記第1のオーディオ信号と前記帰還信号との和を積分した信号を前記パルス幅変調部がパルス幅変調することによって、前記パルス幅変調部は自励発振動作を行うパルス幅変調信号を生成し、前記電力増幅部より出力されるパルス幅変調信号を復調して、オーディオ信号帯域と前記オーディオ信号帯域を超えるパルス幅変調信号の高周波帯域とを含み、前記スピーカに供給されるアナログの第2のオーディオ信号を生成する復調部と、前記第2のオーディオ信号の電流における前記オーディオ信号帯域を含む低周波成分を除去するハイパスフィルタと、前記低周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電流成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する電流帰還回路とをさらに備えるスピーカ駆動システムが提供される。
 1またはそれ以上の実施形態の第3の態様によれば、オペアンプの反転入力端子にアナログの第1のオーディオ信号を入力し、パルス幅変調部が、前記オペアンプの出力に基づいてパルス幅変調信号を生成し、電力増幅部が前記パルス幅変調信号の電力を増幅し、帰還回路が前記電力増幅部の出力を前記反転入力端子へと帰還し、前記オペアンプは、前記帰還回路による帰還信号を前記反転入力端子へと帰還することによって自励発振動作を行い、前記オペアンプが前記第1のオーディオ信号と前記帰還信号との和を積分した信号を前記パルス幅変調部がパルス幅変調することによって、前記パルス幅変調部は自励発振動作を行うパルス幅変調信号を生成し、復調部が前記電力増幅部より出力されるパルス幅変調信号を復調して、オーディオ信号帯域と前記オーディオ信号帯域を超えるパルス幅変調信号の高周波帯域とを含み、スピーカに供給されるアナログの第2のオーディオ信号を生成し、電流検出回路が前記第2のオーディオ信号の電流を検出し、ハイパスフィルタが前記第2のオーディオ信号の電流における前記オーディオ信号帯域を含む低周波成分を除去し、電流帰還回路が、前記低周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電流成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還するスピーカ駆動方法が提供される。
 1またはそれ以上の実施形態のデジタルパワーアンプ、スピーカ駆動システム、及びスピーカ駆動方法によれば、オーディオ信号帯域を超える高周波帯域で流れる異常電流を抑制して、高周波帯域で流れる異常電流による不具合の発生を低減させることができる。
図1は、1またはそれ以上の実施形態のデジタルパワーアンプ及びスピーカ駆動システムを示すブロック図である。 図2は、図1に示すパルス幅変調部13がPWM信号を生成するときのデューティ比と自励周波数との関係を示す特性図である。 図3は、図1に示す電圧帰還回路22の電圧帰還量β0と電流帰還回路24の電流帰還量β1aとを変化させたときの、デジタルパワーアンプ100の出力電流Ioと出力電圧Voとの関係を示す特性図である。 図4は、図1に示すデジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号の第1の例とそのときの異常電流を示す波形図である。 図5は、図1に示すデジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号の第2の例とそのときの異常電流を示す波形図である。 図6は、図1において仮に高周波帯域において電圧帰還量β0bで電圧を帰還する電圧帰還回路を設けて、電圧帰還量β0bと電流帰還回路26の電流帰還量β1bとを変化させたときの、デジタルパワーアンプ100の出力電流Ioと出力電圧Voとの関係を示す特性図である。 図7は、デジタルパワーアンプ100の出力電流成分と、電流帰還回路24及び26の出力電流成分の周波数帯域を示す図である。
 以下、1またはそれ以上の実施形態のデジタルパワーアンプ、スピーカ駆動システム、及びスピーカ駆動方法について、添付図面を参照して説明する。
 図1において、2台のデジタルパワーアンプ100a及び100bが並列接続されており、デジタルパワーアンプ100a及び100bにはスピーカ50aが接続されている。デジタルパワーアンプ100a及び100bを含む任意のデジタルパワーアンプをデジタルパワーアンプ100と称することとする。3台以上のデジタルパワーアンプ100が並列接続されていてもよい。並列接続された複数のデジタルパワーアンプ100はスピーカ駆動システムを構成する。
