(57)【要約】【課題】出力回路の抵抗成分を増加させることなく出力電流を帰還する電流フィードバック回路を設けたデジタル増幅装置を提供することを目的とする。【解決手段】ローパスフィルタ１４とトランス結合して差動入力端子２０に電流帰還する電流フィードバック回路１８を設けたデジタル増幅装置であり、歪の原因の電流歪を検出し帰還する電流フィードバック回路１８によりローパスフィルタ１４の歪が低減できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ信号を入力する差動入力端子と、このアナログ信号をデジタル信号に変換して電力増幅するデジタル増幅部と、このデジタル増幅部からのデジタル信号を出力するための差動出力端子と、この差動出力端子からのデジタル信号を積分するローパスフィルタと、このローパスフィルタからの信号を出力するための負荷出力端子とからなるデジタル増幅装置において、前記ローパスフィルタとトランス結合して差動入力端子に電流帰還する電流フィードバック回路を設けたデジタル増幅装置。
【請求項２】
差動出力端子からのデジタル信号を差動入力端子に電圧帰還する電圧フィードバック回路を付加した請求項１に記載のデジタル増幅装置。
【請求項３】
ローパスフィルタにトランス結合するためのトランス結合型コイルは、一次側がローパスフィルタのインダクタンス成分となるように接続し、二次側の一端はグランドにもう一方の端子は電流フィードバック回路に接続され、積分した信号をデジタル増幅部の差動入力端子に帰還する構成とした請求項１に記載のデジタル増幅装置。
【請求項４】
ローパスフィルタはトロイダル二重巻線とコンデンサからなる請求項１に記載のデジタル増幅装置。
【請求項５】
電源入力のラインフィルタの一次側がインダクタンス成分となるように挿入してデジタル増幅部に電源として供給し、二次側には互いに逆方向に巻かれた二組の二次巻線をもつトランス結合型コイルと、このトランス結合型コイルの二次側の二次巻線の一端をグランドに接続して、もう一方の端子は一対の電流フィードバック回路を介して差動入力端子に戻すように接続した請求項１に記載のデジタル増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタル増幅装置の低歪化に関するものであり、特にカーオーディオで用いられるデジタル増幅装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ローパスフィルタのコイル歪の低減を考慮したデジタル増幅装置として特開２０００−３０７３５９号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
図６に従来のデジタル増幅装置の回路ブロック図を示す。１はΔΣ変調器であり、入力されたアナログ信号をパルス密度変調されたパルス信号に変換する。２は定電圧スイッチであり、ＭＯＳＦＥＴなどのオン抵抗の小さいスイッチ素子で構成されΔΣ変調器１の出力信号を電力増幅する。３はローパスフィルタであり、コイルとコンデンサにより構成される。カットオフ周波数はスイッチング周波数より低い周波数に設定することにより出力信号のスイッチング成分を減衰させ、定電圧スイッチ２の電力出力を平滑化しアナログ出力に復調する。４はフィードバック回路であり、ローパスフィルタ３の出力をΔΣ変調器１の入力にフィードバックする。以上の構成により、ローパスフィルタ３で発生した歪をその出力電圧によって検出し、逆相成分として入力にフィードバックすることにより歪率を改善している。
【０００４】
また、音質に関する課題としてローパスフィルタのコイル歪があげられる。デジタル増幅装置にはパルス信号を積分するローパスフィルタが必要となるが、特に高出力時のコイル歪が音質を低下させる大きな要因となっている。これはコイルに用いられる磁性体のＢ−Ｈカーブの非線形特性によるもので、電流によって生じる電流歪であり、電流が大きくなるほど非線形特性が大きく影響し大きな課題となる。
【０００５】
