(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング増幅器出力段のための回路において、
負荷に接続され、入力信号を表わすエネルギーを前記負荷に送るためのフルブリッジ回路を構成する複数のゲート・スイッチであって、それぞれが、前記入力信号の極性を示す信号を受け取り、前記極性に応じて前記負荷への電圧の印加をスイッチングするように構成される、複数のゲート・スイッチと、
前記負荷により逆起電力が生成される期間の少なくとも一部のあいだ前記複数のゲート・スイッチのうちグランド側の少なくとも二つを動かすように構成される制御回路であって、前記少なくとも二つのゲート・スイッチは、前記少なくとも二つのゲート・スイッチを介して前記逆起電力を分流するように構成される、制御回路と、を有し、
前記複数のゲート・スイッチは、前記入力信号のエネルギーに応じてインダクタに蓄積されたエネルギーに少なくとも一部基づく電圧を、前記負荷に印加するように構成されており、前記インダクタのエネルギー蓄積時間は、フィードバック信号に少なくとも一部基づいて調節され、前記制御回路は、前記フィードバック信号に少なくとも一部基づいて決定される時間に、前記少なくとも二つのゲート・スイッチを制御するように構成されることを特徴とする回路。
【請求項２】
スイッチング増幅器出力段のための回路において、
負荷に接続され、入力信号を表わすエネルギーを前記負荷に送るためのフルブリッジ回路を構成する複数のゲート・スイッチであって、それぞれが、前記入力信号の極性を示す信号を受け取り、前記極性に応じて前記負荷への電圧の印加をスイッチングするように構成される、複数のゲート・スイッチと、
前記負荷により逆起電力が生成される期間の少なくとも一部のあいだ前記複数のゲート・スイッチのうちグランド側の少なくとも二つを動かすように構成される制御回路であって、前記少なくとも二つのゲート・スイッチは、前記少なくとも二つのゲート・スイッチを介して前記逆起電力を分流するように構成される、制御回路と、を有し、
前記制御回路は、前記入力信号のレベルを示す増幅器出力電圧が所望のレベルを超過していることを判断するように構成されたエラー検出回路と、前記エラー検出回路に接続された選択回路であって、前記エラー検出回路が前記所望のレベルを超過していることを示す場合に、前記少なくとも二つのゲート・スイッチが受け取る前記入力信号の極性を反転させるように構成される、選択回路と、を更に備えることを特徴とする回路。
【請求項３】
前記制御回路は、前記入力信号の絶対値に少なくとも一部基づいて前記少なくとも二つのゲート・スイッチを動かすように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の回路。
【請求項４】
さらに、前記複数のゲート・スイッチに接続されるパルス幅変換器であって、前記入力信号の振幅に少なくとも一部基づいてパルスを生成するように構成される、パルス幅変換器を含み、前記選択回路は、前記パルス幅変換器に接続されるマルチプレクサを含み、前記マルチプレクサは、前記エラー検出回路の出力を前記パルス幅変換器に接続することを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項５】
前記入力信号はアナログ又はデジタルであることを特徴とする請求項１又は２記載の回路。
【請求項６】
前記複数のゲート・スイッチの少なくとも一つは電界効果トランジスタを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の回路。
【請求項７】
パルス幅変調入力信号にインピーダンス変換を実行し、及び出力を負荷に結合させるタイプのスイッチング増幅器出力段において、
前記負荷に接続され、フルブリッジ回路を構成する複数のスイッチと、
前記スイッチのうちグランド側の少なくとも二つに接続され、前記負荷により逆起電力が生成される期間の少なくとも一部のあいだ前記少なくとも二つのスイッチを制御するように構成される回路とを備え、
前記複数のスイッチは、前記パルス幅変調入力信号のエネルギーに応じてインダクタに蓄積されたエネルギーに少なくとも一部基づく電圧を、前記負荷に印加するように構成されており、前記インダクタのエネルギー蓄積時間は、フィードバック信号に少なくとも一部基づいて調節され、前記回路は、前記フィードバック信号に少なくとも一部基づいて決定される時間に、前記少なくとも二つのスイッチを制御するように構成されることを特徴とするスイッチング増幅器出力段。
【請求項８】