 図1ではデジタルパワーアンプ100a及び100bに1つのスピーカ50aのみが接続されているが、スピーカ50aと並列にスピーカ50bが接続されていてもよい。スピーカ50a及び50bを含む任意のスピーカをスピーカ50と称することとする。デジタルパワーアンプ100a及び100bに3つ以上のスピーカ50が並列接続されていてもよい。
 図1に示すデジタルパワーアンプ100はいわゆるハイインピーダンスアンプである。スピーカ50の個数に応じて、必要台数の複数のデジタルパワーアンプ100が並列接続されていればよい。並列接続された複数のデジタルパワーアンプ100に少なくとも1つのスピーカ50が接続されていればよい。
 デジタルパワーアンプ100bの構成及び動作は、デジタルパワーアンプ100aの構成及び動作と同じである。代表して、デジタルパワーアンプ100aの構成及び動作を説明する。
 図1に示すように、デジタルパワーアンプ100aは、加算器11、オペアンプ12、帰還回路17、パルス幅変調部13(以下、PWM変調部13)、電力増幅部14、復調部15、電流検出回路16、及び電源回路30を備える。また、デジタルパワーアンプ100aは、ローパスフィルタ21(以下、LPF21)、電圧帰還回路22、ローパスフィルタ23(以下、LPF23)、電流帰還回路24、ハイパスフィルタ25(以下、HPF25)、及び電流帰還回路26を備える。
 LPF21は第1のローパスフィルタであり、LPF23は第2のローパスフィルタである。電流帰還回路26は第1の電流帰還回路であり、電流帰還回路24は第2の電流帰還回路である。
 電源回路30は、図示していない商用電源に接続されており、オペアンプ12、PWM変調部13、電力増幅部14、及び電流検出回路16に電力を供給する。
 アナログのオーディオ信号Sin(第1のオーディオ信号)は、加算器11に入力される。加算器11は、後述する電圧帰還回路22による電圧帰還信号と、電流帰還回路24及び26による電流帰還信号とを加算して、オペアンプ12の反転入力端子に供給する。オペアンプ12の非反転入力端子は接地されている。PWM変調部13は、オペアンプ12より出力されるアナログ信号の振幅に応じたデューティ比を有するデジタルのパルス幅変調信号(PWM信号)を生成して出力する。PWM変調部13は、PWM信号を電力増幅部14に供給する。
 オペアンプ12は積分回路を構成する。電力増幅部14の出力を帰還回路17によってオペアンプ12の反転入力端子へと帰還することによって、オペアンプ12は自励発振動作を行う。オペアンプ12が、反転入力端子に入力されるオーディオ信号Sinと、電力増幅部14の出力を帰還回路17によって反転入力端子へと帰還した帰還信号との和を積分した信号をPWM変調部13がパルス幅変調することによって、PWM変調部13は自励発振動作を行うPWM信号を生成する。PWM変調部13は、電源回路30から電力が供給されている限り、加算器11にオーディオ信号Sinが入力されていなくても、スピーカ50が接続されていなくても、PWM信号を生成する。
 PWM変調部13は、オペアンプ12からアナログ信号が入力されないとき、即ち、アナログ信号の振幅がゼロであるとき、デューティ比50%のPWM信号を生成する。PWM変調部13は、入力されるアナログ信号の振幅の増減に応じて、デューティ比50%から増減したデューティ比のPWM信号を生成する。一例として図2に示すように、自励発振型PWM変調部13は、デューティ比に応じた自励周波数のPWM信号を生成する。図2に示す例では、自励周波数は100kHz~500kHzの範囲で変化する。
 図1に戻り、電力増幅部14は、PWM変調部13より供給されるPWM信号の電力を増幅して復調部15に供給する。復調部15は、インダクタL及びコンデンサCを有するローパスフィルタ(LPF)を有する。インダクタLは電力増幅部14と電流検出回路16との間に直列に接続されており、コンデンサCは、一方の端子がインダクタLの出力段に接続され、他方の端子が接地されている。復調部15は、入力されたデジタル信号の高周波成分を除去してアナログ信号に復調する。