特に、カーオーディオの場合は自動車用の電源である１２Ｖ系で動作させる場合が多く、低い電源電圧で高出力を得るためには、負荷となるスピーカのインピーダンスを低くする方法などがあるが、負荷のインピーダンスが低くなると負荷の電流が大きくなるため、デジタル増幅装置におけるローパスフィルタのコイル歪がさらに大きくなり音質が劣化する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このデジタル増幅装置におけるローパスフィルタ３の歪率を低減するために、出力電流を検出する手段が有効である。純抵抗の負荷の場合には出力電圧と出力電流は比例するため、出力電圧を検出して正確にコイルの歪を低減することが可能であるが、スピーカなどの非線形な負荷の場合には出力電圧が歪まなくても出力電流が大きく歪むことがあり、この歪を出力電圧の検出により補正することは難しい。
【０００７】
しかし、出力効率を上げるためには、デジタルアンプ増幅段の出力部を構成するスイッチングトランジスタのオン抵抗やローパスフィルタ３におけるコイルの抵抗成分などの出力回路の抵抗成分をできるだけ小さくすることが必要であるため、抵抗などを出力回路に直列に挿入することは好ましくない。
【０００８】
本発明はこの課題を解決するためのものであり、出力回路の抵抗成分を増加させることなく出力電流を帰還する電流フィードバック回路を設けたデジタル増幅装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１０】
本発明の請求項１に記載の発明は、特にローパスフィルタとトランス結合して差動入力端子に電流帰還する電流フィードバック回路を設けたデジタル増幅装置であり、歪の原因の電流歪を検出し帰還させる電流フィードバック回路によりローパスフィルタの歪が低減できる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、特に差動出力端子からのデジタル信号を差動入力端子に電圧帰還する電圧フィードバック回路を付加した請求項１に記載のデジタル増幅装置であり、電流および電圧の両方を帰還することによりさらにローパスフィルタの歪が低減できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、ローパスフィルタにトランス結合するためのトランス結合型コイルとして、一次側がローパスフィルタのインダクタンス成分となるように接続し、二次側の一端はグランドにもう一方の端子は電流フィードバック回路に接続され、積分した信号をデジタル増幅部の差動入力端子に帰還する構成とした請求項１に記載のデジタル増幅装置であり、歪の原因の電流歪を検出し帰還する電流フィードバック回路によりローパスフィルタの歪が低減できる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、ローパスフィルタとしてトロイダル二重巻線とコンデンサからなる請求項１に記載のデジタル増幅装置であり、デジタル増幅装置本来の構成とほとんど変更なく対応できるため、低コストで電流検出ができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、電源入力のラインフィルタの一次側がインダクタンス成分となるように挿入してデジタル増幅部に電源として供給し、二次側には互いに逆方向に巻かれた二組の二次巻線をもつトランス結合型コイルと、このトランス結合型コイルの二次側の二次巻線の一端をグランドに接続して、もう一方の端子は一対の電流フィードバック回路を介して差動入力端子に戻すように接続した請求項１に記載のデジタル増幅装置であり、歪の原因の電流歪を検出し帰還する電流フィードバック回路によりローパスフィルタの歪が低減できると共に電源回路のインピーダンスに起因する二次歪が低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるデジタル増幅装置の回路ブロック図を示す。
【００１７】
アナログ入力端子１１は入力インピーダンス素子１２を通してデジタル増幅部１３の差動入力端子２０に接続される。そしてデジタル増幅部１３の差動出力端子２１はローパスフィルタ１４を通して負荷出力端子２２に接続される。このローパスフィルタ１４はトランス結合型コイル１５と負荷出力端子２２の間に接続されるコンデンサ１６と負荷出力端子２２からグランドに設置されるバイパスコンデンサ１７から構成される。トランス結合型コイル１５は差動出力端子２１と負荷出力端子２２の間に一次側コイルが直列に挿入され、二次側コイルは一端がグランドに接続され、もう一方端が電流フィードバック回路１８を通して差動入力端子２０に接続される。また差動出力端子２１からも電圧フィードバック回路１９を通して差動入力端子２０に接続される。
