(57)【要約】【課題】  出力信号波形にクリップを生じさせぬように常に安定して適切なタイミングで電源電圧の切り換えを行うことができる電力増幅回路を提供する。【解決手段】  負荷駆動部１は、負荷を駆動する出力信号ＡＭＰＯを発生して出力端子１０２に与える差動増幅器１０と、入力端子１０１および出力端子１０２間の電圧を抵抗Ｒ１ａおよびＲ２ａにより分圧して差動増幅器１０の逆相入力端子に与える分圧回路１１と、入力端子１０１の入力信号ＡＭＰＯと基準レベルとの間の電圧を抵抗Ｒ１ｂおよびＲ２ｂにより分圧した信号を逆相化して差動増幅器１０の正相入力端子に与える分圧回路１２とを有する。電源制御回路２は、差動増幅器１０の正相入力端子に与えられる信号Ｖｐの振幅が閾値を越えた場合に差動増幅器１０に供給する電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳを電源電圧±Ｖ１からより大きい電源電圧±Ｖ２に切り換える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と、出力端子と、負荷を駆動する出力信号を発生して前記出力端子に与える差動増幅器と、前記入力端子および前記出力端子間に発生する電圧を抵抗により分圧して前記差動増幅器の逆相入力端子に与える第１の分圧回路と、前記入力端子に与えられる入力信号と基準レベルとの間の電圧を抵抗により分圧した信号であって、前記入力端子に与えられる入力信号と逆相の信号を発生し、前記差動増幅器の正相入力端子に与える第２の分圧回路とを有する負荷駆動部と、
２種類の電源電圧のうちの１種類の電源電圧を選択して前記差動増幅器に供給する回路であって、前記差動増幅器の正相入力端子に与えられる信号の振幅が閾値を越えた場合に前記２種類の電源電圧のうちの大きい方の電源電圧を選択して前記差動増幅器に供給する電源制御回路とを具備し、
前記第２の分圧回路の分圧比の変動と前記第１の分圧回路の分圧比の変動とが連動するように構成したことを特徴とする電力増幅回路。
【請求項２】
前記電源制御回路は、前記２種類の電源電圧のうちの大きい方の電源電圧を選択して前記差動増幅器に供給している状態において、前記差動増幅器の正相入力端子に与えられる信号の振幅が所定時間以上継続して閾値を下回った場合に、記２種類の電源電圧のうちの小さい方の電源電圧を選択して前記差動増幅器に供給することを特徴とする請求項１に記載の電力増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヘッドホンや携帯電話のスピーカ等の駆動に好適な電力増幅回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドホンや携帯電話のスピーカ等の駆動に用いられる電力増幅回路は、低電圧かつ低消費電力での動作が要求される。そのため、スピーカ等の負荷の駆動に用いられる電力以外の無効な電力の消費を極力避けるべきである。最も大きな無駄な電力は、電力増幅回路の出力段の出力トランジスタの消費電力である。電力増幅回路の電源電圧と負荷に与えられる出力信号との差分に当たる電圧は、出力トランジスタの電圧降下となっている電圧である。そして、この出力トランジスタの電圧降下と出力トランジスタおよび負荷に流れる負荷電流の積が出力トランジスタの消費電力となる。従来技術の下では、この出力トランジスタによって消費される電力を極力少なくするため、電力増幅回路に対する入力信号のレベルに応じて、出力段に与える電源電圧を切り換えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０６２６９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０６２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電力増幅回路として、差動増幅器に対して入力抵抗と帰還抵抗を接続した構成のものがよく採用される。この種の電力増幅回路では、入力抵抗と帰還抵抗の比によりゲインが定まる。しかし、電力増幅回路の製造ばらつき等の要因により、各抵抗の抵抗値がばらつくと、電力増幅回路のゲインが理想値からずれる場合がある。この場合、例えば電力増幅回路のゲインが理想値よりも大きくなっている状態において、入力信号のレベルに基づいて、電力増幅回路の出力段に与える電源電圧の切り換えを行うと、出力段の出力信号の振幅が電源電圧に到達して出力信号波形にクリップが生じる恐れがある。このような問題の発生を回避するために、電力増幅回路の出力信号の振幅が閾値を越えたか否かにより電力増幅回路の出力段に与える電源電圧を切り換える構成を採用することが考えられる。しかし、この構成では、入力信号に基づいて電源電圧を切り換える構成に比べて、電力増幅回路の出力段の遅延時間分だけ入力信号の変化に対する電源電圧の切り換えが遅れるため、出力段に対する入力信号のレベルが急激に増加するような状況では、その入力信号のレベルの増加に対して、電源電圧の切り換えが間に合わず、電力増幅回路の出力信号波形にクリップが生じる恐れがある。