 復調部15より出力されたアナログ信号は電流検出回路16を介して、アナログのオーディオ信号Sout(第2のオーディオ信号)としてスピーカ50aに供給される。このように、デジタルパワーアンプ100aは、入力されるアナログのオーディオ信号Sinを一旦デジタルのPWM信号に変換した上で増幅し、アナログのオーディオ信号Soutに復調してスピーカ50aを駆動する。後述するように、オーディオ信号Soutは、オーディオ信号帯域と復調部15にて除去しきれなかったオーディオ信号帯域を超えるPWM信号の高周波帯域とを含む。
 デジタルパワーアンプ100aは、オーディオ性能を改善させたり、回路の安定性を向上させたりするために、電圧帰還回路22及び電流帰還回路24を備える。なお、オーディオ性能の改善とは、出力電圧の変動を抑えること、歪み率を低減させること、ノイズを低減させることのうちの少なくとも1つを含む。LPF21は、電流検出回路16を通過した後のオーディオ信号Soutの電圧の高周波成分を除去して電圧帰還回路22に供給する。電圧帰還回路22は、高周波成分が除去された電圧成分をオーディオ信号Sinに加算するよう加算器11へと帰還する。
 電流検出回路16は、オーディオ信号Soutの電流を検出する。LPF23は、電流検出回路16が検出したオーディオ信号Soutの電流の高周波成分を除去して電流帰還回路24に供給する。電流帰還回路24は、高周波成分が除去された電流成分をオーディオ信号Sinに加算するよう加算器11へと帰還する。
 電圧帰還回路22による電圧帰還量をβ0、電流帰還回路24による電流帰還量をβ1aとする。デジタルパワーアンプ100(100a及び100b)の出力電流をIo、出力電圧をVoとする。電圧帰還量β0と電流帰還量β1aとを変化させると、出力電流Ioと出力電圧Voとの関係は図3のように変化する。
 図3に示すように、電流帰還量β1aを小さく(例えば0)、電圧帰還量β0を大きくして電圧帰還回路22による電圧帰還を強く動作させると、出力電圧Voの変動がなくなり、オーディオ性能をより改善させることができる。このとき、デジタルパワーアンプ100の並列接続動作の安定性は悪化する。電圧帰還量β0を小さく(例えば0)、電流帰還量β1aを大きくして電流帰還回路24による電流帰還を強く動作させると、出力電流Ioの変動がなくなり、デジタルパワーアンプ100の並列接続動作の安定性を向上させる。このとき、オーディオ性能の改善の程度は悪化する。
 このように、電圧帰還回路22による電圧帰還の動作による効果と電流帰還回路24による電流帰還の動作による効果とはトレードオフの関係となる。
 デジタルパワーアンプ100aとデジタルパワーアンプ100bとの電圧利得が同じでなく、デジタルパワーアンプ100a及び100bの出力電圧Voが出力電圧Vo1及びVo2であるとき、出力電流Ioには出力電流変動幅ΔIoが生じる。すると、デジタルパワーアンプ100aとデジタルパワーアンプ100bとの間には、オーディオ信号帯域において異常電流が流れる。出力電流Ioと出力電圧Voとがなす傾きが大きいほど出力電流変動幅ΔIoを小さくすることができ、オーディオ信号帯域における異常電流を抑制することができるものの、オーディオ性能の改善の程度が悪化してしまう。
 そこで、図3に実線で示すように、電流帰還量β1a及び電圧帰還量β0を0を超える所定の値に設定して、出力電流Ioと出力電圧Voとがなす傾き(β1a/β0の比率)を適宜の傾き(適宜の比率)に設定するのがよい。デジタルパワーアンプ100においては、オーディオ信号帯域における異常電流を極力抑制しながら、オーディオ性能の改善とデジタルパワーアンプ100の並列接続動作の安定性の向上とを両立させるβ1a/β0の比率の最適値を設定している。
 ところが、本発明者による検証によって、オーディオ信号帯域における異常電流を抑制したとしても、並列接続されている複数のデジタルパワーアンプ100間にオーディオ信号帯域を超える高周波帯域で異常電流が流れ、高周波帯域で流れる異常電流が各種の不具合を招くおそれがあることが明らかとなった。高周波帯域で流れる異常電流は、デジタルパワーアンプ100によるオーディオ信号Sinの増幅の効率を悪化させたり、オーディオ性能を悪化させたり、回路素子を発熱させて機器の低寿命化を招いたり、機器の破壊のおそれを増大させたりする不具合を招くことがある。
 図4において、(a)及び(b)はそれぞれデジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号の第1の例を示している。デジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号の周期はいずれもt1であり、両者の周波数が一致している。しかしながら、デジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号の位相がずれている。
