(57)【要約】【課題】  フィードバックループ上に設けたＬＰＦのカットオフ周波数を小さくすることなく、ＰＷＭモジュールで生じたキャリア成分を充分に除去することが可能な「デジタルアンプ」を提供する。【解決手段】  ＰＷＭ信号により駆動されるスイッチング回路３と、スイッチング回路３で増幅されたＰＷＭ信号が入力されるＬＣフィルタ４と、フィードバックループ上のＬＰＦ５とを備えたデジタルアンプにおいて、ＬＣフィルタ４の出力信号にスイッチング回路３の出力信号を加算し、その加算結果をＬＰＦ５に入力することにより、位相がほぼ反転した状態にあるスイッチング回路３の出力信号とＬＣフィルタ４の出力信号とが加算された結果として、双方の信号中に含まれているキャリア成分が互いに打ち消しあって除去されるようにし、キャリア成分を除去するためにＬＰＦ５のカットオフ周波数を小さくする必要をなくす。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号に対してパルス幅変調に基づく変換処理を行い、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調回路と、
上記パルス幅変調信号により駆動され、上記パルス幅変調信号を増幅して出力するスイッチング回路と、
上記スイッチング回路から出力される上記パルス幅変調信号が入力されるＬＣフィルタと、
上記ＬＣフィルタの出力段から上記パルス幅変調回路の入力段へのフィードバックループ上に設けられたローパスフィルタとを備え、
上記ＬＣフィルタの出力信号に対して上記スイッチング回路の出力信号を加算し、その加算結果を上記ローパスフィルタに入力するように成したことを特徴とするデジタルアンプ。
【請求項２】
上記ＬＣフィルタの出力信号の位相と上記スイッチング回路の出力信号の位相とが１８０°反転した状態となるように位相の調整を行う位相調整回路を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のデジタルアンプ。
【請求項３】
上記ＬＣフィルタの出力信号の振幅と上記スイッチング回路の出力信号の振幅とが共に同じ状態となるように振幅の調整を行う振幅調整回路を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のデジタルアンプ。
【請求項４】
上記ＬＣフィルタの出力信号の位相と上記スイッチング回路の出力信号の位相とが１８０°反転した状態となるように位相の調整を行う位相調整回路と、
上記ＬＣフィルタの出力信号の振幅と上記スイッチング回路の出力信号の振幅とが共に同じ状態となるように振幅の調整を行う振幅調整回路とを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のデジタルアンプ。
【請求項５】
上記ＬＣフィルタの出力信号の位相をずらして、上記ＬＣフィルタの出力信号の位相と上記スイッチング回路の出力信号の位相とが１８０°反転した状態となるように位相の調整を行う位相調整回路と、
上記スイッチング回路の出力信号の振幅を下げて、上記ＬＣフィルタの出力信号の振幅と上記スイッチング回路の出力信号の振幅とが共に同じ状態となるように振幅の調整を行う振幅調整回路とを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のデジタルアンプ。
【請求項６】
上記ＬＣフィルタの出力信号の位相をずらして、上記ＬＣフィルタの出力信号の位相と上記スイッチング回路の出力信号の位相とが１８０°反転した状態となるように位相の調整を行うとともに、上記ＬＣフィルタの出力信号の振幅を上げて、上記ＬＣフィルタの出力信号の振幅と上記スイッチング回路の出力信号の振幅とが共に同じ状態となるように振幅の調整を行う位相・振幅調整回路を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のデジタルアンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタルアンプに関し、特に、フィードバックループ上にローパスフィルタを備えたデジタルアンプに用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＡ級／ＡＢ級アンプをアナログアンプと呼ぶのに対し、Ｄ級アンプは、パワーＭＯＳＦＥＴをスイッチング動作させてスピーカ等の負荷を駆動する特徴を有することから、デジタルアンプとも呼ばれる。デジタルアンプは、従来のアナログアンプに比べ、電力効率が良い。そのため、近年におけるオーディオ機器の小型化・低消費電力化の要求を背景に、デジタルアンプを採用するオーディオ機器が増えている。
