(57)【要約】  増幅器内の電力損失を最小化するために、複数対の電源レールの間を動的に切り換えて最も有利なレール組合せを選択する能力を有する新規のＬ級増幅器。２つのＬ級増幅器を使用して負荷を駆動するブリッジ増幅器システム。
2009530996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を受け取り、かつ第１の出力信号を供給するように結合された第１の増幅器デバイスと、
前記出力信号が第１のしきい値より低くなるのに応答して、第１の電源レール及び第２の電源レールに前記第１の増幅器デバイスを結合し、前記入力信号が前記第１のしきい値より高くなること及び第２のしきい値より低くなることに応答して、第３の電源レール及び前記第１の電源レールに前記第１の増幅器デバイスを結合し、かつ、前記入力信号が前記第２のしきい値より高くなることに応答して、第４の電源レール及び前記第１の電源レールに前記第１の増幅器デバイスを結合するための、前記第１の増幅器デバイスに結合された第１のレール選択器とを備える増幅器システム。
【請求項２】
入力信号を受け取り、かつ第２の出力信号を供給するように結合された第２の増幅器デバイスと、
前記出力信号が第３のしきい値より低くなるのに応答して、第５の電源レール及び第６の電源レールに前記第２の増幅器デバイスを結合し、前記入力信号が前記第３のしきい値より高くなること及び第４のしきい値より低くなることに応答して、第７の電源レール及び前記第５の電源レールに前記第２の増幅器デバイスを結合し、かつ、前記入力信号が前記第４のしきい値より高くなることに応答して、第８の電源レール及び前記第５の電源レールに前記第２の増幅器デバイスを結合するための、前記第２の増幅器デバイスに結合された第２のレール選択器とをさらに備える請求項１に記載の増幅器システム。
【請求項３】
前記第１の入力信号がプラスの入力信号を成し、
前記第１の増幅器デバイスがプラスの増幅器デバイスを成し、
前記第２の入力信号がマイナスの入力信号を成し、かつ、
前記第２の増幅器デバイスがマイナスの増幅器デバイスを成す請求項２に記載の増幅器システム。
【請求項４】
前記第１、第２、第３、第４の電源レールが実質的に均一な間隔に離されたプラス電圧を成し、
前記第５、第６、第７、第８の電源レールが実質的に均一な間隔に離されたマイナス電圧を成す請求項３に記載の増幅器システム。
【請求項５】
前記第１のレール選択器が、Ｍ個の可能なレール組合せに前記第１の増幅器デバイスを結合するように適合され、
前記第２のレール選択器が、Ｎ個の可能なレール組合せに前記第２の増幅器デバイスを結合するように適合され、
Ｍ及びＮが正の整数であり、かつＮ＞  である請求項２に記載の増幅器システム。
【請求項６】
前記第１のレール選択器が、前記第１及び第２の出力信号を受け取り、それに応答して第１の中間結果信号を生成するように結合された第３の増幅器デバイスと、
前記第１の中間結果信号を受け取るように前記第３の電源レールに結合され、その信号に応答して第２の中間結果信号を生成する第１の比較器と、
前記第１の中間結果信号を受け取るように前記第２の電源レールに結合され、その信号に応答して第３の中間結果信号を生成する第２の比較器と、
前記第１及び第２の出力信号を受け取り、それに応答して第４の中間結果信号を生成するように結合された第４の増幅器デバイスと、
前記第４の中間結果信号を受け取るように前記第６の電源レールに結合され、その信号に応答して第５の中間結果信号を生成する第３の比較器と、
前記第４の中間結果信号を受け取るように前記第７の電源レールに結合され、その信号に応答して第６の中間結果信号を生成する第４の比較器と、
前記第２、第３、第５、及び第６の中間結果信号を受け取り、それに応答して第７の結果信号を生成するように結合されるＮＯＲデバイスとを備え、
前記第２の中間結果信号が、前記第１の増幅器デバイス向けに前記第４及び第１の電源レールを選択し、かつ前記第２の増幅器デバイス向けに前記第６及び第５の電源レールを選択し、
前記第３の中間結果信号が、前記第１の増幅器デバイス向けに前記第３及び第１の電源レールを選択し、かつ前記第２の増幅器デバイス向けに前記第６及び第５の電源レールを選択し、
前記第５の中間結果信号が、前記第１の増幅器デバイス向けに前記第２及び第１の電源レールを選択し、かつ前記第２の増幅器デバイス向けに前記第７及び第５の電源レールを選択し、
前記第６の中間結果信号が、前記第１の増幅器デバイス向けに前記第２及び第１の電源レールを選択し、かつ前記第２の増幅器デバイス向けに前記第８及び第５の電源レールを選択し、
前記第７の結果信号が、前記第１の増幅器デバイス向けに前記第２及び第１の電源レールを選択し、かつ前記第２の増幅器デバイス向けに前記第６及び第５の電源レールを選択する請求項２に記載の増幅器システム。
【請求項７】
前記第１、第２、第３、第４の電源レールの電圧が、前記第４のレールが前記第３のレールの電圧より大きく、前記第３のレールの電圧が前記第２レールの電圧がより大きく、また前記第２のレールの電圧が前記第１のレールの電圧より大きいように構成され、
前記第５、第６、第７、第８の電源レールの電圧が、前記第８のレールの電圧が前記第７のレールの電圧より大きく、前記第７のレールの電圧が前記第６レールの電圧がより大きく、また前記第６のレールの電圧が前記第５のレールの電圧より大きいように構成される請求項６に記載の増幅器システム。
【請求項８】
前記第１及び第５の電源レールがアースを成す請求項７に記載の増幅器システム。
【請求項９】
前記第１、第２、第３、第４の電源レールが実質的に均一な間隔に離された電圧からなり、