【０００５】
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、出力段のトランジスタの消費電力が極力少なくなるように電源電圧の切り換えを行うことが可能であり、かつ、出力信号波形にクリップを生じさせぬように、常に安定して適切なタイミングで電源電圧の切り換えを行うことができる電力増幅回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、入力端子と、出力端子と、負荷を駆動する出力信号を発生して前記出力端子に与える差動増幅器と、前記入力端子および前記出力端子間に発生する電圧を抵抗により分圧して前記差動増幅器の逆相入力端子に与える第１の分圧回路と、前記入力端子に与えられる入力信号と基準レベルとの間の電圧を抵抗により分圧した信号であって、前記入力端子に与えられる入力信号と逆相の信号を発生し、前記差動増幅器の正相入力端子に与える第２の分圧回路とを有する負荷駆動部と、２種類の電源電圧のうちの１種類の電源電圧を選択して前記差動増幅器に供給する回路であって、前記差動増幅器の正相入力端子に与えられる信号の振幅が閾値を越えた場合に前記２種類の電源電圧のうちの大きい方の電源電圧を選択して前記差動増幅器に供給する電源制御回路とを具備し、前記第２の分圧回路の分圧比の変動と前記第１の分圧回路の分圧比の変動とが連動するように構成したことを特徴とする電力増幅回路を提供する。
【０００７】
かかる電力増幅回路によれば、負荷駆動部への入力信号のレベルが増加して負荷駆動部の出力信号のレベルが増加し、差動増幅器の電源電圧に接近するとき、第２の分圧回路から差動増幅器の正相入力端子に与えられる信号の大きさに基づいて、差動増幅器に与える電源電圧がより大きな電源電圧に切り換えられる。また、この電力増幅回路では、第２の分圧回路の分圧比の変動と第１の分圧回路の分圧比の変動とが連動するように構成されているので、負荷駆動部のゲインの変動と第２の分圧回路の分圧比の変動が連動する。従って、製造ばらつき等の要因により負荷駆動部のゲインの変動が生じても、負荷駆動部の出力信号波形にクリップを生じさせぬように適切なタイミングにおいて差動増幅器に対する電源電圧を切り換えることができる。
なお、負荷駆動部の電源電圧を切り換える構成の電力増幅回路に関する特許文献としては、例えば特許文献１、２がある。しかし、特許文献１に開示された電力増幅回路は、負荷駆動部に当たるＢＴＬ接続増幅回路の消費電流に基づいて電源電圧の切り換えを行うものである。また、特許文献１に開示された電力増幅回路は、同電力増幅回路の入力信号または出力信号の周波数に基づいて電源電圧の切り換えを行うものである。このように特許文献１、２に開示の電力増幅回路は、本発明のように負荷駆動部の第２の分圧回路から差動増幅器の正相入力端に与えられる信号に基づいて電源電圧の切り換えを行うものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の一実施形態である電力増幅回路の構成を示す回路図である。
【図２】同電力増幅回路の各部の波形を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の一実施形態である電力増幅回路の構成を示す回路図である。この電力増幅回路は、負荷駆動部１と、電源制御回路２とを有している。負荷駆動部１は、電源制御回路２から電源電圧の供給を受け、図示しない前段回路から与えられる入力信号ＡＭＰＩを増幅し、出力信号ＡＭＰＯとして負荷（図示略）に与えるアンプである。電源制御回路２は、大小異なる２種類の電源電圧の一方を選択して負荷駆動部１に与える回路である。
【００１０】
