(57)【要約】【課題】  出力段に対するバス電圧を変更することによって音量調節機能が提供されるＤ級増幅器を提供する。【解決手段】  音量調節がバス電圧を変更することによって実現される利得安定化帰還ループを備えるＤ級オーディオ増幅器。バス電圧の変化は、帰還ループにおける補償素子の相補的な利得の変更によって補償され、従ってＤ級段の出力の信号レベルは、帰還と独立して調整され得る。デジタル減衰器は、さらなる制御範囲を提供するために、増幅器出力の有効な利得を切り替えるように増幅器の前段で使用され得る。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラウドスピーカーを駆動するために接続されるトランジスタ間の共通の出力ノードを備えてプラス電源端子とマイナス電源端子との間で直列に接続される電流経路、及び制御端子をそれぞれに有する２個の出力トランジスタと、
前記制御端子に対する駆動回路と、
パルス列のデューティサイクルが入力オーディオ信号を表すパルス列を生成するパルス幅変調（ＰＷＭ）回路と、
それぞれの出力トランジスタに対して、絶対値が等しくかつ正負の符号が反対の電源電圧を供給するように作動する電源と、
絶対値が等しくかつ正負の符号が反対の最小値及び最大値の間に電源電圧を変更するように調節可能である制御回路と、
前記ＰＷＭ回路、前記出力トランジスタ、及び可変利得補償素子を有する利得安定化帰還ループとを備え、
前記駆動回路は、
一方のトランジスタが実質的に完全にオン状態にある時、同時にもう一方のトランジスタが実質的に完全にオフ状態にあるように、実質的に完全にオン状態と実質的に完全にオフ状態との間で出力トランジスタを駆動する制御端子駆動信号を生成するためにパルス列に応答し、
前記制御回路は、
全体のループ利得が電源電圧の変化によって影響を受けず、それにより、電源電圧の変化が、ラウドスピーカーに供給されるオーディオ信号の音量を制御するために利用され得るように、電源電圧の変化と協調して補償素子の利得を変更するように更に作動する
ことを特徴とするオーディオ増幅器。
【請求項２】
前記帰還ループの前段に配置された、入力されるオーディオ信号のためのデジタル減衰器を更に備える
ことを特徴とする請求項１に記載のオーディオ増幅器。
【請求項３】
前記制御回路が、バス電圧の調整による増幅器出力段の利得に減衰係数“α”を付加すると共に、補償素子の利得に逆係数“１／α”を付加するように作動する
ことを特徴とする請求項１に記載のオーディオ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｄ級オーディオ増幅器に関すると共に、更に特に、Ｄ級出力段（Class D output stage）に対する電源（バス）電圧を変更することによって音量調節機能が提供されるＤ級オーディオ増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、2003年12月16日に“VOLUME CONTROL IN CLASS D AMPLIFIER USING VARIABLE SUPPLY VOLTAGE”として出願され、それの全体の開示が参照されることによりここに組み込まれた米国の仮特許出願60/530,448号に対する利点と優先権を主張する。
【０００３】
スイッチング増幅器としても知られているＤ級増幅器は、ローパスフィルタを通してラウドスピーカーを駆動するために接続された共通のノードを備えて電源のプラス側とマイナス側との間に直列に接続された、一般的にはＭＯＳＦＥＴである１組のトランジスタで形成された出力段によって特徴付けられる。作動中、２個の出力トランジスタはスイッチングモードで機能し、すなわち、それらは、プラスの電源電圧とマイナスの電源電圧との間で共通出力ノードにおける電圧が交互に切り替えられるように、実質的に完全に導通した状態と実質的に完全に導通しない状態との間で交互に駆動される。
【０００４】
オーディオ信号の増幅は、パワートランジスタに対するゲート駆動信号のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって実現されると共に、ローパスフィルタによって、増幅された形で回復される。これを容易にするために、スイッチング周波数は、オーディオ信号と比較して非常に高い周波数（例えば、２５０〜３００［ＫＨｚ］)に選択される。
【０００５】
出力トランジスタが、スイッチングの遷移期間を除いて、どちらも実質的に完全にオンであるか、または実質的に完全にオフであるので、Ｄ級増幅器は、低い電力消費と高い効率とを示す。良好な回路設計によって、７５［％］の効率、もしくは９０［％］の高水準の効率でさえも、容易に実現され得る。更に、現在のＤ級増幅器は、適切に設計された他のタイプのオーディオ増幅器に匹敵する優れたオーディオ周波数応答及び歪み値を示す。Ｄ級増幅器は、ほぼ５０年前から知られていたが、しかし、例えばフラットパネルテレビのような、（高い電流消費による）高い熱放散が回避されなければならないアプリケーション、及び、例えば携帯電話と他のポータブル音響機器のように、節約と利用者の利便性とのために電池の寿命が最大限にされなければならないアプリケーションにおける実用性が増加している。
【０００６】