前記第５、第６、第７、第８の電源レールが実質的に均一な間隔に離された電圧からなる請求項７に記載の増幅器システム。
【請求項１０】
前記第１、第２、第３、第４の電源レールが実質的に均一な間隔に離されたプラス電圧を成す請求項１に記載の増幅器システム。
【請求項１１】
入力信号を受け取って出力信号を供給する増幅器を動作させる方法であって、
前記入力信号及び前記出力信号のうち１つを含む判定信号を備えて、
前記判定信号が第１のしきい値より低くなることに応答して、第１の電源レール及び第２の電源レールで前記増幅器に電力を供給するステップと、
前記判定信号が前記第１のしきい値より高くかつ第２のしきい値より低くなることに応答して、第３の電源レール及び前記第１の電源レールで前記増幅器に電力を供給するステップと、
前記判定信号が前記第２のしきい値より高くなることに応答して、第４の電源レール及び前記第１の電源レールで前記増幅器に電力を供給するステップとを含み、
前記第４の電源レールの電圧が前記第３の電源レールの電圧より大きく、前記第３の電源レールの電圧が前記第２の電源レールの電圧より大きく、前記第２の電源レールの電圧が前記第１の電源レールの電圧より大きい、方法。
【請求項１２】
前記増幅器がプラスの増幅器及びマイナスの増幅器を備えて、
前記判定信号がプラスであって、かつ第１のプラスのしきい値より低くなることに応答して、第１のプラスの電源レール及び第２のプラスの電源レールで前記プラスの増幅器に電力を供給するステップと、
前記判定信号がプラスであって、前記第１のプラスのしきい値より高くかつ第２のプラスのしきい値より低くなることに応答して、第３のプラスの電源レール及び前記第１のプラスの電源レールで前記プラスの増幅器に電力を供給するステップと、
前記判定信号がプラスであって、かつ前記第２のプラスのしきい値より高くなることに応答して、第４のプラスの電源レール及び前記第１のプラスの電源レールで前記プラスの増幅器に電力を供給するステップと、
前記判定信号がマイナスであって、かつ第１のマイナスのしきい値より低くなることに応答して、第５のプラスの電源レール及び第６のプラスの電源レールで前記マイナスの増幅器に電力を供給するステップと、
前記判定信号が前記第１のマイナスのしきい値よりマイナスであり、かつ第２のマイナスのしきい値ほどマイナスでなくなることに応答して、第７のプラスの電源レール及び前記第５のプラスの電源レールで前記マイナスの増幅器に電力を供給するステップと、
前記判定信号が前記第２のマイナスのしきい値よりマイナスになることに応答して、第８のプラスの電源レール及び前記第５のプラスの電源レールで前記マイナスの増幅器に電力を供給するステップとをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１と第５のプラスの電源レールが実質的に等しい電圧であり、
前記第２と第６のプラスの電源レールが実質的に等しい電圧であって、前記第１及び第５のプラスの電源レールより高いプラスであり、
前記第３と第７のプラスの電源レールが実質的に等しい電圧であって、前記第２及び第６のプラスの電源レールより高いプラスであり、
前記第４と第８のプラスの電源レールが実質的に等しい電圧であって、前記第３及び第７のプラスの電源レールより高いプラスである請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電子増幅器に関し、より詳細には、複数の電源レールを有し、改善されたレール選択方法を用いて電力効率を改善する差動（ブリッジ）増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａ級増幅器やＢ級増幅器は非常に効率が悪い。Ｄ級増幅器は、いくぶんより高効率であるが、線形性の低下とコストの増加というトレードオフがある。Ｄ級増幅器は、入力信号がないときの電力損失である零入力損失が大きいことも問題である。Ｄ級増幅器には、一般に出力低域フィルタも必要であり、要素数及びコストが増加する。Ａ級増幅器、ＡＢ級増幅器、Ｄ級増幅器は、一般にＶＣＣ及びＶＳＳ、又はＶＣＣ及びＧＮＤと呼ばれる１対の電源レールを使用する。
【０００３】
ＳＴマイクロエレクトロニクス社のＴＤＡ７５６３は、２つのＡＢ級増幅器を使用してブリッジ負荷の終端を駆動する自動車オーディオ増幅器チップである。任意の所定時刻で、２つの増幅器のうちの１つだけがオンであり、他方はオフである。オンの増幅器が負荷の片端で全信号を駆動し、オフの増幅器は単にＧＮＤに切り換えられる。出力信号の極性が変化すると、２つの増幅器の状態が交替する。これは、従来型のＡＢ級構成に対して、電力損失を概算で半分に削減する。
【０００４】
Ｇ級増幅器は、いくつかの用途において、Ａ級増幅器、ＡＢ級増幅器、Ｄ級増幅器に対するたいへん優れた代替になりつつある。Ｇ級増幅器は、複数対の電源レールを使用して効率を改善する。Ｇ級増幅器は、いかなる所与の瞬間でも入力信号に適応する、最低電圧の（出力デバイスに対して）電源レールを使用して電源レール間で急速に切り換わる。デジタル・ルックアヘッド技術を用いて切換え性能を改善するものもある。Ｇ級増幅器の理論的最高効率は、電源レール数の増加とともに向上し、電源レール数が無限大に近づくと理論上１００％に近づく。残念ながら、電源レール数を増加させるには、より多くの電源回路及び移行回路を付加する必要があり、これによって、システムのコスト、複雑さ、サイズが増す。結果として、Ｇ級増幅器はほんの少数の市場で採用されているにすぎない。
【０００５】
いくつかの用途では、Ｇ級ダブル・ブリッジ増幅器によって負荷が駆動される。この構成では、差動式で負荷の両端子が駆動される。負荷の同相モードは、通常、最も高い供給電圧（ＶＣＣ）を２で割った静止点を中心とする。
