(57)【要約】【課題】複数チャンネルのＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器間の相互干渉による特性の劣化を抑える。【解決手段】音声信号をＰＷＭ変調させて出力駆動回路を動作させ、その出力から高調波成分を除去してオーディオ出力を発生させるＤ級アンプにおいて、ＰＷＭ変調制御回路２から複数の出力駆動回路３、４に印加するＰＷＭ制御信号の変調方向を時間軸に対して１周期内で反転させて、互いが逆方向への振幅変調になるように変調させるように構成し、または１周期ごとに交互に出力させるように構成することにより、出力駆動回路３、４の動作ピークを分散させて負荷変動量を抑えることにより、出力駆動回路の相互干渉による特性劣化を低減する。【選択図】図１
2007180695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ制御方式によって低域信号を出力するＤ級増幅器であって、
音声信号をデジタル信号形態で出力するデジタル信号部と、
前記デジタル信号部からの出力を受けて、Ｄ級オーディオ出力回路駆動のためのＰＷＭ変調されたＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ変調制御回路と、
ＰＷＭ制御信号を電力変換しＰＷＭ波形を出力させる第１の出力駆動回路および第2の出力駆動回路と、
前記第１の出力駆動回路および第2の出力駆動回路の出力のＰＷＭ波形から高調波成分を除去しオーディオ周波数帯だけを通過させる第1のローパスフィルタおよび第2のローパスフィルタと、
前記出力駆動回路に駆動電流を供給する電源供給回路とを備え、
前記ＰＷＭ変調制御回路は第１の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号の変調方向と第２の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号の変調方向とを、時間軸に対して１周期内で反転させて互いに逆方向へのパルス幅変調になるように変調させることを特徴とするＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器。
【請求項２】
前記ＰＷＭ変調制御回路は、第１の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号と第２の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号とを１周期ごとに交互に出力させることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器。
【請求項３】
さらに第３の出力駆動回路を備え、前記ＰＷＭ変調制御回路は前記第３の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号の変調においては、無変調時は４分の１周期から４分の３周期の区間を出力し、プラス変調の場合は、４分の１周期から４分の０周期方向と４分の３周期から４分の４周期方向との合成で変調をかけ、マイナス変調の場合は、４分の１周期から４分の２周期方向と４分の３周期から４分の２周期方向との合成で変調をかけることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルオーディオ増幅器に用いられるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調方式Ｄ級増幅器に関し、特にステレオ音声出力などのような、同一タイミングで複数のＰＷＭ制御を行う回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器は、デジタルオーディオ増幅器として採用されており、デジタル信号を変換して可聴周波数帯よりもはるかに高い周期の出力矩形波のデューティを変化させてＰＷＭ変調して出力駆動回路で電力増幅してそれを積分することでアナログ出力を得ることが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、増幅器間の相互干渉を低減し歪率特性の改善を図った自走式ＰＷＭ増幅器を構成しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
他にも、ＰＷＭ変調の位相を変えることにより、ＧＮＤや電源ラインの電位変動を抑えて性能を向上するように構成しているものもある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