【０００３】
デジタルアンプの方式の１つに、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）方式がある。ＰＷＭ方式は、アナログオーディオ信号と三角波の振幅とを比較して、パルス幅変調されたＰＷＭ信号を生成し、当該ＰＷＭ信号によってパワーＭＯＳＦＥＴをスイッチングする方式である。ＰＷＭ方式は、そのほとんどがアナログ回路で構成される。
【０００４】
図５は、ＰＷＭ方式を採用した従来のデジタルアンプの構成を概略的に示すブロック図である。図５において、外部の信号源２０より入力されるオーディオ信号は、フィードバックモジュール１を介してＰＷＭモジュール２に入力される。ＰＷＭモジュール２は、フィードバックモジュール１から入力されたオーディオ信号に対してＰＷＭ変調に基づく変換処理を行い、ＰＷＭ信号を得る。そして、得られたＰＷＭ信号を、スイッチング回路３を駆動するための制御信号として出力する。
【０００５】
ＰＷＭモジュール２にオーディオ信号が入力されないときは、ＰＷＭモジュール２からはデューティ比５０％のパルス信号が出力される。一方、ＰＷＭモジュール２にオーディオ信号が入力されると、上述のパルス信号が入力信号に応じてパルス幅変調されたＰＷＭ信号が出力される。このＰＷＭ信号によりスイッチング回路３のパワーＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２が交互にオン／オフされることにより、ＰＷＭ信号が増幅され、この増幅されたＰＷＭ信号によりＬＣフィルタ４を介してスピーカ３０などの負荷が駆動される。
【０００６】
スピーカ３０より出力される音声の低い歪率と低出力インピーダンスの実現を目的として、ＬＣフィルタ４の出力側からフィードバックモジュール１に負帰還がかけられている。従来、この負帰還動作を安定的に行うことを目的とした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１１５７３０号公報
【０００７】
また、ＰＷＭモジュール２でＰＷＭ信号を生成する際に、ＰＷＭ信号にキャリア成分が生じるが、これがＬＣフィルタ４からフィードバックモジュール１にフィードバックされると、フィードバックモジュール１で非線形現象が生じ、残留ノイズや歪みの悪化につながる。このような非線形現象が生じないようにするために、キャリア成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）５がフィードバックループ中に設けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＬＰＦ５によってキャリア成分を充分に除去するためには、ＬＰＦ５のカットオフ周波数をかなり小さくする必要がある。すなわち、図６に示すように、キャリア成分のレベルが充分に落ちきるようにＬＰＦ５の減衰率を２倍にするためには、カットオフ周波数を１／２にする必要がある。ところが、カットオフ周波数を小さくすると、高周波のフィードバックがかからなくなり、負帰還をかける意味がなくなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、フィードバックループ上に設けたＬＰＦのカットオフ周波数を小さくすることなく、ＰＷＭモジュールで生じたキャリア成分を充分に除去できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した課題を解決するために、本発明のデジタルアンプでは、ＬＣフィルタの出力信号とスイッチング回路の出力信号とを加算し、その加算結果をローパスフィルタに入力するようにしている。