【０００６】
効率改善における主要な目標は、あらゆる所与の瞬間において、あらゆる増幅器出力端子とその出力端子に電流を供給している電源レールの間の電位降下を最小化することである。これによって、増幅器の出力段におけるＰ＝ＶＩ損失が低下する。
【０００７】
図１は、負荷を駆動するＧ級ダブル・ブリッジ増幅器（Ａ０及びＡ１）の例を示す。この例では、ＶＣＣ４−０＞ＶＣＣ３−０＞ＶＣＣ２−０＞ＶＣＣ０−０かつＶＣＣ４−１＞ＶＣＣ３−１＞ＶＣＣ１−１＞ＶＣＣ０−１である。この例では、負荷は抵抗性であり、負荷に供給電圧ＶＣＣ３−０とＶＣＣ１−１の間のバイアスをかける信号が存在する。例えば、４つの電源レールは、ＶＣＣ０＝０ｖ、ＶＣＣ１＝１ｖ、ＶＣＣ３＝３ｖ、ＶＣＣ４＝４ｖでよいが、任意の他の昇順の値も代わりに用いられてよい。この例では、増幅器用の２ｖの同相モード・ポイントとの混乱を避けるために、ＶＣＣ２という用語は用いない。電源レールに対する−０又は−１の添数は、電源レールが第１の増幅器Ａ０向けであるか、又は第２の増幅器Ａ１向けであることを示す。
【０００８】
図１の例では、負荷の両端の電圧はＶＣＣ３−０からＶＣＣ１−１を引いたものより小さい。この例では、負荷を通って流れる電流は、電源ＶＣＣ３−０とＶＣＣ１−１の間を流れる。
【０００９】
図２は、従来技術による別の増幅器システムを示す。この増幅器システムは、第１の相補型対ＮＰＮ０、ＰＮＰ０及び第２の相補型対ＮＰＮ１、ＰＮＰ１を含み、１つの負荷を駆動するように各々が結合されている。
【００１０】
ＮＰＮ０トランジスタのコレクタは、第１のスイッチＳＷ１を介してＶＣＣ４−０のレールに結合され、また、第１のダイオードＤ１を介してＶＣＣ３−０のレールに結合される。ＰＮＰ０トランジスタのコレクタは、第２のスイッチＳＷ２を介してＶＣＣ０−０のレールに結合され、また、第２のダイオードＤ２を介してＶＣＣ１−０のレールに結合される。ＮＰＮ１トランジスタのコレクタは、第３のスイッチＳＷ３を介してＶＣＣ４−１のレールに結合され、また、第３のダイオードＤ３を介してＶＣＣ３−１のレールに結合される。ＰＮＰ１トランジスタのコレクタは、第４のスイッチＳＷ４を介してＶＣＣ１−０のレールに結合され、また、第４のダイオードＤ４を介してＶＣＣ１−１のレールに結合される。
【００１１】
第１のドライバ・ロジック（ドライバ０）は、入力信号を受け取り、入力信号を基に第１の相補型対に対してゲート信号を供給する。第２のドライバ（ドライバ１）は、入力信号を受け取り、入力信号を基に第２の相補型対に対してゲート信号を供給する。外側レールを使用しなければならないほど入力信号が十分に大きいと、ドライバは、スイッチを起動して相補型対に外側レールを結合する。ダイオードが、スイッチが起動されたときに内側レールが外側レールに短絡されるのを防ぐ。内側レールしか必要でないほど入力信号が十分に小さいとき、ドライバがスイッチを不活性化させ、内側レール（ダイオードの接合電圧降下を引いたもの）によって相補型対に電力が供給される。
【００１２】
図３は、図２の一部を実施するのに使用されてよいものなど、従来技術による別の増幅器システムを示す。増幅器システムは、各々が破線のボックスによって示された増幅器出力デバイス、ドライバ、レール選択器を含む。
【００１３】
出力デバイスは相補型対を含み、そのエミッタが増幅器の出力ノードを駆動する。相補型対のコレクタは、切り換えられるプラスの電源及び切り換えられるマイナスの電源にそれぞれ結合される。
【００１４】
レール選択器は第１の比較器（Ｃｏｍｐ  １）を含み、これは、出力ノードでの信号を、ＶＣＣ３−０の内側レールからΔＶ１降下を引いたものと比較して、第１のスイッチ（図２のＳＷ１）を閉じる信号を生成する。レール選択器は第２の比較器（Ｃｏｍｐ  ２）を含み、これは、出力ノードでの信号を、ＶＣＣ１−０の内側レールにΔＶ２降下を足したものと比較して、第２のスイッチ（図２のＳＷ２）を閉じる信号を生成する。ΔＶ１及びΔＶ２は、出力電圧がレールと抵触しないことを保証するために、出力電圧の値とＶＣＣ３のレール及びＶＣＣ１のレールとの間に、それぞれ十分なマージンを設ける。
【００１５】
図４Ａ〜図４Ｂは、Ｇ級ダブル・ブリッジ増幅器（増幅器０及び増幅器１）が図１のように負荷を駆動するために使用されるとき用いられる様々な電流路のより包括的な組を示す。図１に示される電流路は、この場合、図１のＶＣＣ３−０からＶＣＣ１−１への線と同一ということになる。レールが４つのＧ級増幅器は、示された例では、一方がＶＣＣ３からＶＣＣ１に結合され、他方がＶＣＣ４からＶＣＣ０へ結合された２つのＡＢ級増幅器の間で切り換わっているかのように考えることができる。
【００１６】
この例には、ＶＣＣ４−０からＶＣＣ０−１、ＶＣＣ３−０からＶＣＣ１−１、ＶＣＣ４−１からＶＣＣ０−０及びＶＣＣ３−１からＶＣＣ１−０と、４つの可能な電流路がある。ＶＣＣ３からＶＣＣ１への組合せは、ＶＣＣ４からＶＣＣ０への組合せより電力消費が少ないが、より限定された振幅の信号にしか適応することができない。入力信号が、ＶＣＣ２の同相モード・ポイントから遠くに振れないとき（具体的には、ＶＣＣ３からＶＣＣ１を引いたものより負荷の両端の電圧が低いとき）、Ｇ級ブリッジ増幅器はＶＣＣ３からＶＣＣ１への組合せを用いることになる。ＶＣＣ３からＶＣＣ１への組合せが十分な電圧を供給するには入力信号がＶＣＣ２から遠くに離れすぎて振れるとき、増幅器はＶＣＣ４からＶＣＣ０への組合せの使用に移行することになる。
【００１７】
所望であれば、最低の電源レールはＧＮＤでよい。あるいは、同相モード・ポイントをＧＮＤに設定して、レールの低い方の半分はマイナスでよい。知られているように、他の設定も用いることができる。