 この場合、デジタルパワーアンプ100aとデジタルパワーアンプ100bとの間には、オーディオ信号帯域を超える高周波帯域において図4の(c)に示す異常電流が流れる。異常電流は周期t1を有し、デジタルパワーアンプ100aからデジタルパワーアンプ100bへと、デジタルパワーアンプ100bからデジタルパワーアンプ100aへと交互に流れる。
 図5において、(a)及び(b)はそれぞれデジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号の第2の例を示している。デジタルパワーアンプ100aが生成するPWM信号の周期はt1、デジタルパワーアンプ100bが生成するPWM信号の周期はt2であり、両者の周波数が異なっている。
 この場合も、デジタルパワーアンプ100aとデジタルパワーアンプ100bとの間には、オーディオ信号帯域を超える高周波帯域において図5の(c)に示す異常電流が流れる。異常電流は周期t1と周期t2とを交互に繰り返す周期を有し、デジタルパワーアンプ100aからデジタルパワーアンプ100bへと、デジタルパワーアンプ100bからデジタルパワーアンプ100aへと交互に流れる。
 このように、並列接続されているデジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号に位相差または周波数差が存在すると、PWM信号に由来する高周波帯域において並列接続されているデジタルパワーアンプ100間に異常電流が流れる。その異常電流は、電源回路30から電力が供給されている限り、加算器11にオーディオ信号Sinが入力されていなくても、スピーカ50が接続されていなくても、並列接続されているデジタルパワーアンプ100間に流れる。
 そこで、図1に示すように、デジタルパワーアンプ100aにおいては、PWM信号に由来する高周波帯域における異常電流を抑制するための電流帰還回路26を設けている。電流帰還回路26による電流帰還量をβ1bとする。電流検出回路16で検出されたオーディオ信号Soutの電流は、HPF25によって低周波成分が除去されて電流帰還回路26によって加算器11へと帰還される。上記のようにPWM変調部13が生成するPWM信号の周波数は100kHz~500kHzの範囲であり、異常電流の周波数はPWM信号の周波数と同じである。HPF25は、100kHz~500kHzの周波数帯域を通過させる。
 図1では高周波帯域における電圧を帰還する電圧帰還回路は存在しないが、仮に、高周波帯域において電圧帰還量β0bで電圧を帰還したとする。電圧帰還量β0bと電流帰還量β1bとを変化させると、出力電流Ioと出力電圧Voとの関係は図3と同様に図6のように変化する。上記と同様に、電流帰還量β1bを大きくして電流帰還回路26による電流帰還を強く動作させると、オーディオ性能の改善の程度を悪化させるが、デジタルパワーアンプ100の並列接続動作の安定性を向上させることができる。
 ところが、オーディオ信号帯域を超える高周波帯域においてはオーディオ信号が存在しないから、オーディオ性能の改善の程度の悪化を考える必要はない。即ち、図6に実線で示すように、電流帰還回路26による電流帰還量β1bを大きくして、並列接続動作の安定性を向上させることだけを考えればよい。そこで、電流帰還回路26は電流帰還量β1bを大きくして電流帰還を強く動作させる。電流帰還回路26における電流帰還量β1bは、電流帰還回路24における電流帰還量β1aよりも大きい。
 並列接続されているデジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号に位相差または周波数差が存在し、デジタルパワーアンプ100a及び100bの出力電圧Voが出力電圧Vo1及びVo2であるとする。このとき、高周波帯域における電流帰還を強く動作させれば、図6に示すように出力電流変動幅ΔIoを小さくすることができる。よって、高周波帯域における異常電流を抑制することができる。