図１に示すように、負荷駆動部１は、入力信号ＡＭＰＩが与えられる入力端子１０１と、出力信号ＡＭＰＯを出力するための出力端子１０２と、基準レベルＶ０が与えられる基準レベル端子１０３と、差動増幅器１０と、第１の分圧回路１１と、第２の分圧回路１２とを有している。ここで、差動増幅器１０は、負荷を駆動する出力信号ＡＭＰＯを発生して出力端子１０２に与える。また、第１の分圧回路１１は、入力端子１０１および出力端子１０２間に発生する電圧を抵抗Ｒ１ａおよびＲ１ｂにより分圧して差動増幅器１０の逆相入力端子（−入力端子）に与える回路である。また、第２の分圧回路１２は、入力端子１０１および基準レベル端子１０３間の電圧を抵抗Ｒ１ｂおよびＲ２ｂにより分圧した信号であって、入力端子１０１に与えられる入力信号と逆相の信号を発生し、差動増幅器１０の正相入力端子（＋入力端子）に与える回路である。この分圧回路１２は、入力端子１０１に与えられる入力信号と逆相関係にある信号を差動増幅器１０の正相入力端子（＋入力端子）に与えるために、入力信号ＡＭＰＩに対して乗算係数−１を乗算する係数乗算器１３を入力端子１０１および抵抗Ｒ１ｂ間に備えている。
【００１１】
製造ばらつきのない理想的な状況において、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂの各抵抗値の間に、Ｒ１ａ＝Ｒ１ｂ＝Ｒ１（Ｒ１はＲ１ａおよびＲ１ｂの理想値）、Ｒ２ａ＝Ｒ２ｂ＝Ｒ２（Ｒ２はＲ２ａおよびＲ２ｂの理想値）という関係がある。基準レベルＶ０は、入力信号ＡＭＰＩおよび出力信号ＡＭＰＯの正負の境となるレベルである。そして、負荷駆動部１のゲインＧは、−２（Ｒ２／Ｒ１）となり、入力信号ＡＭＰＩおよび出力信号ＡＭＰＯ間には、ＡＭＰＯ−ＶＯ＝−２（Ｒ２／Ｒ１）（ＡＭＰＩ−ＶＯ）なる関係が成立する。なお、以下では、説明を簡単にするため、基準レベルＶ０は接地レベル（０Ｖ）であるとする。
【００１２】
本実施形態の１つの特徴は、製造ばらつき等の要因により、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂの各抵抗値がばらつき、これにより負荷駆動部１のゲインＧがばらつく場合に、ゲインＧが理想値よりも高くなる場合には、第２の分圧回路１２の分圧比Ｒ２ｂ／（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）が高くなり、ゲインＧが理想値よりも低くなる場合には、第２の分圧回路１２の分圧比Ｒ２ｂ／（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）が低くなるように、ゲインＧの変動に対して第２の分圧回路１２の分圧比の変動を連動させる構成としたことにある。このような２種類の変動を連動させることを可能にする構成としては各種のものが考えられるが、例えば電力増幅回路を半導体集積回路として実現する場合に、半導体基板上において抵抗Ｒ２ａおよびＲ２ｂを互いに近接した各領域に形成し、抵抗Ｒ１ａおよびＲ１ｂを互いに近接した各領域に形成した構成が考えられる。このような構成によれば、製造ばらつき等により、抵抗Ｒ２ａおよびＲ２ｂは互いに同じように変動し、抵抗Ｒ１ａおよびＲ１ｂは互い同じように変動する。従って、ゲインＧ＝−２（Ｒ２／Ｒ１）の絶対値が大きくなるときには分圧比Ｒ２ｂ／（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）が大きくなり、ゲインＧ＝−２（Ｒ２／Ｒ１）の絶対値が小さくなるときには分圧比Ｒ２ｂ／（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）が小さくなる。すなわち、ゲインＧの変動に対して第２の分圧回路１２の分圧比の変動を連動させることができる。
【００１３】
次に電源制御回路２について説明する。この電源制御回路２は、正負の電源電圧±Ｖ１と、これよりも絶対値の大きな正負の電源電圧±Ｖ２を発生する電源を有しており、これらの２種類の電源電圧の一方を選択して負荷駆動部１の差動増幅器１０に供給する回路である。
【００１４】
この電源制御回路２において、コンパレータ２１および２２には、図示しない基準電圧源が発生する基準レベルＶｔｈｐおよびＶｔｈｍが各々与えられる。ここで、基準レベルＶｔｈｐは、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂが理想値である負荷駆動部１がゲインＧ＝−２（Ｒ２／Ｒ１）での入力信号ＡＭＰＩの増幅動作を行っているとき、出力信号ＡＭＰＯのレベルが＋Ｖ１となるときの信号Ｖｐのレベルに合わせてある。また、基準レベルＶｔｈｍは、同じ状況において、出力信号ＡＭＰＯのレベルが−Ｖ１となるときの信号Ｖｐのレベルに合わせてある。コンパレータ２１は、第２の分圧回路１２から差動増幅器１０の正相入力端子に与えられる入力信号Ｖｐのレベルが基準レベルＶｔｈｐよりも高い場合にＨレベル、それ以外の場合にＬレベルの信号を出力する。また、コンパレータ２２は、入力信号Ｖｐのレベルが基準レベルＶｔｈｍよりも低い場合にＨレベル、それ以外の場合にＬレベルの信号を出力する。ＯＲゲート２３は、コンパレータ２１および２２の各出力信号の論理和を状態検出信号ＤＥＴとして出力する。