【００１８】
小信号動作の期間中、増幅器はその内側レールを使用することができ、「状態１」として図４Ａに示される。プラス側増幅器（増幅器０）がレールＶＣＣ３−０及びＶＣＣ１−０を使用し、一方マイナス側増幅器（増幅器１）がレールＶＣＣ３−１及びＶＣＣ１−１を使用する。破線のボックスは、使用されるレールを示す。負荷を通る実線は、負荷を通る電流の流れを示す。プラスの入力信号が存在するとき、電流は、レールＶＣＣ３−０から負荷を通ってレールＶＣＣ１−１へ流れ、マイナスの入力信号が存在するとき、電流は、レールＶＣＣ３−１から負荷を通ってレールＶＣＣ１−０へ流れる。
【００１９】
大信号動作の期間中、増幅器は、その内側レールを使用することができず、外側レールに移行する必要があり、図４Ｂに「状態２」及び「状態３」として示される。プラス側増幅器（増幅器０）がレールＶＣＣ４−０及びＶＣＣ０−０を使用し、一方マイナス側増幅器（増幅器１）がレールＶＣＣ４−１及びＶＣＣ０−１を使用する。プラスの入力信号が存在するとき、電流は、レールＶＣＣ４−０から負荷を通ってレールＶＣＣ０−１へ流れ、マイナスの入力信号が存在するとき、電流は、レールＶＣＣ４−１から負荷を通ってレールＶＣＣ０−０へ流れる。
【００２０】
図１１は、図２及び／又は図３のものなど従来技術のシステムによる実際のプラス出力信号及びマイナス出力信号への応答として求められた、プラス側の高電圧切換えレール、マイナス側の高電圧切換えレール、プラス側の低電圧切換えレール及びマイナス側の低電圧切換えレールの挙動を示す信号波形グラフである。この例では、出力信号は三角波又は「鋸歯状」波を構成する。レールの添数−０及び−１は、明瞭さのために省略されており、プラスの切換えレールが例えばＶＣＣ３と表現されると、それはＶＣＣ３−０を意味し、また、マイナスの切換えレールが、例えばＶＣＣ３と表現されると、それはＶＣＣ３−１を意味することを理解されたい。例えば時間ｔ３とｔ４の間にある信号間の小さな垂直オフセットを無視されたい。それらは、説明だけのために、オーバーラップを回避することにより線をすべて見えるようにするためのものであり、回路のいかなる実際の挙動も示すようには意図されていない。
【００２１】
時間ｔ０では、プラス出力及びマイナス出力は、「ゼロ・クロス」ポイント（多くのシステムではしばしばＶＣＣ／２であり、すなわちこの例ではＶＣＣ４／２）にあり、プラス側の高電圧切換えレールはＶＣＣ３にあり、マイナス側の低電圧切換えレールはＶＣＣ１（内側レール）にある。時間ｔ１では、プラス出力はＶＣＣ３に近づいており、このため、プラス側の高電圧切換えレールがＶＣＣ４に切り換えられ、マイナス出力はＶＣＣ１に近づいており、このため、マイナス側の低電圧切換えレールがＶＣＣ０に切り換えられる。プラス側の低電圧切換えレールはＶＣＣ１にとどまり、マイナス側の高電圧切換えレールはＶＣＣ３にとどまる。時間ｔ２では、三角波がピークに達する。時間ｔ３では、プラス出力はＶＣＣ３より十分下に低下しており、プラス側の高電圧切換えレールはＶＣＣ３に切り換えて戻され、マイナス出力はＶＣＣ１より十分に高く上昇しており、マイナス側の低電圧切換えレールがＶＣＣ１に切り換えて戻される。
【００２２】
時間ｔ４では、プラス出力はＶＣＣ１の十分近くまで低下しており、プラス側の低電圧切換えレールがＶＣＣ０に切り換えられ、マイナス出力はＶＣＣ３の十分近くまで上昇しており、マイナス側の高電圧切換えレールがＶＣＣ４に切り換えられる。時間ｔ５では、三角波がピークに達する。時間ｔ６では、プラス出力はＶＣＣ１より十分高く上昇しており、プラス側の低電圧切換えレールがＶＣＣ１に切り換えて戻され、マイナス出力はＶＣＣ３より十分低く低下しており、マイナス側の高電圧切換えレールはＶＣＣ３に切り換えて戻される。
【００２３】
次いで、図示のようにサイクルが継続する。
【００２４】
図１１は、増幅器が、状態１、状態２又は状態３で動作している期間も識別する。状態２又は状態３のいずれかに入るか又はその状態から抜けるとき、同時に複数のレールが（この場合同時に２つが）切り換わることに留意されたい。レール切換え事象がこのように連結されるとき、レール組合せの合計数が比較的少なく、このことが、電力効率を最大限にする追求における選択肢を制限する。
【００２５】
従来技術のシステムは、時間ｔ３とｔ４の間及びｔ６とｔ７の間で、内側レールＶＣＣ３及びＶＣＣ１で動作できるだけである。これによって、鋸歯状波及び等しい電圧間隔に離された電源レールを用いる示された具体例では、簡単にＶＣＣ４及びＶＣＣ０でずっと動作させることに対して顕著な省電力がもたらされない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
改善されたレール選択方法を用いて効率を改善するＧ級タイプの増幅器が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、以下に示される本発明の実施形態の詳細な説明及び添付図面から、より十分に理解されるはずであるが、これらは、説明される特定の実施形態に本発明を限定するように解釈されるべきではなく、説明及び理解のためだけのものである。
【００２８】