好ましくは、ＬＣフィルタの出力信号の位相とスイッチング回路の出力信号の位相とが互いに反転した状態となるように位相の調整を行う。また、ＬＣフィルタの出力信号の振幅とスイッチング回路の出力信号の振幅とが共に同じ状態となるように振幅の調整を行う。
【発明の効果】
【００１１】
スイッチング回路の出力信号とＬＣフィルタの出力信号とは位相がほぼ反転した状態にあるので、この２つの信号が加算されると、双方の信号中に含まれているキャリア成分が互いに打ち消しあって除去される。これにより、ローパスフィルタのカットオフ周波数を小さくしなくても、キャリア成分を充分に除去することができる。また、ＬＣフィルタの出力信号とスイッチング回路の出力信号の位相、振幅を調整することにより、キャリア成分が相殺される度合いを高め、キャリア成分をより効果的に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るデジタルアンプの構成例を示す図である。なお、図１において、図５に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。
【００１３】
図１において、フィードバックモジュール１は、例えばリニア増幅器などで構成され、その正端子に外部の信号源２０より供給されるオーディオ信号が入力されるとともに、負端子にＬＰＦ５を通じてフィードバックされるオーディオ信号が入力されるようになっている。
【００１４】
ＰＷＭモジュール２（本発明のパルス幅変調回路に相当）は、フィードバックモジュール１より入力されるオーディオ信号に対してパルス幅変調に基づく変換処理を行うことにより、ＰＷＭ信号（本発明のパルス幅変調信号に相当）を生成する。そして、得られたＰＷＭ信号を、スイッチング回路３を駆動するための制御信号として出力する。
【００１５】
ＰＷＭモジュール２にオーディオ信号が入力されないときは、ＰＷＭモジュール２からはデューティ比５０％のパルス信号が出力される。一方、ＰＷＭモジュール２にオーディオ信号が入力されると、上述のパルス信号が入力信号に応じてパルス幅変調されたＰＷＭ信号が出力される。
【００１６】
スイッチング回路３は、ＰＷＭモジュール２より出力されるＰＷＭ信号により駆動され、当該ＰＷＭ信号を増幅して出力する。すなわち、ＰＷＭ信号によりスイッチング回路３のパワーＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２が交互にオン／オフされることにより、ＰＷＭ信号が増幅される。
【００１７】
スイッチング回路３から出力されたＰＷＭ信号は、ＬＣフィルタ４を介してスピーカ３０などの負荷に加えられる。すなわち、スイッチング回路３により増幅されたＰＷＭ信号は、ＬＣフィルタ４を通してアナログオーディオ信号となり、スピーカ３０より出力される。なお、ＬＣフィルタ４は、コイルＬ１とコンデンサＣ１とにより構成されている。
【００１８】
ＬＣフィルタ４を通過したオーディオ信号は、ＰＷＭモジュール２の入力段に設けられたフィードバックモジュール１にフィードバックされる。このＬＣフィルタ４の出力段からフィードバックモジュール１へのフィードバックループ上に、キャリア成分を除去するためのＬＰＦ５が設けられている。
【００１９】
本実施形態では、ＬＣフィルタ４の出力信号に加えて、スイッチング回路３の出力信号（ＬＣフィルタ４への入力信号）もＬＰＦ５を介してフィードバックモジュール１にフィードバックするようにしている。その際、ＬＣフィルタ４の出力信号に対してスイッチング回路３の出力信号を加算し、その加算結果をＬＰＦ５に入力するようにしている。
【００２０】
ＬＣフィルタ４の出力信号とスイッチング回路３の出力信号とを加算するに当たっては、双方の出力信号の位相が互いに反転した状態（１８０°位相がずれた状態）となるように位相の調整を行うのが好ましい。そのために、本実施形態では位相調整回路６を設けている。また、ＬＣフィルタ４の出力信号とスイッチング回路３の出力信号とを加算するに当たって、双方の出力信号の振幅が共に同じ状態となるように振幅の調整を行うのが好ましい。そのために、本実施形態では振幅調整回路７を設けている。
【００２１】