図７は従来のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器のブロック図を示す。図７において、音声信号をデジタル信号形態で出力するデジタル信号部1からの音声信号を受けて、ＰＷＭ変調制御回路２ａ、２ｂは出力駆動回路３ａ、４ａを駆動するためのＰＷＭ変調波形を作りだす。
【０００５】
第１および第２の出力駆動回路３ａ、４ａはこのＰＷＭ変調波を受けて電力増幅を行う。インダクタとコンデンサで構成されたローパスフィルタ５、６は、電力増幅されたＰＷＭ変調波形から高調波成分を除去して、スピーカ７、８を鳴らすよう接続されている。一般的には、ＰＷＭ変調制御回路２ａ、２ｂは、同一の変調動作を行なう構成となっている。音響機器の出力は、通常はステレオ構成となっており、図１に示すとおりＬチャンネル側、Ｒチャンネル側といった複数の構成で出力されている。
【特許文献１】特開２０００−６８８３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１１０３７５号公報
【特許文献３】特開２００４−４８３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このような従来のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器において、電力増幅を得るための出力駆動回路３ａ、４ａの電流負荷変動が大きいために、電源供給回路９の出力電圧が振られることにより、他チャンネルのＰＷＭ変調波形の振幅を振らしてしまうことによる相互漏れが発生する欠点があった。
【０００７】
そのために、電源供給回路９の電圧供給レベルが非常に安定していることが必要となったり、ＰＷＭ変調制御回路２ａ、２ｂや出力駆動回路３ａ、４ａの共通インピーダンスを下げるなどの配慮をしなければならないといった問題があった。特にＰＷＭ変調されている出力矩形波が可聴周波数帯よりもはるかに高い周波数帯域での振幅変動をもたらすため、出力駆動回路の負荷変動を安定させ、複数のＤ級増幅器間の相互干渉による特性の劣化を抑えることが困難である。
【０００８】
本発明は、ＰＷＭ変調の出力駆動回路の負荷変動幅を低減し、相互干渉による特性の劣化を抑えたＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１発明のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器は、ＰＷＭ制御方式によって低域信号音を出力するＤ級増幅器であって、音声信号をデジタル信号形態で出力するデジタル信号部と、前記デジタル信号部からの出力を受けて、Ｄ級オーディオ出力回路駆動のためのＰＷＭ変調されたＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ変調制御回路と、ＰＷＭ制御信号を電力変換しＰＷＭ波形を出力させる第１の出力駆動回路および第2の出力駆動回路と、前記第１の出力駆動回路および第2の出力駆動回路の出力のＰＷＭ波形から高調波成分を除去しオーディオ周波数帯だけを通過させる第1のローパスフィルタおよび第2のローパスフィルタと、前記出力駆動回路に駆動電流を供給する電源供給回路とを備え、前記ＰＷＭ変調制御回路は第１の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号の変調方向と第２の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号の変調方向とを時間軸に対して１周期内で反転させて互いに逆方向へのパルス幅変調になるように変調させるように構成したことを特徴とするもので、駆動回路の動作ピークを分散させ、また２つを合わせた電圧負荷の変動を最大でも従来の２分の１に抑えることができ、複数チャンネル間の相互干渉による特性の劣化の低減と、電源供給回路の電圧安定能力の軽減をおこなうという作用を有する。
【００１０】
また、本発明の第２発明のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器は、第１発明において、前記ＰＷＭ変調制御回路は、第１の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号と第２の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号とを１周期ごとに交互に出力させることを特徴とするもので、一方のチャンネルの変調度の状態に影響されずにオーディオ出力を分離できるという作用を有する。
【００１１】