さらに、前記出力に接続されたインピーダンス変換回路を含み、前記インピーダンス変換回路が、所望のレベルを超過している電圧において前記出力に、前記出力の極性を判定させる信号を供給する請求項７記載のスイッチング増幅器出力段。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般的にはスイッチング増幅器に関し、より詳しくは逆起電力を減少させるためにこのタイプの増幅器における出力段を補償するための装置及び方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
「インピーダンス変換出力段を有するスイッチング増幅器(Amplifiers with Reactive Impedance Transformation Impedance Transformation Output Stage)」の名称の米国特許第５，６１０，５５３号に示されるようなリアクティブ・インピーダンス変換出力段(reactive impedance transformation output stage)を有する増幅器は高い電圧又は電流レベルにおいて高い効率を提供する。この発明の教示は、参考資料としてここに援用する。
【０００３】
しかし従来の増幅器と違って、インピーダンス変換スイッチング増幅器は、対称的又は一定の駆動性能を示さない。結果として、補償しないなら、負荷からの逆起電力が出力波形をひどく歪ませることがある。同様に、そのようなスイッチング増幅器と通常一緒に使用されるアンチエイリアシング出力フィルタのインダクタンスも性能をひどく劣化させることがある。
【０００４】
従って、このタイプのスイッチング増幅器における非対称で不定の出力インピーダンスを相殺する補償方法の必要性が存在する。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、インピーダンス変換スイッチング増幅器における負荷により誘導される逆起電力を減少させ、好適にはそれを除去するための回路を提供する。エラーの重大性に応じて、異なる実施形態を展開する。概して、負荷に結合したゲート・スイッチ(gated switch)は、逆起電力を分流(shunt)するために制御回路によっておおよそのタイミングを調整されている。増幅器がすでに入力信号を表わすエネルギーを負荷インピーダンスと送受するためのゲート・スイッチを備えている場合、同じゲート・スイッチの少なくともいくつかを逆起電力の制御のために使用することにより利便性が得られる。好適な実施形態では、別個のゲート・スイッチが負荷の両側に使用され、また制御回路がすべてのスイッチを駆動するように構成される。
【０００６】
もしエラーが相対的に小さければ、制御回路は、固定した時間間隔の後にゲート・スイッチを作動させるように動作可能なタイマを含むことができる。他には、純粋に抵抗成分の負荷を通じたエネルギー散逸に関する時間に関連して、その時間間隔を変化させることもできる。もし負荷のエネルギー蓄積時間がフィードバックを使用して調節されるならば、分流動作の開始も好適にはフィードバックで調節される。
【０００７】
もしエラーがより重大であれば、エラー検出回路が、増幅器の出力電圧が所望の入力を表わすレベルを超えているかどうかを判断するために使用され、また、レベルを超えているなら出力の極性を反転させるために回路が追加される。このような他の方法に従って、増幅器出力の極性は反転させられ、それの出力は、誘導性の負荷によって生じるもののような実質的に正のエラー(positive error)の場合のように正のエラーの関数(function)を生じさせる。
【０００８】
（発明の詳細な説明）
図１は、比較的小さいエラーを修正するために使用される本発明の実施形態を組み入れた出力段の概略図を示す。スイッチ１２５は、本発明の機能を含む動作及び含まない動作を示すために含まれている。
【０００９】
入力データ１００は、全波整流器１１８及び補償器１１９に供給される。入力データ１００の絶対値は、このようにしてパルス幅変調器１２１に供給され、一方、それの符号(sign)は補償器１１９によってスイッチング・デバイス１０１及び論理和ゲート１２４に供給され、それにより電圧１１０としてスイッチング・デバイス１０４は駆動される。その符号の補数(complement)が、インバータ１２０によってスイッチング・デバイス１０９及び論理和ゲート１２３に提供され、それにより電圧１０８としてスイッチング・デバイス１０２は駆動される。入力データ１００がこのようにスイッチング・デバイス１０１と１０４、あるいは１０３と１０２のどの組を作動可能にするかを制御する。
【００１０】
パルス幅変調器１２１の出力は、電圧１０６としてスイッチング・デバイス１０５に供給され、それは作動させられたときにインダクタ１１１中にエネルギーを蓄積する。スイッチング・デバイス１０５が開放されたとき、その蓄積されたエネルギーはキャパシタ１１３中に蓄積され、ダイオード１１２、及び入力データ１００の極性によって異なるがスイッチング・デバイス１０１とインダクタ１１４とあるいはスイッチング・デバイス１０３とインダクタ１１５とのいずれかを通じて負荷１１７中に最終的には開放される。負荷１１７についての電流の戻りの経路は、同様に入力データ１００の極性によって異なるがインダクタ１１５とスイッチング・デバイス１０４とあるいはインダクタ１１４とスイッチング・デバイス１０２とのいずれかによって提供される。インダクタ１１４及び１１５と共にキャパシタ１１６は、負荷１１７にかけられる電圧をフィルタリングする働きをする。