【００１８】
以下、動作について説明する。
【００１９】
アナログ入力端子１１から一対の入力インピーダンス素子１２を通して音声のアナログ信号がデジタル増幅部１３の差動入力端子２０に入力される。このアナログ信号はデジタル増幅部１３によりアナログ音声信号の周波数より十分に高いデジタル信号のＰＷＭ信号に変換され電力増幅される。この電力増幅されたＰＷＭ信号は差動出力端子２１からローパスフィルタ１４に入力される。そしてこのローパスフィルタ１４によりＰＷＭ信号は積分され負荷出力端子２２を通してスピーカ３３に出力され音として再生される。またデジタル増幅部１３の差動出力端子２１から出力されるデジタル信号は電圧フィードバック回路１９を通して差動入力端子２０に電圧帰還される。またローパスフィルタ１４の構成部品であるトランス結合型コイル１５の二次側コイルからも電流フィードバック回路１８を通して差動入力端子２０に電流帰還される。
【００２０】
図２に電流フィードバック回路１８の伝達特性図を示す。電流フィードバック回路１８は、カットオフ周波数ＦｃをＰＷＭ信号のスイッチング周波数Ｆｓより低くしてスイッチング周波数成分を減衰させることが必要であり、信号周波数Ｆｔの歪成分を打ち消すようにゲイン、位相を調整する。つまり歪成分のみをフィードバックすれば良くフィードバックゲインは大きくする必要がなく、デジタル増幅装置のゲインはある程度低くなるが大きな影響を与えることはない。図２に示す曲線２４は電流フィードバック回路の伝達特性であり、曲線２３はトランス結合型コイル１５の二次側コイルに誘起される電圧であり、結合係数Ｍの傾きと周波数に比例する特性をもつことにより周波数Ｆｔにおいて歪率の低減効果が最大となる。
【００２１】
図３に本発明の実施の形態１におけるデジタル増幅装置の出力電力に対する全高調波歪率の特性図を示す。２５は電流フィードバック回路がない場合の特性、２６は電流フィードバック回路がある場合の特性である。トランス結合型コイル１５による電流フィードバック回路１８を挿入した場合は従来のデジタル増幅装置に比べ出力電力が１Ｗから３０Ｗの範囲内で約２０ｄＢ以上の改善が確認できた。
【００２２】
以上の構成により歪の原因の電流歪を検出し帰還する電流フィードバック回路によりローパスフィルタの歪が低減できた。
【００２３】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２におけるデジタル増幅装置のトランス結合型コイルの外観図を示す。トランス結合型コイル１５の抵抗成分は損失となるため小さくする必要がある。この抵抗成分はコイルの巻線の巻数に比例するため、少ない巻数で、所望のインダクタンスを得るために透磁率の高いコア材質を用いることが望ましい。
【００２４】
しかし、一般に透磁率の高い材質は、Ｂ−Ｈカーブの非線形性の大きなものが多い。本発明は、Ｂ−Ｈカーブの非線形性を補正することを目的とするが、極端なＢ−Ｈカーブの非線形性をもつものは好ましくない。２７はＢ−Ｈカーブの線形性に優れたトロイダルコアである。
【００２５】
２８は一次巻線であり、ローパスフィルタ１４のインダクタンスが得られるように巻数を設定する。抵抗成分を小さくするために、所定の巻数が得られる限り太い巻線を用いることが望ましい。
【００２６】
２９は二次巻線であり、巻線は細いものを用いてもよい。巻数は電流フィードバック回路の伝達特性とのバランスでほぼ任意に決めることができるが、結合係数Ｍが安定するように数回以上とすることが望ましい。また、巻線を接着剤などで固定することにより、結合係数Ｍの安定性が得られる。
【００２７】
以上の構成により、従来のデジタル増幅装置でよく用いられるトロイダルコイルを用いるため従来とほぼ同様のプリント基板のパターンを用いることができ、これにより輻射ノイズ対策のパターンが活用できると共にデジタル増幅装置本来の構成とほとんど変更なく対応できるため、低コストで電流検出ができる。
【００２８】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３におけるデジタル増幅装置の回路ブロック図を示す。図５において、実施の形態１と異なる構成について説明する。
【００２９】