本発明の増幅器システムは、Ｇ級の電源レール選択技術に対して改善された技術を用いて効率をさらに改善する。これは、負荷を最適に配置するように、Ｇ級より多くのレール組合せを用いて、実時間信号自体に従って出力信号の同相モードを調整することにより行われる。負荷が差動で駆動されているので、同相モード電圧におけるこれらの動的変化が、負荷又は負荷における応答に影響を及ぼすことがない。レール間の切換えは、シンク電流対ソース電流の各電源の能力に配慮して、いかなる所与の瞬間でも入力信号当りの負荷を駆動するのに十分な最も小さいレール組合せの差動を用いる点でＧ級に類似したやり方で行われる。Ｌ級システムは、あたかも、様々な電流路に結合されて、出力信号の瞬時値次第でこれら電流路間を交替するいくつかのＡＢ級増幅器を使用しているかのように考えることができる。実際上、このような移行によって生成されたいかなる信号ひずみも全体的なフィードバック・ループによって補正することができるように、この動作は、通常、２段以上の増幅器の最終段で行われる。
【００２９】
示されたように、本発明によって、出力の同相モード電圧を調整して新しく選択されたレール間に負荷を配置することにより、追加の電流路を加えることが可能になる。同相モードのこの調整によって、さらに多くのレール組合せを利用できるようになり、したがって効率向上が可能になる。差動信号の同相モードを調整するための技術は周知であり、したがって、その説明は本明細書では扱わない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図５は、Ｌ級ダブル・ブリッジ増幅器（増幅器０及び増幅器１）が負荷を駆動するために使用されるとき用いられる様々な電流路を示す。図示の例には、ＶＣＣ４−０からＶＣＣ３−１、ＶＣＣ４−０からＶＣＣ１−１、ＶＣＣ４−０からＶＣＣ０−１、ＶＣＣ４−１からＶＣＣ３−０、ＶＣＣ４−１からＶＣＣ１−０、ＶＣＣ４−１からＶＣＣ０−０の６つの可能な電流路がある。この例では、２つの電圧信号の高い方（増幅器０向けの信号又は増幅器１向けの信号）が、常にトップレールに近いように同相モードが調整された。
【００３１】
図６Ａ〜図６Ｅは、Ｌ級ダブル・ブリッジ増幅器（増幅器０及び増幅器１）が負荷を駆動するために使用されるとき用いられる様々な電流路の別の組を示す。この例には、ＶＣＣ４−０からＶＣＣ０−１、ＶＣＣ３−０からＶＣＣ０−１、ＶＣＣ１−０からＶＣＣ０−１、ＶＣＣ１−１からＶＣＣ０−０、ＶＣＣ３−１からＶＣＣ０−０、ＶＣＣ４−１からＶＣＣ０−０の６つの可能な電流路がある。この例では、２つの電圧信号の低い方（増幅器０向けの信号又は増幅器１向けの信号）が、常にボトムレールに近いように同相モードが調整された。
【００３２】
小さな入力信号動作の期間中、増幅器はその最低レールを使用することができ、「状態１」として図６Ａに示される。プラス側増幅器（増幅器０）がレールＶＣＣ１−０及びＶＣＣ０−０を使用し、一方マイナス側増幅器（増幅器１）がレールＶＣＣ１−１及びＶＣＣ０−１を使用する。破線のボックスは、使用されるレールを示す。負荷を通る実線は、負荷を通る電流の流れを示す。プラスの入力信号が存在するとき、電流は、レールＶＣＣ１−０から負荷を通ってレールＶＣＣ０−１へ流れ、マイナスの入力信号が存在するとき、電流は、レールＶＣＣ１−１から負荷を通ってレールＶＣＣ０−０へ流れる。
【００３３】
最低のレール組合せが不適切なとき、増幅器は、その次に高いレール対を使用することができる。また、従来技術と異なり、２つの半分の増幅器（プラス側及びマイナス側）で独立してこれを行うことができる。図６Ｂ及び図６Ｃは、両方の側に関して、その次に高いレール組合せを示す。プラスの入力信号が状態１のレール組合せに対して過大であるとき、プラス側の増幅器（増幅器０）は状態２に切り換わってレールＶＣＣ３−０及びＶＣＣ０−０を使用し、電流はレールＶＣＣ３−０から負荷を通ってレールＶＣＣ０−１へ流れる。マイナスの入力信号が状態１のレール組合せに対して過大であるとき、マイナス側の増幅器（増幅器１）は状態４に切り換わってレールＶＣＣ３−１及びＶＣＣ０−１を使用し、電流はレールＶＣＣ３−１から負荷を通ってレールＶＣＣ０−０へ流れる。
【００３４】
図６Ｄ及び図６Ｅは、両方の側に関して、その次に高いレール組合せを示す。プラスの入力信号が状態２のレール組合せに対して過大であるとき、プラス側の増幅器（増幅器０）は状態３に切り換わってレールＶＣＣ４−０及びＶＣＣ０−０を使用し、電流はレールＶＣＣ４−０から負荷を通ってレールＶＣＣ０−１へ流れる。マイナスの入力信号が状態４のレール組合せに対して過大であるとき、マイナス側の増幅器（増幅器１）は状態５に切り換わってレールＶＣＣ４−１及びＶＣＣ０−１を使用し、電流はレールＶＣＣ４−１から負荷を通ってレールＶＣＣ０−０へ流れる。
【００３５】
もちろん、そのような増幅器は、１つの側につき４つのレールしかないものに限定されるわけではない。３つより少ないか、あるいは４を上回る多数を有することができる。２つの側が必ずしも同数のレールを有する必要はない。２つの側のレール数、電圧の間隔及び電圧レベルは、当面の用途の必要に応じて選択することができる。有利には、これらは、予期される代表的な入力信号を増幅中の増幅器又は用法モデルにおける電力損失を最小化するように選択されるが、これは必須ではない。
【００３６】
増幅器設計の当業者なら、より多くのレール又はより少ないレールを使用するように図３及び図４の設計を容易に適合させることができるであろう。
【００３７】
図４、図５、図６には、合わせてブリッジ増幅器として動作する２つの増幅器が存在した。当業者なら、図５と図６における概念を、３相モータドライバのような用途での２つを上回る増幅器の使用へ拡張することができるであろう。
【００３８】
図５、図６では、増幅器０と増幅器１は、１つの差動出力を生成するブリッジ増幅器又は「チャンネル」として動作する。複数のチャンネルがまとめられて、同一の電源回路から動作させられてもよい。このシナリオでは、これらのチャンネルが同時に同一ゾーンで動作しなければ有利である。例えば２チャンネルのシステムでは、一方のチャンネルが図５のモードで動作し、他方のチャンネルが図６のモードで動作するのが有利である。これは、両チャンネルが別々のゾーンにあるとき、電源のうちいくつかから必要とされる電流が、より小さいからである。