本発明の第３発明のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器は、第１発明において、さらに第３の出力駆動回路を備え、前記ＰＷＭ変調制御回路は前記第３の出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号の変調においては、無変調時は４分の１周期から４分の３周期の区間を出力し、プラス変調の場合は、４分の１周期から４分の０周期方向と４分の３周期から４分の４周期方向との合成で変調をかけ、マイナス変調の場合は、４分の１周期から４分の２周期方向と４分の３周期から４分の２周期方向との合成で変調をかけることにより、３組のマルチチャンネル増幅器においても出力駆動回路の動作ピークを分散させ、また３つの出力駆動回路を合わせた電圧負荷変動を抑えることができ、各チャンネルの相互干渉による特性の劣化の低減と、電源供給回路の電圧安定能力の軽減をおこなうことができるという作用を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器は、２チャンネル増幅器においては２つの出力駆動回路に印加するＰＷＭ制御信号の変調方向を、時間軸に対して１周期内で逆方向への振幅変調になるように変調させたＰＷＭ変調したため、出力駆動回路の動作ピークを分散させ、また２つを合わせた電圧負荷の変動を最大でも従来の２分の１に抑えることができ、また多チャンネルにも展開可能なので、複数チャンネルの相互干渉による特性の劣化の低減と、電源供給回路の電圧安定能力の軽減をおこなうことができるという有利な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器を実施すための最良の形態について、図１から図６を用いて詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器のブロック図、図２は同じく実施の形態１におけるＰＷＭ波形を示す説明図、図３は同じく実施の形態１における無変調時の負荷変動量を示す説明図、図４は同じく実施の形態１における変調時の負荷変動量を示す説明図である。
【００１５】
図１において、デジタル信号部１は音声信号をデジタル信号形態で出力する。ＰＷＭ変調制御回路２は、デジタル信号部１からの出力を受けて、Ｄ級オーディオ出力回路駆動のためのＰＷＭ変調された制御信号を生成する。第１の出力駆動回路３は、このＰＷＭ制御信号を電力変換しスピーカを駆動させる。第２の出力駆動回路４は、同じくＰＷＭ制御信号を電力変換しＰＷＭ波形を出力する。第1のローパスフィルタ５と第２のローパスフィルタ６は、ＰＷＭ波形から高調波成分を除去しオーディオ周波数帯だけを通過させる。第１のスピーカ７と第２のスピーカ８は、それぞれローパスフィルタ５、６を通過したオーディオ出力を音に変換して出力する。電源供給回路９は、それぞれの出力駆動回路３、４に駆動電流を供給する。
【００１６】
以上のように構成された本実施形態のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器について、以下その動作を説明する。音響機器の出力は、通常はステレオ構成となっており、Ｌチャンネル側、Ｒチャンネル側を出力するために、複数の出力駆動回路で構成される。この実施形態では第１のＰＷＭ信号１１ａはＬチャンネル信号を、第２のＰＷＭ信号１１ｂはＲチャンネル信号であるとする。この複数の出力駆動回路に送出するＰＷＭ変調波形を図２の（ｂ）に示す。ＰＷＭ変調は、ある一定の周期幅の中でパルス幅を変化させることにより、その変調度を決定する変調方式である。プラス量とマイナス量が釣り合ったデューティ比が５０％の位置を変調度０％とすると、波形１１ａに示す第１のＰＷＭ信号は、時間軸の左方に向かうマイナス変調部分は正電圧出力を行い、変調度０％を経由してプラス変調に切り換わると電圧出力を停止させるように設定されている。これに対して、１１ｂに示す第２のＰＷＭ信号は、時間軸の左方に向かうプラス変調時には電圧出力を停止させておいて、変調度０％を経由してマイナス変調に切り換わると正電圧出力を行う。つまり、ＰＷＭ変調の１周期内で、時間軸に対してデューティ比が５０％（変調度０％）を中心にして方向を反転させて変調をするように、ＰＷＭ変調制御回路２の出力の制御を行う。
【００１７】
比較として図２（ａ）に、従来のＰＷＭ波形を示す。これは従来の図７における第１のPWM信号１０ａ、第２のPWM信号１０ｂの変調方向を示すものである。この図からもわかるように、図２（ａ）でのPWM信号１０ａとPWM信号１０ｂの変調の方向に対して、図２（ｂ）のPWM信号１１ａとPWM信号１１ｂの変調の方向は、時間軸に対して、互いに逆向きであると言える。
【００１８】