図１は、ＬＣフィルタ１８を通してラウドスピーカー１６を駆動する２個のＭＯＳＦＥＴ出力トランジスタ１２，１４によるハーフブリッジ接続形態を備える従来のＤ級増幅器１０を示す。オーディオ入力信号は、参照符号２０で供給され、帰還回路２２からの負帰還信号と共に、エラー増幅器２４を通して比較器２６の一方の入力端子に接続される。ＭＯＳＦＥＴ１２，１４の動作を制御するゲート制御回路３０にパルス幅変調された入力信号を供給するように、比較器２６に対するもう一方の入力信号は三角波発振器２８によって供給される。
【０００７】
図２は、フルブリッジ接続形態、もしくはＨブリッジ接続形態におけるＤ級増幅器４０の出力段を示す。ここで、２個のＭＯＳＦＥＴ出力トランジスタのペア４２ａ−４２ｂ，４４ａ−４４ｂは、それぞれＬＣフィルタ４８ａ、ＬＣフィルタ４８ｂを通して、ラウドスピーカー４６を駆動する。しかし、これは、明らかに更に複合的で高価な回路に関する代償として、同じ電源電圧によって付加されたオーディオ出力電力を供給し、同様に開ループ動作を可能にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｄ級増幅器の設計における課題のうちの１つは、音量調節を実行する方法である。従来、これは、図１において参照符号５０で図示されたように、減衰器をＤ級増幅器段の前段に配置することによって実行される。全体の利得は、帰還ループによって調整される。または、もう一つの方法として、Ｄ級段（Class D stage）そのものの利得が、本来はそのバス電圧と比例するので、全体の利得は、調整された電源によって制御され得る。
【０００９】
上述の従来のアプローチは満足できるものであるが、しかしＤ級増幅器の利得が、本来はバス電圧と比例するので、バス電圧を変更することによって出力音量を制御することも同様に可能である。これは、ＥＭＩの当然の減少を伴って、可聴音の範囲内及び範囲外の雑音生成を減少させ得ると共に、信号対雑音比性能を向上させ得るという、最大出力に対応するバス電圧からバス電圧を減少させることによる利点を有する。
【００１０】
残念なことに、音量調節の手段としてバス電圧を変更することには重大な制限がある。図１において図示されたように、ハーフブリッジ接続形態を使用するＤ級増幅器は、帰還ループにパワートランジスタを備えて構成されると共に、フルブリッジ接続形態において帰還ループは不可欠ではないが、そのような場合でも、それは多くの場合同様に与えられる。入力エラー増幅器５２、利得“Ｋ”を有するＤ級段５４、及び有効利得“β”を有する帰還回路５６を機能ブロックによって図示する図３において、その問題は説明される。帰還ループにおけるＤ級段に関して、たとえバス電圧が変更された変化に伴って、Ｄ級段利得“Ｋ”が変更されるとしても、オーディオ周波数変調器は、増幅器の全体の利得が一定であるように補償することになる。従って、バス電圧を変更することによる音量調節は不可能である。
【００１１】
このように、接続形態にかかわりなく、出力段に対するバス電圧を変更することによって、Ｄ級増幅器のための音量調節を都合よく提供する方法に対する要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、利得安定化帰還ループにパワートランジスタが備えられるＤ級増幅器のための可変バス電圧音量調節の実現手段を提供することによって、この要求を処理しようとする。
【００１３】
本発明によれば、Ｄ級増幅器のための音量調節は、可変利得帰還回路と接続された可変バス電圧電源を備える回路構成において実現される。それらの回路は、バス電圧が変更されるとき、全体のループ利得が一定の状態を維持できるように、帰還経路利得が相補的な方法で変更されるような方式に構成されると共に接続される。これは、出力段の利得、及び、ひいてはラウドスピーカーに対するオーディオ出力の音量がループ利得とは独立に制御されることを可能にする。
【００１４】
可変バス電圧だけを用いて実現され得る音量調節の範囲を増加させるために、末端の減衰器を用いる事前増幅段（preamplification stage）が同様に与えられても良い。
【００１５】
従って、出力段に対するバス電圧を変更することによって音量調節が提供される、帰還ループを用いたＤ級増幅器を提供することが本発明の目的である。
【００１６】
全体のループ利得が一定の状態を維持する方法で、バス電圧の変更により生じた利得変動を補償し、それにより出力段の利得がループ利得とは独立に制御され得る可変利得帰還経路を備えた、そのようなＤ級増幅器を提供することが発明の更なる目的である。
【００１７】
利得安定化のために帰還ループを用いるハーフブリッジ接続形態、またはフルブリッジ接続形態のいずれかを備え、パワー出力トランジスタに対するバス電圧を変更することによって音量調節が実現されるＤ級増幅器を提供することが発明の別の目的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の詳細な説明及び添付図面の考察から明白になる。
【００１９】
さて、図４を参照すると、Ｄ級増幅器６０は、フィルタ６６を通して負荷ＲＬとして示されるラウドスピーカー６４に信号を供給する増幅器ブロック６２と、可変利得“β’”を有する利得補償素子６８を含む帰還ループとを備える。図１において参照符号２０で供給されたオーディオ信号に対応するオーディオ信号は、信号源７０によって供給される。点検閲覧から、フィルタ１８、負荷１６、及び入力２０を除いて、図１の全ての要素を備える増幅器ブロック６２に関して、図１及び図４の接続形態は同一であると認識されることになる。