【００３９】
図７はそのような場合の例を示し、３つの電圧源がある。小さな差動出力電圧の場合、チャンネル１は、ＶＣＣ３−０からＶＣＣ１−１又はＶＣＣ３−１からＶＣＣ１−０の間で動作する。この期間中、チャンネル１向けの供給電流はＶＣＣ３からＶＣＣ１へ流れる。同時に、小信号の場合のチャンネル２は、ＶＣＣ１−０からＶＣＣ０−１又はＶＣＣ１−１からＶＣＣ０−０の間で動作している。この期間中、チャンネル２からの供給電流はＶＣＣ１からＶＣＣ０へ流れる。ＶＣＣ１からの必要な正味のシンク／ソース電流は２つのチャンネルの供給電流の大きさの間の差にすぎず、これによってＶＣＣ１からの必要な電流が低下する。これは、通常左右のチャンネルに強い相関関係があるオーディオに特に有効である。
【００４０】
他の実施形態では、単に同相モードを調整するのでなく、差動出力信号が例えばプラスのとき、ブリッジの１つの端子を所与のレールへハード・スイッチしてブリッジの他の半分を全信号で駆動し、また、信号がマイナスのときはその逆を行うことが可能である。
【００４１】
別の実施形態は、高周波用途に特に有効である。これらの場合では、信号周波数が高すぎて、信号がレールを通るとき、すべての実現値に対してレール対の間で切り換えることができない。したがって、高周波数信号に関して包絡線信号が識別される。レールを選択するのにこの包絡線が使用される。これらの場合には、どの電源レールを使用するか検討するとき、プラス及びマイナスの包絡線を監視すべきである。
【００４２】
移行によってもたらされた歪みを低減するために、より賢明なレール間移行をするように、Ｇ級増幅器ではルックアヘッド技術が用いられることが多い。これらのルックアヘッド信号は、本来デジタル又はアナログである。そのような技術も、任意選択ではあるが、本発明の新規のＬ級増幅器に対して有利に用いられる。
【００４３】
この増幅器システムは、オーディオ増幅器、効率的なＲＦ増幅のための包絡線生成信号、ＤＳＬ増幅器、ケーブル・モデムドライバ、モータドライバ、その他のものなど多種多様な用途で使用されてもよい。いくつかのそのような用途では、変圧器で負荷が絶縁されており、そのような場合、変圧器を平衡不平衡変成器として使用することにより、シングルエンドの出力負荷を駆動するのに本発明の増幅器システムを使用することができる。
【００４４】
図８は、ＡＢ級増幅器、Ｄ級増幅器及びＬ級増幅器を使用する自動車ラジオ増幅器の電力損失の高度なシミュレーションの結果を示すグラフである。Ｌ級増幅器は、５つの電源レールを有するものとしてシミュレートされた（これに対して図３示されたものには電源レールが４つしかない）。電源レールに給電するのに使用されるはずのＤＣ−ＤＣコンバータにおける一般的な効率の悪さは、シミュレーションに含まれていた。印加された入力信号はガウス雑音信号であり、その標準偏差は、Ｘ軸上の電力を増加させる手段として各シミュレーション・ポイントで増加された。もちろんシミュレーションではすべての影響が完全にモデル化されているわけではないが、新規のＬ級増幅器がＤ級又はＡＢ級増幅器より効率がよいことは非常に明瞭である。具体的には、小信号に対する零入力電力及び電力損失が大幅に改善（低下）されている。
【００４５】
図３、図４で論じられたものなど、いくつかの実施形態では、電源レールは均一な間隔に（線形に）離され、均一な間隔に離された「ゾーン」を生成する。例えば、ＶＣＣ４が３ｖ、ＶＣＣ３が２ｖ、ＶＣＣ１が１ｖ、かつＶＣＣ０がＧＮＤでよい。これは６つの別個の可能な構成をもたらし、図５及び図６からの６つの事例が表１に示されている。
【００４６】
【表１】
2009530996.tif 000003
【００４７】
他の実施形態では、ゾーンが不均一な間隔に離される。ゾーン間隔を不均一にすると、特定の用途向けにゾーンを最適化することにより効率を改善することができる。例えば、特定のシステムは、所定の狭い振幅レンジで振動して非常にまれにしかそのレンジから出ないと知られている入力信号を増幅するのに、実質的に時間のすべてを費やすように設計されかつ使用される。そのような場合、増幅器がそのレンジの外へ出ることを要求されるまれな機会には効率が非常に悪いというトレードオフを伴って、増幅器が大部分の時間を費やす範囲内で、できるだけ優れた効率をもたらすように電源レールが選択される。不均一な間隔に離されたゾーンが有効な別のシステムには、信号の確率密度関数によって、信号が、ほとんどの期間で非常に小さく、まれに大きくなるものがある。これらの例では、多数の小さなゾーンを有して平均電力損失の無駄をなくすことができる。
【００４８】
他の実施形態では、より多くのレール組合せをもたらすために、レール電圧が非線形に離される。例えば、ＶＣＣ４が５ｖ、ＶＣＣ３が４ｖ、ＶＣＣ１が２ｖ、かつＶＣＣ０がＧＮＤでよい。これは、表２に示される１０組のレール組合せをもたらす。
【００４９】
【表２】
2009530996.tif 000004
表２では、Ｖｃｍは同相モード電圧であり、そのゾーンの２つの電源レール間の半ばにあるが、複数のレール対によっていくつかのゾーンを実現することができ、したがって、複数のＶｃｍが列挙されていてよいことに留意されたい。
【００５０】
この新規の技術は、もたらされた追加のレールを利用する際にブリッジ出力信号の同相モードを急激に変化させることがこの例から理解できる。これは、ＶＣＣ４〜ＶＣＣ１ゾーンからＶＣＣ３〜ＶＣＣ０ゾーンへの変化を要求されたときなど、表２に何度も現われた。しかし、差動信号（負荷に対して重要なのはこの信号のみ）は対象の帯域幅内の入力信号を正確に追跡し、通常このことは差動フィードバックによって実現される。
