(57)【要約】【課題】従来のPWM電力増幅器では、負荷に接続されるスピーカー等のインピーダンス特性により、LCの共振特性が変化して、ローパスフィルタのカットオフ周波数付近で周波数特性にピークが発生してしまう場合があるという課題があった。【解決手段】出力にLCローパスフィルタを持つ複数の増幅器の出力を接続して負荷を駆動する電力増幅器において、接続されるそれぞれの増幅器へ与える信号に時間差を持たせ、その時間差を前記LCローパスフィルタのカットオフ周波数に相関させて設定する【選択図】図１
2009060557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のLCローパスフィルタを利用して負荷を駆動する電力増幅器であって、
入力された信号からパルス幅変調信号を生成する信号処理部と、
前記信号処理部からの信号を遅延させる遅延処理部と、
大電流を制御し前記ＬＣローパスフィルタへ前記信号を出力する電力スイッチとを備え、
前記信号処理部が、接続されるそれぞれのＬＣローパスフィルタへ与える信号に時間差を持たせ、その時間差を前記ＬＣローパスフィルタのカットオフ周波数に相関させて設定するように構成したことを特徴とする電力増幅器。
【請求項２】
複数のLCローパスフィルタを利用して負荷を駆動する電力増幅器であって、
入力された信号からパルス幅変調信号を生成する信号処理部と、
前記信号処理部からの信号を遅延させる遅延処理部と、
大電流を制御し前記ＬＣローパスフィルタへ前記信号を出力する電力スイッチとを備え、
前記信号処理部が、接続されるそれぞれのＬＣローパスフィルタへ与える信号に時間差を持たせ、その時間差を入力信号帯域に応じて設定するように構成したことを特徴とする電力増幅器。
【請求項３】
複数のLCローパスフィルタを利用して負荷を駆動する電力増幅器であって、
入力された信号からパルス幅変調信号を生成する信号処理部と、
前記信号処理部からの信号を遅延させる遅延処理部と、
大電流を制御し前記ＬＣローパスフィルタへ前記信号を出力する電力スイッチと、
前記負荷における負荷インピーダンスを計測する負荷判別部とを備え、
前記信号処理部が、接続されるそれぞれのＬＣローパスフィルタへ与える信号に時間差を持たせ、その時間差を前記負荷判定部で計測した負荷インピーダンスに相関させて設定するように構成したことを特徴とする電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス幅変調（以下ＰＷＭと略称する）等を用いたスイッチングを使用した電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、DVDをはじめとしたマルチチャンネルのオーディオを再生する機器が増加しており、多数のスピーカーを駆動するために低消費電力の電力増幅器が要望され、それに応える技術としてパルス幅変調等を用いたスイッチングアンプが実用化されてきている。そして、こうしたスイッチングを用いたパワーアンプを総称してデジタルパワーアンプと呼ばれている。
【０００３】
デジタルパワーアンプの一例のブロック図を図６に示す。図６において１００は入力信号からＰＷＭ信号を生成する信号処理部、１０１は大電流を制御できる電力スイッチ、１０２はコイル（L)、１０３はコンデンサ（C)、１０４は負荷（例えばスピーカ）である。
【０００４】
図６から分かるように、出力部１０５は、電力スイッチ１０１と、その電力スイッチによるスイッチングにより発生する余分な高周波を減衰させるためにコイル１０２とコンデンサ１０３によるローパスフィルタ（以下ＬＣローパスフィルタと略称する）で構成されている。そのカットオフ周波数としては、可聴信号帯域の２０ｋHz程度から、もっと広帯域の１００ｋHz程度までの間の周波数が選ばれて、スイッチングに使用される周波数である数百ｋHzの帯域外信号を減衰させている。
【０００５】
このようなデジタルパワーアンプの出力部１０５の接続については、この例のほかに、例えば特許文献１に記載されているようなハーフブリッジ接続やフルブリッジ接続が知られている。
【特許文献１】特開２００５−１６７４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、こうしたＬＣローパスフィルタを用いたデジタルパワーアンプには、負荷に接続されるスピーカー等のインピーダンス特性により、ＬＣローパスフィルタの共振特性が変化して、ＬＣローパスフィルタのカットオフ周波数付近で周波数特性にピークが発生してしまう場合があるという課題がある。