 図7を用いて、デジタルパワーアンプ100の動作を説明する。図7の(a)に示すように、デジタルパワーアンプ100の出力電流Ioは、例えば20Hz~20kHzのオーディオ信号帯域のオーディオ信号電流成分と、100kHz~500kHzの異常電流成分とを含む。オーディオ信号電流成分はオーディオ信号帯域における異常電流を含むことがある。PWM信号の電流成分も100kHz~500kHzに存在する。なお、PWM信号の電流成分及び異常電流成分は、100kHz~500kHzの周波数帯域におけるいずれかの周波数に存在する。
 LPF23は高周波成分を除去して、20Hz~20kHzのオーディオ信号帯域を含む周波数帯域を電流帰還回路24に供給する。よって、図7の(b)に示すように、電流帰還回路24はオーディオ信号電流成分を加算器11へと帰還する。HPF25は低周波成分を除去して、100kHz~500kHzを含む周波数帯域を電流帰還回路26に供給する。よって、図7の(c)に示すように、電流帰還回路26は100kHz~500kHzの異常電流成分を加算器11へと帰還する。
 電流帰還回路26が異常電流成分を加算器11へと帰還することによって、自励発振型PWM変調方式のデジタルパワーアンプ100a及び100bが生成するPWM信号の位相のずれが解消され、周波数の不一致が解消されて、異常電流成分が抑制される。よって、デジタルパワーアンプ100によれば、高周波帯域で流れる異常電流による不具合の発生を低減させることができる。
 電圧帰還回路22及び電流帰還回路24は、オーディオ性能の改善及び複数のデジタルパワーアンプ100が並列接続されているときに各デジタルパワーアンプ100の電圧利得が同じでないと発生するオーディオ信号帯域における異常電流を抑制している。オーディオ性能の改善を必要とせず、各デジタルパワーアンプ100の電圧利得差が発生しないように電圧利得の調整及び管理が可能となる場合には、デジタルパワーアンプ100は、LPF21、電圧帰還回路22、LPF23、及び電流帰還回路24を設けなくてもよい。即ち、デジタルパワーアンプ100は、帰還回路として、HPF25及び電流帰還回路26のみを備えてもよい。
 ところで、デジタルパワーアンプ100の出力にトランスを設けて、オーディオ信号帯域を超える高周波帯域の異常電流が並列接続されている複数のデジタルパワーアンプ100間に流れないようにすることができる。この場合のトランスとしては、大型で高価な大電力用トランスを必要とする。よって、デジタルパワーアンプ100が大電力用トランスを備えると、装置が大型化し、高価となってしまう。図1に示す1またはそれ以上の実施形態の構成によれば、装置が大型化することなく、安価に、オーディオ信号帯域を超える高周波帯域で流れる異常電流が並列接続されている複数のデジタルパワーアンプ100間に流れないようにすることができる。
 本発明は以上説明した1またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
 本願は、2021年3月15日に日本国特許庁に出願された特願2021-041040号に基づく優先権を主張するものであり、その全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (4)

  1.  反転入力端子にアナログの第1のオーディオ信号が入力されるオペアンプと、
     前記オペアンプの出力に基づいてパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調部と、
     前記パルス幅変調信号の電力を増幅する電力増幅部と、
     前記電力増幅部の出力を前記反転入力端子へと帰還する帰還回路と、
     を備え、
     前記オペアンプは、前記帰還回路による帰還信号を前記反転入力端子へと帰還することによって自励発振動作を行い、
     前記オペアンプが前記第1のオーディオ信号と前記帰還信号との和を積分した信号を前記パルス幅変調部がパルス幅変調することによって、前記パルス幅変調部は自励発振動作を行うパルス幅変調信号を生成し、
     前記電力増幅部より出力されるパルス幅変調信号を復調して、オーディオ信号帯域と前記オーディオ信号帯域を超えるパルス幅変調信号の高周波帯域とを含み、スピーカに供給されるアナログの第2のオーディオ信号を生成する復調部と、
     前記第2のオーディオ信号の電流における前記オーディオ信号帯域を含む低周波成分を除去するハイパスフィルタと、
     前記低周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電流成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する第1の電流帰還回路と、