【００５１】
出力同相モードにおける様々なジャンプを有する他の不均一な間隔に離されたレール組合せが可能である（同相モードのジャンプを必要としないステップもある）。表２における例は、均一な間隔に離されたゾーンの最終的な組をもたらしたが、不均一なゾーン間隔をもたらすようにゾーンを選択することは可能である。
【００５２】
図９は、本発明を実施するのに使用され得るものなど、レール選択器９０の一実施形態を示す。レール選択器は、増幅段（図示せず）のプラス出力及びマイナス出力をシングルエンド信号に変換して第１の中間結果信号ＩＲｅｓ１を生成する第１の増幅器ＡＬ１を含む。第１の比較器Ｃ１は、第１の中間結果信号をＶＣＣ３−０のプラス側の高電圧の内側レール（ΔＶ３降下を引いたもの）と比較し、増幅器向けにＶＣＣ４−０及びＶＣＣ１−１のレールを選択する第２の中間結果信号ＩＲｅｓ２を生成する。第２の比較器Ｃ２は、第１の中間結果信号をＶＣＣ１−０のプラスの低電圧の内側レール（ΔＶ４降下を引いたもの）と比較し、増幅器向けにＶＣＣ３−０及びＶＣＣ１−１のレールを選択する第３の中間結果信号ＩＲｅｓ３を生成する。
【００５３】
レール選択器は、増幅器のプラス出力及びマイナス出力をシングルエンド信号に変換して第４の中間結果信号ＩＲｅｓ４を生成する第２の増幅器ＡＬ２を含む。第３の比較器Ｃ３は、第４の中間結果信号をＶＣＣ１−０のマイナスの低電圧の内側レール（ΔＶ３降下を引いたもの）と比較し、増幅器向けにＶＣＣ１−０及びＶＣＣ３−１のレールを選択する第５の中間結果信号ＩＲｅｓ５を生成する。第４の比較器Ｃ４は、第４の中間結果信号をＶＣＣ３−０のマイナスの高電圧の内側レール（ΔＶ４降下を引いたもの）と比較し、増幅器向けにＶＣＣ１−０及びＶＣＣ４−１のレールを選択する第６の中間結果信号ＩＲｅｓ６を生成する。
【００５４】
ＮＯＲゲートは、第２、第３、第５、第６の中間結果信号を受け取り、それらのどれも活動状態でない場合、増幅器向けにＶＣＣ１−０及びＶＣＣ１−１のレールを選択する結果信号Ｒｅｓ７を生成する。
【００５５】
図１０は、本発明の一実施形態による増幅器システムを示す。このシステムは、プラス側増幅器からのプラスの出力信号及びマイナス側増幅器からのマイナスの出力信号によって電力が供給される負荷を含む。図９のレール選択器９０などのレール選択器は、少なくともプラスの内側レールＶＣＣ３−０及びＶＣＣ１−０、並びにマイナスの内側レールＶＣＣ３−１及びＶＣＣ１−１を受け取り、また、プラスの外側レールＶＣＣ４−０及びＶＣＣ０−０、並びにマイナスの外側レールＶＣＣ４−１及びＶＣＣ０−１も受け取ってよい。レール選択器は、プラスの出力信号及びマイナスの出力信号も受け取る。レール選択器は、１つ又は複数のプラス側のレール選択信号及び１つ又は複数のマイナス側のレール選択信号を供給し、これらがドライバ（図示せず。あるいは増幅器に内蔵されたものとして示す）内の諸スイッチ（図示せず）を起動する。
【００５６】
図１２は本発明の動作を示す信号波形であり、具体的には、図９のレール選択器による三角波に応答して、プラス出力で切り換えられるレール及びマイナス出力で切り換えられるレールの挙動を示している。繰り返しになるが、オーバーラップを防いで線をすべて見えるようにするための小さな垂直オフセットを無視されたい。
【００５７】
時間ｔ０では、プラス出力が上昇しつつあり、プラス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ１にある。時間ｔ１では、プラス出力がＶＣＣ１に十分に接近しており、プラス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ３に切り換えられる。時間ｔ２では、プラス出力がＶＣＣ３に接近しており、プラス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ４に切り換えられる。時間ｔ３で、三角波がピークに達する。マイナス出力信号はＶＣＣ０にとどまり、マイナス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ１にとどまる。時間ｔ４では、プラス出力がＶＣＣ３より十分低く降下しており、プラス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ３に切り換えて戻される。時間ｔ５では、プラス出力がＶＣＣ１より十分低く降下しており、プラス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ１に切り換えて戻される。
【００５８】
時間ｔ６は「ゼロ・クロス」を示し、プラス出力がＶＣＣ０になり、マイナス出力はＶＣＣ１に向かって上昇し始める。ＶＣＣ４が、マイナスの増幅器側でＶＣＣ０よりマイナス側にあり、したがって、グラフ上のマイナス信号の「上昇」は、実際の差動電圧の「低下」を真に意味することに留意されたい。時間ｔ７では、マイナス出力がＶＣＣ１に十分に近づいており、したがってマイナス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ３に切り換えられる。時間ｔ８では、マイナス出力がＶＣＣ３に近づいており、したがってマイナス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ４に切り換えられる。時間ｔ９で、三角波がピークに達する。時間ｔ１０では、マイナス出力がＶＣＣ３より十分低く降下しており、マイナス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ３に切り換えて戻される。時間ｔ１１では、マイナス出力がＶＣＣ１より十分低く降下しており、マイナス出力で切り換えられるレールはＶＣＣ１に切り換えて戻される。時間ｔ１２では、再び「ゼロ・クロス」が生じて、図示のようにサイクルが繰り返す。