【００１５】
ラッチ回路２４は、状態検出信号ＤＥＴに基づいて選択信号ＳＥＬを生成する回路である。さらに詳述すると、ラッチ回路２４は、選択信号ＳＥＬがＬレベルである状態では、状態検出信号ＤＥＴがＬレベルからＨレベルに立ち上がったとき、直ちに選択信号ＳＥＬをＬレベルからＨレベルに立ち上げ、選択信号ＳＥＬがＨレベルである状態では、状態検出信号ＤＥＴが所定時間以上継続してＬレベルとなったとき、選択信号ＳＥＬをＨレベルからＬレベルに立ち下げる。スイッチＳＷ１は、選択信号ＳＥＬがＬレベルである場合には電源電圧Ｖ１を、Ｈレベルである場合には電源電圧Ｖ２を選択し、電源電圧ＶＤＤとして差動増幅器１０の正電源端子に供給するスイッチである。また、スイッチＳＷ２は、選択信号ＳＥＬがＬレベルである場合には電源電圧−Ｖ１を、Ｈレベルである場合には電源電圧−Ｖ２を選択し、電源電圧ＶＳＳとして差動増幅器１０の負電源端子に供給するスイッチである。
【００１６】
以上の構成において、第２の分圧回路１２から差動増幅器１０の正相入力端子に与えられる入力信号Ｖｐのレベルが基準レベルＶｔｈｐより上昇し、あるいは基準レベルＶｔｈｍより低下したとき、状態検出信号ＤＥＴがＨレベルとなり、選択信号ＳＥＬがＨレベルとなり、スイッチＳＷ１およびＳＷ２により電源電圧＋Ｖ２および−Ｖ２が選択され、差動増幅器１０に与えられる。一方、第２の分圧回路１２から差動増幅器１０の正相入力端子に与えられる入力信号Ｖｐのレベルが基準レベルＶｔｈｐおよびＶｔｈｍ間の範囲内に収まって状態検出信号ＤＥＴがＬレベルである状態が所定時間以上継続すると、選択信号ＳＥＬがＬレベルとなり、スイッチＳＷ１およびＳＷ２により電源電圧＋Ｖ１および−Ｖ１が選択され、差動増幅器１０に与えられる。このように第２の分圧回路１２から差動増幅器１０の正相入力端子に与えられる入力信号Ｖｐのレベルに基づいて、差動増幅器１０に与える電源電圧を切り換えるようにした点に本実施形態の第２の特徴がある。
【００１７】
図２は本実施形態による電力増幅回路の各部の波形を示す波形図である。以下、この図を参照し、本実施形態の動作を説明する。第２の分圧回路１２では、係数乗算器１３が入力端子１０１に対する入力信号ＡＭＰＩをレベル反転した信号を出力し、抵抗Ｒ１ｂおよびＲ２ｂがこの係数乗算器１３の出力信号に抵抗比Ｒ１ｂ／（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）を乗算した信号を発生し、信号Ｖｐとして差動増幅器１０の正相入力端子に与える。このため、差動増幅器１０の正相入力端子に与えられる信号Ｖｐは、入力信号ＡＭＰＩを逆相化し、かつ、抵抗比Ｒ１ｂ／（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）で圧縮した信号となる。そして、負荷駆動部１における差動増幅器１０および第１の分圧回路１１からなる部分は、抵抗Ｒ２ａを経由した負帰還を働かせ、逆相入力端子に対する信号Ｖｍを正相入力端子に対する信号Ｖｐに一致させつつ入力信号ＡＭＰＩのゲインＧ＝−２（Ｒ２／Ｒ１）での増幅動作を行い、出力信号ＡＭＰＯ＝Ｇ・ＡＭＰＩを出力端子１０２に発生する。
【００１８】
一方、状態検出信号ＤＥＴは、差動増幅器１０の正相入力端子に与えられる信号Ｖｐが基準レベルＶｔｈｐより高い期間および信号Ｖｐが基準レベルＶｔｈｍより低い期間にＨレベルとなり、それ以外の期間はＬレベルとなる。そして、選択信号ＳＥＬは、選択信号ＳＥＬがＬレベルである状態において、状態検出信号ＤＥＴがＬレベルからＨレベルになるのに応じてＨレベルに立ち上がる。この選択信号ＳＥＬがＨレベルである期間は、電源電圧＋Ｖ２および−Ｖ２がスイッチＳＷ１およびＳＷ２により選択され、電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳとして差動増幅器１０に供給される。一方、選択信号ＳＥＬがＨレベルの状態において、状態検出信号ＤＥＴが所定時間（図２に示す例では時間τ）以上継続してＬレベルになると、選択信号ＳＥＬがＬレベルに立ち下がり、電源電圧＋Ｖ１および−Ｖ１がスイッチＳＷ１およびＳＷ２により選択され、電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳとして差動増幅器１０に供給される。
【００１９】