【０００７】
図７はこうしたＬＣローパスフィルタの周波数特性を示した特性図で、例えばＬ＝１５ｕＨ（コイルの損失を１００ｍΩと仮定する）、Ｃ＝０．４７ｕＦ、負荷に８Ωの抵抗が接続された時には、カットオフ周波数６０ｋＨｚ付近に３ｄB程度のピークを持った特性となる。負荷の抵抗値が１６Ωになると、このピークが１０ｄＢ程度に高くなり、必要以上に大振幅の出力が発生してしまう場合がある。
【０００８】
本発明は、かかる課題を解決し、帯域外にピークが発生せず、しかも出力インピーダンスを低くすることが可能なデジタルパワーアンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電力増幅器は、複数のLCローパスフィルタを利用して負荷を駆動する電力増幅器であって、入力された信号からパルス幅変調信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部からの信号を遅延させる遅延処理部と、大電流を制御し前記ＬＣローパスフィルタへ前記信号を出力する電力スイッチとを備え、前記信号処理部が、接続されるそれぞれのＬＣローパスフィルタへ与える信号に時間差を持たせ、その時間差を前記ＬＣローパスフィルタのカットオフ周波数に相関させて設定するように構成したものである。
【００１０】
本発明の電力増幅器は、複数のLCローパスフィルタを利用して負荷を駆動する電力増幅器であって、入力された信号からパルス幅変調信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部からの信号を遅延させる遅延処理部と、大電流を制御し前記ＬＣローパスフィルタへ前記信号を出力する電力スイッチとを備え、前記信号処理部が、接続されるそれぞれのＬＣローパスフィルタへ与える信号に時間差を持たせ、その時間差を入力信号帯域に応じて設定するように構成したものである。
【００１１】
本発明の電力増幅器は、複数のLCローパスフィルタを利用して負荷を駆動する電力増幅器であって、入力された信号からパルス幅変調信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部からの信号を遅延させる遅延処理部と、大電流を制御し前記ＬＣローパスフィルタへ前記信号を出力する電力スイッチと、前記負荷における負荷インピーダンスを計測する負荷判別部とを備え、前記信号処理部が、接続されるそれぞれのＬＣローパスフィルタへ与える信号に時間差を持たせ、その時間差を前記負荷判定部で計測した負荷インピーダンスに相関させて設定するように構成したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電力増幅器は、複数の増幅器を並列に接続して負荷を駆動することで出力インピーダンスを下げることが出来、それぞれの増幅器に遅延を持たせた信号を負荷で合成することで、いわゆるくし型フィルタと同様の特性を実現することが出来るので、遅延時間に合わせた周波数を減衰させることが可能となり、この遅延時間をＬＣローパスフィルタのピーク周波数に合せて設定することで、軽負荷時に発生するＬＣフィルタのピークを防止することができる。また、この遅延時間を入力信号帯域に合わせて変更させることにより、前記ピーク周波数よりももっと低い周波数の不要な帯域のノイズレベルを減少させることが可能となる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の電力増幅器は、複数のLCローパスフィルタを利用して負荷を駆動する電力増幅器において、接続されるそれぞれの増幅器へ与える信号に時間差を持たせ、前記時間差を前記ＬＣローパスフィルタのカットオフ周波数に相関させて設定することで、低負荷で発生していた周波数特性のピークのレベルを低下させることが出来、このピークにより発生していた異常電圧による素子の劣化や、負荷への異常電流を防止することができる。
【００１４】
また、入力信号がデジタル信号であるような場合には、サンプリング周波数で決まる帯域以上にはノイズしか含まれないので、前記遅延時間を入力信号帯域に合わせて変化させることで、この余分なノイズを減衰させることができる