【００５９】
従来技術と比べて、本発明には、選択されたレールと増幅器の諸出力端子（これらに各々が電流を供給する）の間の電圧差が最小化されるレール組合せで時間を使う大幅に改善された能力があり、従来技術によって得られた省電力に対してかなり改善された省電力をもたらす。例えば、時間ｔ５からｔ７ではレールの最低の組合せが用いられる。また、時間ｔ４からｔ５及び時間ｔ７からｔ８では、レールの中間の組合せが用いられる。
【００６０】
図６及び図１２から認められるように、本発明は、従来技術に対して、プラス側増幅器とマイナス側増幅器における独立したレール選択、プラス側増幅器とマイナス側増幅器の各々における２つを上回るレール組合せ、それらの機会を別個に又は組み合わせて利用する可能性など、いくつかの異なるやり方での省電力機会を提供する。
【００６１】
結論
１つの要素が別の要素と「隣接する」といわれるとき、２つの要素間に全く何もないことを意味すると解釈されるべきでなく、それらの要素は示された順序になっているだけである。
【００６２】
各図において説明された様々な特徴は、多くのやり方で組み合わせられてよく、それらが説明され示された特定の実施形態に限定されるかのように解釈されるべきではない。
【００６３】
この開示の利点を有する当業者は、本発明の範囲内で、前述の説明及び図から他の多くの変形形態を製作することができることを理解するはずである。実際、本発明は前述の細部に限定されない。むしろ、本発明の範囲を規定するのは、あらゆる改善を含む以下の特許請求の範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】従来技術によるＧ級ブリッジ増幅器及び１つの可能な電流路の一例を示す図である。
【図２】従来技術による増幅器システムの別の例を示す図である。
【図３】従来技術による増幅器システムのさらなる別の例を示す図である。
【図４】従来技術により、負荷を駆動するためにＧ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、可能な電源レール接続及び電流路を示す図である。
【図５】負荷を駆動するためにＬ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、１組の可能な電源レール接続及び電流路を示す図である。
【図６Ａ】負荷を駆動するためにＬ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、別の可能な電源レール組合せ及び電流路を示す図である。
【図６Ｂ】負荷を駆動するためにＬ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、別の可能な電源レール組合せ及び電流路を示す図である。
【図６Ｃ】負荷を駆動するためにＬ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、別の可能な電源レール組合せ及び電流路を示す図である。
【図６Ｄ】負荷を駆動するためにＬ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、別の可能な電源レール組合せ及び電流路を示す図である。
【図６Ｅ】負荷を駆動するためにＬ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、別の可能な電源レール組合せ及び電流路を示す図である。
【図７】負荷を駆動するためにＬ級ダブル・ブリッジ増幅器を使用するシステムにおける、別の１組の可能な電源レール組合せ及び電流路を示す図である。
【図８】ＡＢ級増幅器、Ｄ級増幅器及びＬ級増幅器における電力損失の高度なシミュレーションを示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態によるレール選択器を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態によって図９のレール選択器を使用する増幅器システムを示す図である。
【図１１】従来技術によって生成されるものなど、信号波形の一例を示す図である。
【図１２】本発明によって生成されるものなど、信号波形の別の例を示す図である。
【図１】
2009530996.tif 000005
【図２】
2009530996.tif 000006
【図３】
2009530996.tif 000007
【図４】
2009530996.tif 000008
【図５】
2009530996.tif 000009
【図６Ａ】
2009530996.tif 000010
【図６Ｂ】
2009530996.tif 000011
【図６Ｃ】
2009530996.tif 000012
【図６Ｄ】
2009530996.tif 000013
【図６Ｅ】
2009530996.tif 000014
【図７】
2009530996.tif 000015
【図８】
2009530996.tif 000016
【図９】
2009530996.tif 000017
【図１０】
2009530996.tif 000018
【図１１】
2009530996.tif 000019
【図１２】
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【国際調査報告】
2009530996.tif 000021