上述したように、基準レベルＶｔｈｐは、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂが理想値である負荷駆動部１がゲインＧ＝−２（Ｒ２／Ｒ１）での入力信号ＡＭＰＩの増幅動作を行っているとき、出力信号ＡＭＰＯのレベルが＋Ｖ１となるときの信号Ｖｐのレベルに合わせあり、基準レベルＶｔｈｍは、出力信号ＡＭＰＯのレベルが−Ｖ１となるときの信号Ｖｐのレベルに合わせてある。従って、図示のように、出力信号ＡＭＰＯの振幅が＋Ｖ１〜−Ｖ１の範囲から外れそうになると、直ちに電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳが＋Ｖ１および−Ｖ１から＋Ｖ２および−Ｖ２に切り換えられる。
【００２０】
本実施形態において、製造ばらつき等の要因により、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂがばらつくと、負荷駆動部１のゲインＧが上述した理想値−２（Ｒ２／Ｒ１）からずれる場合がある。しかしながら、本実施形態では、製造ばらつき等の要因によりゲインＧが理想値よりも大きくなる場合には、第２の分圧回路１２の分圧比が理想値よりも大きくなり、ゲインＧが理想値よりも小さくなる場合には、第２の分圧回路１２の分圧比が理想値よりも小さくなる。従って、本実施形態によれば、ゲインＧが製造ばらつき等の要因によりばらついたとしても、出力信号ＡＭＰＯの振幅が＋Ｖ１〜−Ｖ１の範囲から外れそうになる適切なタイミングにおいて電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳを＋Ｖ１および−Ｖ１から＋Ｖ２および−Ｖ２に切り換えることができる。
【００２１】
なお、負荷駆動部１では、信号Ｖｍを信号Ｖｐに一致させる負帰還動作が行われるため、信号Ｖｐの代わりに、信号Ｖｍを電源制御回路２に供給し、信号Ｖｍに基づいて電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳの切り換えを行う構成も考えられる。しかしながら、信号Ｖｐには差動増幅器１０の出力信号ＡＭＰＯをゲインＧにより割り算した雑音成分が重畳するので、信号Ｖｐを電源電圧の切り換え制御に用いると、電源電圧の切り換え動作が再現性のない不安定なものとなる。これに対し、本実施形態において電源電圧の切り換え制御に用いている信号Ｖｐは、入力信号ＡＭＰＩを逆相化したものと基準レベルＶＯとの間の電圧を抵抗Ｒ１ａおよびＲ１ｂにより分圧したものであり、出力信号ＡＭＰＯの影響を受けない。従って、本実施形態によれば、出力信号ＡＭＰＯの影響を受けることなく安定した電源電圧の切り換えを行うことが可能である。
【００２２】
また、本実施形態によれば、電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳが＋Ｖ２および−Ｖ２となった後、信号Ｖｐが基準レベルＶｔｈｐおよびＶｔｈｍ間の範囲内に収まった状態が所定時間τ以上継続したときに、電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳを＋Ｖ２および−Ｖ２から＋Ｖ１および−Ｖ１に切り換える。従って、電源電圧ＶＤＤおよびＶＳＳの切り換えの頻発を防ぎ、電力増幅器に安定した動作を行わせることができる。
【００２３】
＜他の実施形態＞
以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明には、他にも各種の実施形態が考えられる。例えば、係数乗算器１３は、入力端子１０１および抵抗Ｒ１ｂ間の位置から抵抗Ｒ１ｂおよびＲ２ｂの接続点と差動増幅器１０の正相入力端子との間の位置に移動してもよい。また、負荷駆動部１の前段の回路が正逆２相の信号を出力する場合には、正相の信号を抵抗Ｒ１ａの一端に、逆相の信号を抵抗Ｒ１ｂの一端に与え、係数乗算器１３を省略してもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１……負荷駆動部、２……電源制御回路、１１……第１の分圧回路、１２……第２の分圧回路、１０１……入力端子、１０２……出力端子、１０３……基準レベル端子、１３……係数乗算器、Ｒ１ａ，Ｒ２ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ｂ……抵抗、１０……差動増幅器、２１，２２……コンパレータ、２３……ＯＲゲート、２４……ラッチ回路、ＳＷ１，ＳＷ２……スイッチ。
【図１】
2011066743.tif 000003
【図２】
2011066743.tif 000004