図３は、変調度０％（デューティ比が５０％）固定時のＰＷＭ制御における1周期の第１、第２のＰＷＭ信号とそれに対する出力駆動回路電流の負荷変動量を現したものである。図３（ａ）に示す従来のＰＷＭ制御信号の印加方式であれば、最初の１／２周期は、第１のＰＷＭ信号（電圧）を１２ａ、第２のＰＷＭ信号（電圧）を１２ｂとすると、ＰＷＭ信号１２ａ、１２ｂともに正電圧出力となり、この期間出力駆動回路３ａ、出力駆動回路４ａは、どちらも駆動電流を流すために、電源供給回路９は２つ分の電流供給を行う必要がある。また後の１／２周期においては、第１のＰＷＭ信号１２ａ、第２のＰＷＭ信号１２ｂはともに出力を行わないため、電源供給回路９は、電流供給を行う必要がない。このように、負荷変動量１２ｃに示す高さの負荷変動量が発生する。これに対して、図３（ｂ）のように第１のＰＷＭ信号を１３ａとし、第２のＰＷＭ信号を１３ｂとすると相互の変調方向を反転させることにより、図３（ｂ）の波形１３ｃに示すとおり、負荷変動量は、相対値でも図３（ａ）の１２ｃの１／２の幅内となり、変調度０％（デューティ比５０パーセント）に固定した時であれば、波形１３ｃのように負荷変動は一切発生しないこととなる。
【００１９】
音声信号の変調度の変動にともない、実際のＰＷＭ変調波形は、いろいろな組み合わせが発生することとなる。図４に、その一例としての第１のＰＷＭ信号と第２のＰＷＭ信号、およびその時の負荷変動量を図示して説明する。図４（ａ）の波形１４ａ〜１４ｃは、従来の変調状態で、第２のＰＷＭ信号を無変調として第１のＰＷＭ信号の変調度を０から徐々に下げた時の波形、波形１５ａ〜１５ｃは、従来の変調状態で、ＰＷＭ信号２を無変調としてＰＷＭ信号１の変調度を０から徐々に上げた時の波形、図４（ｂ）の波形１６ａ〜１６ｃは、本発明の変調状態で、第２のＰＷＭ信号１６ｂを無変調として第１のＰＷＭ信号１６ａの変調度を０から徐々に下げた時の波形、波形１７ａ〜１７ｃは、本発明の変調状態で、第２のＰＷＭ信号１７ｂを無変調として第１のＰＷＭ信号１７ａの変調度を０から徐々に上げた時の波形を示す。第１または第２のＰＷＭ信号だけが加わった時の、過渡的な状態を除いた出力駆動回路電流の波高をそれぞれ１とすると、従来の変調方式では、負荷変動量の波形１４ｃ、１５ｃからもわかるように、出力駆動回路電流の波高は０〜１〜２の高さの出力駆動回路電流が発生する。この時、出力駆動回路電流が０から波高２までの、または波高２から０への急激な変動量が発生する。しかし図４（ｂ）の負荷変動量に示すように出力駆動回路電流１６ｃ、１７ｃの変動幅は、波高１つ分の出力駆動回路電流値を中心として上下に波高１つ分の出力駆動回路電流の変動幅だけにとどめることができる。
【００２０】
以上のように本実施形態によれば、出力駆動回路電流の変動を最大でも従来の２分の１に抑えることができるので、第１の出力駆動回路と第２の出力駆動回路との相互干渉による特性劣化を防ぎ、また他チャンネルのＰＷＭ変調波形の振幅を振らしてしまうことによる相互漏れを低減でき、求められる直線的な出力を行うことができる。さらに、電源供給回路９の供給能力が簡易なものであっても、電源供給回路として使用が可能となる。
【００２１】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２におけるＰＷＭ波形を示す説明図である。図５において、ＰＷＭ制御の１周期分を分割して、最初の１／２周期の範囲では第１のＰＷＭ信号１８ａの出力を、後の１／２周期の範囲では第２のＰＷＭ信号１８ｂの出力を独立して行うよう制御したものである。第１のＰＷＭ信号１８ａは、最初の１／２周期の中心位置、つまり１／４周期位置を変調度０％として、マイナス変調時は０〜１／４周期部分を、プラス変調時は１／４〜２／４周期部分を用いて変調する。第２のＰＷＭ信号１８ｂは、後の１／２周期の中心位置、つまり３／４周期位置を変調度０％として、マイナス変調時は３／４〜４／４周期部分を、プラス変調時は３／４〜２／４周期部分を用いて変調する。ＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器のブロック図としては、実施の形態１の図１と同様で、ＰＷＭ変調制御回路２の動作が上記のようになっているものである。
【００２２】
言い方を変えれば、第１の出力駆動回路３に印加するＰＷＭ制御信号と第２の出力駆動回路４に印加するＰＷＭ制御信号とを１周期ごとに交互に出力させるのと同じことで、同時に実施の形態１と同様にプラスとマイナスの変調方向を相互に反対方向にすることになる。
【００２３】