位相調整回路６は、ＬＣフィルタ４の出力段とＬＰＦ５との間に設けられており、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ２とから構成されている。この位相調整回路６は、ＬＣフィルタ４の出力信号の位相をずらして、ＬＣフィルタ４の出力信号の位相とスイッチング回路３の出力信号の位相とが互いに反転した状態となるように位相の調整を行う。
【００２２】
振幅調整回路７は、スイッチング回路３の出力段（ＬＣフィルタ４の入力段）とＬＰＦ５との間に設けられており、分圧用の抵抗Ｒ１，Ｒ２から構成されている。この振幅調整回路７は、スイッチング回路３の出力信号の振幅を下げて、ＬＣフィルタ４の出力信号の振幅とスイッチング回路３の出力信号の振幅とが共に同じ状態となるように振幅の調整を行う。
【００２３】
位相調整回路６で位相調整された信号は、抵抗Ｒ４を介してＬＰＦ５に入力される。また、振幅調整回路７で振幅調整された信号は、抵抗Ｒ５を介してＬＰＦ５に入力される。このとき、抵抗Ｒ４を通過した信号と、抵抗Ｒ５を通過した信号とが加算された状態でＬＰＦ５に入力される。
【００２４】
図２は、ＬＣフィルタ４の出力段（Ａ点）、位相調整回路６の出力段（Ｂ点）および振幅調整回路７の出力段（Ｃ点）における電圧の波形を示す図である。また、図３は、ＬＣフィルタ４の出力段（Ａ点）および位相調整回路６の出力段（Ｂ点）における周波数−位相特性を示す図である。
【００２５】
図３に示すように、ＬＣフィルタ４の出力段（Ａ点）における電圧波形の位相は、キャリア周波数のところで−１８０°から若干ずれた位相となっている。これに対して、位相調整回路６を設けて、抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ２の値を適切な値に設定することにより、位相調整回路６の出力段（Ｂ点）における電圧波形の位相が、キャリア周波数のところでちょうど１８０°反転するようにする。こうすると、図２のように、ＬＣフィルタ４の出力信号の位相とスイッチング回路３の出力信号の位相とが互いに１８０°反転した状態となる。
【００２６】
一方、スイッチング回路３の出力段に振幅調整回路７を設け、分圧用の抵抗Ｒ１，Ｒ２の値を適切な値に設定することにより、スイッチング回路３の出力段（Ｃ点）における電圧を下げる。こうすると、図２のように、ＬＣフィルタ４の出力信号の波高値とスイッチング回路３の出力信号の波高値とが互いに等しい状態となる。
【００２７】
このように、位相が互いに１８０°反転し、かつ、電圧レベルの揃った信号を加算することにより、ＬＣフィルタ４の出力信号とスイッチング回路３の出力信号の双方に含まれているキャリア成分が互いに打ち消し合い、ＬＣフィルタ４の出力段におけるキャリア成分が除去される。
【００２８】
なお、図３に示すように、ＬＣフィルタ４の出力信号とスイッチング回路３の出力信号との位相ズレ（１８０°反転した状態からのズレ）は僅かであるので、位相調整回路６を設けずにＬＣフィルタ４の出力信号をそのまま加算の対象としても、キャリア成分の除去効果は期待できる。また、振幅調整回路７を設けずにスイッチング回路３の出力信号をそのまま加算の対象としても、キャリア成分のレベルを減衰させることはできる。ただ、ＬＣフィルタ４の出力信号とスイッチング回路３の出力信号の位相および振幅を調整することにより、キャリア成分が相殺される度合いを高めることができ、キャリア成分をより効果的に除去することができる。
【００２９】
以上詳しく説明したように、本実施形態によれば、ＬＣフィルタ４の出力信号とスイッチング回路３の出力信号とを加算し、その加算結果をＬＰＦ５に入力するようにしたので、ＬＣフィルタ４の出力信号に含まれているキャリア成分を、スイッチング回路３に含まれているキャリア成分で相殺して除去することができる。これにより、キャリア成分を除去するためにＬＰＦ５のカットオフ周波数を小さくする必要をなくすことができる。ＬＰＦ５にｎ次フィルタを用いた場合には、従来と同等程度にキャリア成分を除去するのに、従来と比べてＬＰＦ５のカットオフ周波数を約２ｎ倍に設定することができる。
【００３０】