【００２０】
更に図４において図示されたように、高電位側電源回路７４及び低電位側電源回路７６を備えると共に、出力ＭＯＳＦＥＴに対して可変プラス電圧“Ｖｃｃ”及び可変マイナス電圧“−Ｖｃｃ”を供給するために、電源回路７４，７６と協同し、絶対値が等しくかつ正負の符号が反対の最小電圧及び最大電圧の間でバス電圧を変更するバス電圧制御回路７８を備える可変バス電源サブシステム７２が提供される。そのような装置として使用される可能性がある可変電源サブシステム７２及びバス電圧コントローラ７８のあらゆる適当な、または望ましい実現手段は、当業者には良く知られている。
【００２１】
利得補償素子６８の利得を制御するために、参照符号８０で示されたように、バス電圧コントローラ７８も、同様に接続される。全体のループ利得が変わらないまま保持されるように、コントローラ７８により付加されたバス電圧の変化から発生する増幅器ブロック６２の出力トランジスタに関する有効な利得変動と、補償素子６８において実施された利得変動は統合され、それにより、増幅器バス電圧を切り替えることによって、ラウドスピーカーに供給されたオーディオ信号の音量がループ利得から独立して調節され得る。
【００２２】
具体的に図５を参照すると、増幅器ＡにおけるＤ級出力段の最大利得は“KVCC”に等しいと共に、ラウドスピーカー（ＬＳ）に対するオーディオ信号の音量は減衰係数“α”を付加することによって、“K'=αKVCC”のように調整されると仮定する。これを補償すると共に、ループ利得を“α”から独立して一定に維持するために、コントローラ７８は、補償素子６８の利得を“１／α”の係数によって同時に変更する。このように、Ｄ級段のバス電圧の変動による音量調節は、閉ループシステムにおいて実現され得る。
【００２３】
広い範囲の利得調整が、上述のようにバス電圧の変化によって実現され得る一方、これは、ある場合において実用的な音量調節を行うのには十分ではない可能性がある。そのような場合、Ｄ級増幅器より前段の事前調整段（preconditioning stage）においてデジタル減衰器を使用することができる。減衰値“α1”の左側のカーブの部分がデジタル減衰機能の効果を表すとき、これの効果は図６において図示される。
【００２４】
本発明は、それについての特別な実施例に関して説明されたが、多くの他の変更と修正、及び他の使用が当業者にとって明白になる。従って、本発明は、ここでの特定の開示によって限定されないことが意図されるが、しかし添付のクレームによって可能にされた十分な範囲を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のハーフブリッジ接続形態を有するＤ級増幅器の回路図である。
【図２】従来のＨブリッジ接続形態、またはフルブリッジ接続形態を有するＤ級増幅器の出力段の回路図である。
【図３】なぜ可変バス電圧音量調節がそのような構成において使用されることができないかを説明する、図１において示された帰還安定化機能を有する従来のＤ級増幅器の機能ブロック図である。
【図４】帰還安定化及び可変バス電圧音量調節の機能を有する本発明によるＤ級増幅器の単純化された回路図である。
【図５】どのように可変バス電圧音量調節が実現されるかを図示する、図４の回路の機能ブロック図である。
【図６】本発明による可変バス電圧音量調節の機能が、音量調節範囲を拡張するために、どのようにデジタル減衰機能を提供する事前調整段と結合して使用され得るかを示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０    Ｄ級増幅器
１２，１４    トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）
１６    ラウドスピーカー（負荷）
１８    ＬＣフィルタ
２０    オーディオ入力信号
２２    帰還回路
２４    エラー増幅器
２６    比較器
２８    三角波発振器
３０    ゲート制御回路
４０    Ｄ級増幅器
４２ａ，４２ｂ    ＭＯＳＦＥＴ出力トランジスタ
４４ａ，４４ｂ    ＭＯＳＦＥＴ出力トランジスタ
４６    ラウドスピーカー
４８ａ，４８ｂ    ＬＣフィルタ
５０    減衰器
５２    エラー増幅器
５４    Ｄ級段
５６    帰還回路
６０    Ｄ級増幅器
６２    増幅器ブロック
６４    ラウドスピーカー
６６    フィルタ
６８    利得補償素子
７０    信号源
７２    可変バス電源サブシステム
７４    高電位側電源回路
７６    低電位側電源回路
７８    バス電圧制御回路（バス電圧コントローラ）
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年3月10日(2005.3.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【外国語明細書】
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