以上のように本実施形態によれば、第１の出力駆動回路３と第２の出力駆動回路４とに電流供給回路９から同時に電流を与えることがないため、第１の出力駆動回路と第２の出力駆動回路との相互干渉が一切発生しない構成となる。本実施の形態の場合、ＰＷＭ制御の１周期を２分割して各出力に割り当てているため、１周期分を使用する場合に比べて半分のダイナミックレンジとなってしまう。本ＰＷＭ制御を行う場合は、求められる出力を考慮して設定する必要がある。
【００２４】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３におけるＰＷＭ制御波形を示す説明図である。ブロック図の図示を省略するが、３個の出力駆動回路を用いる場合において、第１のＰＷＭ信号１９ａはＰＷＭ制御の１周期の１／２を変調度０（デューティ比５０％）として、時間軸で左方に向かうマイナス変調部分は正電圧出力を行い、変調度０％を経由してプラス変調に切り換わると電圧出力を停止させるように設定されている。これに対して、波形１９ｂに示す第２のＰＷＭ信号は、時間軸の左方に向かうプラス変調時には電圧出力を停止させておいて、変調度０％を経由してマイナス変調に切り換わると正電圧出力を行う。
【００２５】
第３のＰＷＭ信号は、図６の１９ｃのように、プラス変調時は、０〜１／４周期と３／４〜４／４周期部分を用いた合成分で、マイナス変調時は、１／４〜２／４周期と２／４〜３／４周期部分を用いた合成分でＰＷＭ変調したものである。
【００２６】
本実施形態によれば、従来の制御方法では、最大で出力駆動回路３つの合計分の負荷変動量が発生するが、本形態では、出力駆動回路が３つになっても、従来の２／３の負荷変動量に抑えることができる。
【００２７】
なお、上記各実施の形態では、スピーカを有し、音声出力を得るように説明したが、出力した低域信号を制御回路に加えて各種の機器を制御する用途に用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器は、電源供給回路にかかる負荷変動量が安定し、またチャンネル間の相互干渉が少なくなることにより、Ｄ級増幅器の特性改善と消費電力の削減を行うことができ、多様なオーディオ機器や、ＰＷＭ制御を用いた制御機器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１および２におけるＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１におけるＰＷＭ波形を示す説明図
【図３】本発明の実施の形態１における無変調時の負荷変動量を示す説明図
【図４】本発明の実施の形態１における変調時の負荷変動量を示す説明図
【図５】本発明の実施の形態２におけるＰＷＭ波形を示す説明図
【図６】本発明の実施の形態３におけるＰＷＭ波形を示す説明図
【図７】従来のＰＷＭ変調方式Ｄ級増幅器のブロック図
【符号の説明】
【００３０】
１    デジタル信号部
２    ＰＷＭ変調制御回路
３    第１の出力駆動回路
４    第２の出力駆動回路
５    第１のローパスフィルタ
６    第２のローパスフィルタ
７    第１のスピーカ
８    第２のスピーカ
９    電源供給回路
１１ａ    本発明の実施の形態１における第１のＰＷＭ信号
１１ｂ    同じく実施の形態１における第２のＰＷＭ信号
１３ａ    同じく実施の形態１における第１のＰＷＭ信号
１３ｂ    同じく実施の形態１における第２のＰＷＭ信号
１３ｃ    同じく実施の形態１における負荷変動量
１６ａ    同じく実施の形態１における変調度を０から落とした状態の第１のＰＷＭ信号
１６ｂ    同じく実施の形態１における変調度０パーセントの第２のＰＷＭ信号
１６ｃ    同じく実施の形態１における一方の変調度を落とした状態における負荷変動量
１７ａ    同じく実施の形態１における変調度を０から上げた状態の第１のＰＷＭ信号
１７ｂ    同じく実施の形態１における変調度を０パーセントとした状態の第２のＰＷＭ信号
１７ｃ    同じく実施の形態１における一方の変調度を上げた状態における負荷変動量
１８ａ    同じく第２の実施の形態における第１のＰＷＭ信号
１８ｂ    同じく第２の実施の形態における第２のＰＷＭ信号
１９ａ    同じく第３の実施の形態における第１のＰＷＭ信号
１９ｂ    同じく第３の実施の形態における第２のＰＷＭ信号
１９ｃ    同じく第３の実施の形態における第３のＰＷＭ信号
【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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【図７】
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