【００１１】
スイッチ１２５が「Ｂ」位置にあるとき、動作はこのクラスの増幅器の典型的なものである。パルス幅変調器１２１からの電圧１０６の制御の下、スイッチング・デバイス１０５によって充電されるとき、エネルギーはインダクタ１１１中に蓄積される。スイッチング・デバイス１０５がオフにされたとき、蓄積されたエネルギーはダイオード１１２を通じて開放され、キャパシタ１１３によって制限され、そしてそれぞれの電圧はお互いのアサート(assertion)が排他的であるような電圧１０７あるいは電圧１０９の制御の下にスイッチング・デバイス１０１あるいはスイッチング・デバイス１０３のいずれかを通じて負荷１１７にかけられる。このようにして、負荷１１７のところに所望の出力極性がもたらされる。
【００１２】
インダクタ１１４及び１１５、及びキャパシタ１１６は、負荷１１７に供給されるエネルギーからスイッチング成分を除去する働きをする。インダクタ１１１から開放される蓄積されたエネルギーのための戻りの経路は、それぞれの電圧は同様にお互いのアサートが排他的であるような電圧１０８あるいは電圧１１０の制御の下にスイッチング・デバイス１０２あるいはスイッチング・デバイス１０４のいずれかによって提供される。
【００１３】
図２の電圧波形は、スイッチ１２５が「Ｂ」位置にあり、本発明の機能を不作動にしているときの図１の回路の動作を示す。論理和ゲート１２３及び１２４によってスイッチング・デバイス１０２及び１０４へのさらなる入力がそれぞれ不必要にされ、また、動作はリアクティブ・インピーダンス変換増幅器の典型的なものとなる。図２の制御電圧２０１、２０２、２０３、２０４、及び２０５は、それぞれ図１の制御電圧１０６、１０７、１０８、１０９、及び１１０に対応する。電圧２０６は、図１のスイッチング・デバイス１０１と１０２との接合点での活動状態を示す。ポイント２０７で示される減少する出力の状況の下では、電圧２０６の減衰スロープは、増大あるいは一定の出力での前の減衰スロープより非常に勾配が緩いことが分かる。この電圧上昇は、前の電気的及び機械的なスピーカの状態を維持しようとする負荷からの逆起電力を原因とするものであり、相当な歪みを表わしている。
【００１４】
スイッチ１２５が「Ａ」位置にあるとき、論理和ゲート１２３及び１２４は、それぞれ単安定タイマ１２２の出力によって、スイッチング・デバイス１０２及び１０４がアサートになる。電圧１０６の降下端において（スイッチング・デバイス１０５の開放）、単安定タイマ１２２は、固定した時間間隔あるいは（点線のデータ経路によって示した）入力データの絶対値の関数である時間間隔のいずれかの間、それの出力１２６をディアサート(de-assert)(ネゲート(negate))する。この時間間隔の満了時に、単安定タイマ１２２はそれの出力をアサートし、その出力はスイッチ１２５によって作動可能にされたとき論理和ゲート１２３及び１２４にかけられる。論理和ゲート１２３及び１２４は、このアサートをそれぞれスイッチング・デバイス１０２及び１０４に通過させる。
【００１５】
スイッチング・デバイス１０２あるいは１０４のいずれかは、上述のように、入力データ１００の極性の制御の下で、比較器１１９とインバータ１２０の動作によって任意の所定の時間のときに作動させられることに注意する。そのため単安定タイマ１２２の出力のアサートの時点で、スイッチング・デバイス１０２と１０４の両方が作動させられ、これによって負荷１１７に残存するどのような電圧も、インダクタ１１４及び１１５を通じて効果的に分流することができる。単安定タイマ１２２の時間間隔は、キャパシタ１１３のエネルギーを奪うために必要な時間に近づけるために最適に調整される。
【００１６】
図３の電圧波形は、スイッチ１２５が「Ａ」位置にあり、本発明の機能を作動可能にしているときの図１の回路の動作を示す。ここで図３を参照すると、制御電圧３０１、３０２、３０３、３０４、及び３０５は、それぞれ図１の制御電圧１０６、１０７、１０８、１０９、及び１１０に対応する。電圧３０６は、図１のスイッチング・デバイス１０１と１０２との接合点での活動状態を示す。図３の制御電圧３０１、３０２、３０３、３０４、及び３０５と、図２の制御電圧２０１、２０２、２０３、２０４、及び２０５との間の重要な相違点は、電圧３０１の解放後から電圧３０１の次の開放までの時点における電圧３０３のアサートである。この電圧を図１の概略図に相関させると、正味の効果は、図１のスイッチング・デバイス１０１と１０２との接合点に存在するいずれかの電圧を選択的に分流することの１つであることがわかる。負荷１１７によってかけられる逆起電力は、それによって分流される。単一の極性が示されているが、相補関係にある動作も図１の制御電圧１１０でアサートされることが推定される。