     をさらに備えるデジタルパワーアンプ。
  2.  前記第2のオーディオ信号の電圧における前記高周波帯域を含む高周波成分を除去する第1のローパスフィルタと、
     前記高周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電圧成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する電圧帰還回路と、
     前記第2のオーディオ信号の電流における前記高周波帯域を含む高周波成分を除去する第2のローパスフィルタと、
     前記高周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電流成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する第2の電流帰還回路と、
     をさらに備え、
     前記第1の電流帰還回路における電流帰還量は、前記第2の電流帰還回路における電流帰還量よりも大きい
     請求項1に記載のデジタルパワーアンプ。
  3.  複数のデジタルパワーアンプが並列に接続され、並列に接続された前記複数のデジタルパワーアンプに少なくとも1つのスピーカが接続され、
     各デジタルパワーアンプは、
     反転入力端子にアナログの第1のオーディオ信号が入力されるオペアンプと、
     前記オペアンプの出力に基づいてパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調部と、
     前記パルス幅変調信号の電力を増幅する電力増幅部と、
     前記電力増幅部の出力を前記反転入力端子へと帰還する帰還回路と、
     を備え、
     前記オペアンプは、前記帰還回路による帰還信号を前記反転入力端子へと帰還することによって自励発振動作を行い、
     前記オペアンプが前記第1のオーディオ信号と前記帰還信号との和を積分した信号を前記パルス幅変調部がパルス幅変調することによって、前記パルス幅変調部は自励発振動作を行うパルス幅変調信号を生成し、
     前記電力増幅部より出力されるパルス幅変調信号を復調して、オーディオ信号帯域と前記オーディオ信号帯域を超えるパルス幅変調信号の高周波帯域とを含み、前記スピーカに供給されるアナログの第2のオーディオ信号を生成する復調部と、
     前記第2のオーディオ信号の電流における前記オーディオ信号帯域を含む低周波成分を除去するハイパスフィルタと、
     前記低周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電流成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する電流帰還回路と、
     をさらに備えるスピーカ駆動システム。
  4.  オペアンプの反転入力端子にアナログの第1のオーディオ信号を入力し、
     パルス幅変調部が、前記オペアンプの出力に基づいてパルス幅変調信号を生成し、
     電力増幅部が前記パルス幅変調信号の電力を増幅し、
     帰還回路が前記電力増幅部の出力を前記反転入力端子へと帰還し、
     前記オペアンプは、前記帰還回路による帰還信号を前記反転入力端子へと帰還することによって自励発振動作を行い、
     前記オペアンプが前記第1のオーディオ信号と前記帰還信号との和を積分した信号を前記パルス幅変調部がパルス幅変調することによって、前記パルス幅変調部は自励発振動作を行うパルス幅変調信号を生成し、
     復調部が前記電力増幅部より出力されるパルス幅変調信号を復調して、オーディオ信号帯域と前記オーディオ信号帯域を超えるパルス幅変調信号の高周波帯域とを含み、スピーカに供給されるアナログの第2のオーディオ信号を生成し、
     電流検出回路が前記第2のオーディオ信号の電流を検出し、
     ハイパスフィルタが前記第2のオーディオ信号の電流における前記オーディオ信号帯域を含む低周波成分を除去し、
     電流帰還回路が、前記低周波成分が除去された前記第2のオーディオ信号の電流成分を、前記第1のオーディオ信号に加算するよう帰還する
     スピーカ駆動方法。
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