ところで、スイッチング回路３の出力信号は方形波のため、キャリア周波数以外の高調波も含まれる。しかし、例えば２次高調波の周波数は基本波（キャリア）の２倍の周波数となるため、当該２次高調波の周波数でＬＰＦ５の減衰量は、キャリア周波数での減衰量に比べて６[ｄＢ／ｏｃｔ]だけ大きくなっている。また、３次以上の高調波の周波数でのＬＰＦ５の減衰量は更に大きくなっている。したがって、スイッチング回路３の出力信号をＬＣフィルタ４の出力信号に加算したとしても、ＬＰＦ５を通過することにより、高調波は充分に減衰する。
【００３１】
なお、上記実施形態では、ＬＣフィルタ４の出力信号に対して位相の調整を行い、スイッチング回路３の出力信号に対して振幅の調整を行う例について説明したが、本発明はこれに限定されない。フィードバック信号の位相および振幅の調整の仕方は、上記実施形態と異なっても良い。例えば、ＬＣフィルタ４の出力信号に対して位相および振幅の調整を行うようにしても良い。
【００３２】
図４は、本実施形態によるデジタルアンプの他の構成例を示す図である。この４図において、図１に示した符号と同一の符号を付したものは同一の機能を有するものであるので、ここでは重複する説明を省略する。図４に示すデジタルアンプでは、図１に示した振幅調整回路７がなく、位相調整回路６の代わりに位相・振幅調整回路８を設けている。
【００３３】
位相・振幅調整回路８は、ＬＣフィルタ４の出力段とＬＰＦ５との間に設けられており、オペアンプＯＰ、抵抗Ｒ６〜Ｒ８およびコンデンサＣ３により構成されている。オペアンプＯＰは、ＬＣフィルタ４の出力信号の振幅を増幅させる働きをする。また、コンデンサＣ３は、ＬＣフィルタ４の出力信号の位相をずらす働きをする。
【００３４】
すなわち、位相・振幅調整回路８は、ＬＣフィルタ４の出力信号の位相をずらして、ＬＣフィルタ４の出力信号の位相とスイッチング回路３の出力信号の位相とが互いに反転した状態となるように位相の調整を行うとともに、ＬＣフィルタの出力信号４の振幅を上げて、ＬＣフィルタ４の出力信号の振幅とスイッチング回路３の出力信号の振幅とが共に同じ状態となるように振幅の調整を行う。
【００３５】
また、上記実施形態では、ＬＣフィルタ４の出力信号とスイッチング回路３の出力信号とを加算してＬＰＦ５に入力するようにしているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＬＣフィルタ４の出力信号を２系統に分けて、一方の出力信号の位相はそのままとし、他方の出力信号の位相を１８０°反転させる。そして、これら２系統の出力信号を加算してＬＰＦ５に入力するようにしても良い。このようにすれば、振幅の調整は全く行う必要がなくなる。
【００３６】
また、上記実施形態では、パルス幅変調の例としてＰＷＭ方式を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ΔΣ方式のデジタルアンプにも本発明を適用することが可能である。
【００３７】
その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、フィードバックループ上にローパスフィルタを備えたデジタルアンプに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態に係るデジタルアンプの構成例を示す図である。
【図２】ＬＣフィルタの出力段（Ａ点）、位相調整回路の出力段（Ｂ点）および振幅調整回路の出力段（Ｃ点）における電圧の波形を示す図である。
【図３】ＬＣフィルタの出力段（Ａ点）および位相調整回路の出力段（Ｂ点）における周波数−位相特性を示す図である。
【図４】本実施形態に係るデジタルアンプの他の構成例を示す図である。
【図５】従来のデジタルアンプの構成を示す図である。
【図６】ローパスフィルタの減衰量とカットオフ周波数との関係を示す周波数−ゲイン特性図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  フィードバックモジュール
２  ＰＷＭモジュール
３  スイッチング回路
４  ＬＣフィルタ
５  ＬＰＦ
６  位相調整回路
７  振幅調整回路
８  位相・振幅調整回路
【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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