【００１７】
ここで述べた分流動作を開始させる理想的な時間は、図１のキャパシタ１１３から開放されたエネルギーが純粋に抵抗性の負荷によってゼロに近づくような時間である。この減衰時間は開放されるエネルギーの関数とすることができるため、エネルギーの開放から分流の開始までの減衰は、最適にはインダクタのエネルギー蓄積時間の関数である。このエネルギー蓄積時間がフィードバックを使用して調節される場合には、調節動作を強調するために、分流の減衰も調整すべきである。
【００１８】
図４は、比較的大きいエラーを修正するための本発明に従った好適な回路の概略図である。入力信号４００は、全波整流器４０１と比較器４０２の両方に給送され、それはそれの出力における所望の出力極性を指示する。比較器４０２の出力は、排他的論理和ゲート４０８の１つの入力を駆動し、それは次に（ハイのときに）インバータ４１２を通じてスイッチング・デバイス４１５及び４１８をオンにするか、ローのときにインバータ４１２を通じてスイッチング・デバイス４１２及び４１９を作動させる。
【００１９】
全波整流器４０１の出力は、マルチプレクサの「０」入力及びエラー増幅器４０３の反転入力の両方を駆動し、そのエラー増幅器４０３の非反転入力は、ダイオード４２０及び４２１の共通カソードによって駆動される。ダイオード４２０及び４２１のアノードは、負荷４１５の１つの端子にそれぞれ個別に接続され、このようにしてそれらの共通カソードで必ず正の増幅器の出力電圧を生じさせる。このようにエラー増幅器４０３は、増幅器出力電圧が所望の入力によって示される電圧を超過しているなら正の電圧を、増幅器出力電圧が所望の入力によって示される電圧より小さいなら負の電圧を出力する。
【００２０】
エラー増幅器４０３の出力は、比較器４０４の非反転入力及びマルチプレクサの「１」入力の両方を駆動する。比較器４０４は、エラー増幅器４０３の出力を基準と比較し、負荷での増幅器の出力が所望の入力によって示されるものをそれの反転入力のところでの基準電圧によって示される許容範囲だけ超過しているときに論理の１を出力する。
【００２１】
比較器４０４の出力は、マルチプレクサ４０５の制御入力及び排他的論理和ゲート４０８の第２を入力を駆動する。このように、比較器４０４の出力が論理の０であるとき、マルチプレクサ４０５は、所望の入力をパルス幅変換器４０６に供給し、スイッチング・デバイス４１２、４１３、４１８、及び４１９への指示された(indicated)入力極性は、排他的論理和ゲート４０８によって反転させられる。しかし、比較器４０４の出力が論理の１であるときは、マルチプレクサ４０５は、エラー増幅器４０３の出力（正のエラー）をパルス幅変換器４０６に供給し、スイッチング・デバイス４１２、４１３、４１８、及び４１９への指示された入力極性は、排他的論理和ゲート４０８によって反転させられる。パルス幅変換器４０６は、クロック・ソース４０７によって周期的に起動(trigger)される。
【００２２】
パルス幅変換器４０６の出力は、スイッチング・デバイス４０９を駆動し、それによりインダクタ４１０中に電荷が蓄積される。開放のときには、この電荷はダイオード４１１を通過し、前述した排他的論理和ゲート４０８の現在の出力によって、スイッチング・デバイス４１２とインダクタ４１４とあるいはスイッチング・デバイス４１８とインダクタ４１６とのいずれかを通じて負荷４１５の１つの端子に与えられる。いずれの場合にも、負荷に与えられる電圧は、キャパシタ４１７によってフィルタリングされる。
【００２３】
この方法によって、増幅器出力の極性は反転させられ、それの出力は、誘導性の負荷によって生じるもののような実質的に正のエラーの場合のように正のエラーの関数を生じさせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  比較的小さいエラーを補償するための本発明の実施形態を組み入れたリアクティブ・インピーダンス変換増幅器の出力段の概略図を示す。
【図２】  本発明を作動不能にし、そのためリアクティブ・インピーダンス変換増幅器で典型的に見られる波形を生じる、図１の回路の制御及び出力電圧波形を示す。
【図３】  本発明を作動可能にした、図１の回路の制御及び出力電圧波形を示す。
【図４】  比較的大きいエラーを補償する本発明の概略図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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