３０は電源入力のラインフィルタを構成するトランス結合型コイルであり、一次側コイルはラインフィルタのインダクタンス成分を構成し、その抵抗成分は小さいことが望ましい。また一次側コイルと電磁結合された二次側コイルは二組のコイルで構成され、ほぼ同じ巻数で互いに逆極性に巻かれそれらの一端はグランドに接続される。
【００３０】
３１はコンデンサでありラインフィルタのキャパシタンス成分を構成し、トランス結合型コイル３０の一次側コイルの出力側に接続される。デジタル増幅部１３に変動の少ない電流を供給するために、容量値は十分大きくとることが望ましい。
【００３１】
ここで、電源は電源入力からトランス結合型コイル３０の一次側コイルを介してデジタル増幅部１３に電流を供給する。
【００３２】
３２は一対の電流フィードバック回路であり、トランス結合型コイル３０の二次側コイルのもう一方の端子にそれぞれ接続され、またその極性およびゲインは電源回路のリプル電圧を打ち消す方向とする。構成要素としては、ゲインを調整するだけであれば抵抗器のみでも構成できるが、一般には電源にスイッチング波形が重畳するため再生オーディオ周波数帯域以上のカットオフ周波数をもつローパスフィルタとしてもよい。
【００３３】
次にこれらの動作を説明する。
【００３４】
電源入力からデジタル増幅部１３に供給される電源ラインは、小さいながらもいくらかのインピーダンスをもっているため電源ラインにリプル電流が発生する。この電源はデジタル増幅部１３の基準電圧となっているため、リプル電流はそのまま出力の歪成分となってしまう。そこで、トランス結合型コイル３０により歪電流を検出し、これを電源のリプル電流と考えて入力信号に加算する。この際、電流フィードバック回路３２により補正量が調整され、結果としてデジタル増幅部１３からの出力電圧において電源のリプル電流による歪成分を打ち消すことができる。
【００３５】
また、電源ラインに抵抗などのインピーダンスを挿入すれば損失となり効率を低下させることとなるが、トランス結合型コイル３０により歪電流の検出を行うことで抵抗成分を増加させることなく実現することができる。
【００３６】
以上の構成により、トランス結合型コイル３０により歪電流を検出することで、電源ラインのインピーダンスを増加させることなく、電源のリプル電流を歪電流として検出し、これをフィードバックすることで電源ラインのインピーダンスに起因する二次歪を低減することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のデジタル増幅装置は、ローパスフィルタとトランス結合して差動入力端子に電流帰還する電流フィードバック回路を設けたデジタル増幅装置であり、歪の原因となる電流歪を検出し帰還する電流フィードバック回路によりローパスフィルタの歪が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるデジタル増幅装置の回路ブロック図
【図２】本発明の実施の形態１におけるデジタル増幅装置の電流フィードバック回路の伝達特性図
【図３】本発明の実施の形態１におけるデジタル増幅装置の出力電力に対する全高調波歪の特性図
【図４】本発明の実施の形態２におけるデジタル増幅装置のトランス結合型コイルの外観図
【図５】本発明の実施の形態３におけるデジタル増幅装置の回路ブロック図
【図６】従来のデジタル増幅装置の回路ブロック図
【符号の説明】
１１　アナログ入力端子
１２　入力インピーダンス素子
１３　デジタル増幅部
１４　ローパスフィルタ
１５　トランス結合型コイル
１６　コンデンサ
１７　バイパスコンデンサ
１８　電流フィードバック回路
１９　電圧フィードバック回路
２０　差動入力端子
２１　差動出力端子
２２　負荷出力端子
２３　二次側コイルに誘起される電圧
２４　電流フィードバック回路の伝達特性
２５　電流フィードバック回路がない場合の特性
２６　電流フィードバック回路がある場合の特性
２７　トロイダルコア
２８　一次巻線
２９　二次巻線
３０　トランス結合型コイル
３１　コンデンサ
３２　電流フィードバック回路
３３　スピーカ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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