次に、本発明の電力増幅器の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電力増幅器に係るブロック図である。図１において、１は入力信号からPWM信号を生成する信号処理部で、２、３、４、５は遅延回路、６、７、８、９は大電流を制御できる電力スイッチ、１０は負荷である。１１はＬＣローパスフィルタをまとめて表示している。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態１における電力増幅器における動作波形図である。図２において、aからｊは、図１に対応する部分の動作波形を表していて、ＰＷＭのスイッチング周波数がｆｓで、遅延回路２と遅延回路４の遅延時間差をTとしている。
【００１７】
信号処理部１では、入力信号から４つの出力を作り出している。信号処理部１の出力ａとｂは反転の関係にあり、ａとｃ、ｂとｄはそれぞれ同じ出力となっている。遅延回路２と３の遅延時間は等しく、遅延回路４と５の遅延時間も等しく設定されている場合には、遅延回路２と３の出力は反転関係が保たれていて、同様に遅延回路４と５の出力でも反転関係が保たれているということで、これは、遅延回路２と３によるものと、遅延回路４と５によるものの、２つのフルブリッジ接続が並列に接続された状態を示している。
【００１８】
遅延回路２，３の遅延時間と、遅延回路４，５の遅延時間は異なっているのでそれぞれの出力波形はｅ、ｆ、ｇ、ｈのようになる。これらの信号をＬＣフィルタ１１を通して負荷に接続した時の波形はｉ、ｊのように滑らかな波形となる。なお、実際にはスイッチング周波数ｆｓの成分が、ローパスフィルタで３０ｄB〜４０ｄB程度減衰して、少しノイズのように見えるのであるが、それは全く聞こえない。
【００１９】
このように遅延した信号同士を負荷で接続すると、ＬＣフィルタでの平均化処理後の波形で加算する形となり、くし型フィルタのような特性が得られる。ｅ、ｆとｇ、ｈの遅延時間差をＴとすると、時間差Ｔで１８０度位相が異なる信号は加算されると打ち消しあって０になるので、負荷の部分には出力が現れなくなる。従って、Ｔを調整することで出力の振幅を変化させることができる。たとえばＴをＬＣフィルタのピーク周波数に設定すると、ピーク周波数では振幅が０となり、ピークの半分の周波数のところでは、９０度位相がずれた信号が加算されるので、−３ｄＢのレベルの出力が得られるようになる。
【００２０】
これを逆に使うと、ピーク周波数の２倍のところにＴを設定すると、ピーク周波数で３ｄＢ下がった特性になるので、元々の特性が８オーム負荷時に＋３ｄＢであったとすると、トータルでは０ｄＢのきれいな特性が得られることになる。図５に１２０ｋHzが出力０になるように遅延時間差を設定（１／２４０ｋ＝４．１７ｕｓ）した場合の、くし型フィルタの特性を示す。図５で６０ｋHzの特性を見ると−３ｄBとなっていて、実際にはこの特性と図７のLCフィルタの特性の合計が出力特性となるので、合計の出力特性では６０ｋHzが０ｄBになることが分かる。
【００２１】
実施の形態１において遅延回路２と３の間で遅延時間を変化させると、この２つの信号の間でも逆相で同様のくし型フィルタが構成されることになるので、遅延回路４，５と併せて４つの遅延回路の遅延時間を調整することで、さらにさまざまな周波数特性を得ることが可能になる。
【００２２】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における電力増幅器に係るブロック図である。図1と同等の部分には同じ番号を付与し、その説明は省略する。図３において、１６は入力判別回路で、１２、１３、１４、１５は遅延時間の変更機能を持った遅延回路である。
【００２３】
入力判別回路１６は、主にデジタル信号が入力された場合に動作し、入力信号のサンプリング周波数が４４．１ｋHzの場合には入力信号帯域は２０ｋHzまでに限定されるので、図２の遅延時間差Tを例えば８ｕｓ程度と大きめに設定して２０ｋHz以上の帯域のノイズレベルを減少させるように設定し、サンプリング周波数が９６ｋHzの場合には入力信号帯域は４０ｋHzとなるので、図２の遅延時間差Ｔは例えば４ｕｓ程度と小さめに設定して２０ｋHz以上の帯域まで通過させるように設定する、といった変更を行うことで、帯域外のノイズを落として、高品質のオーディオ出力を得ることができる。入力信号がアナログの場合にはサンプリング周波数情報は存在しないので、この場合には基本的には広帯域になるように設定しておき、使用者の設定により出力周波数帯域を決めて、それに合わせて図２の遅延時間差Tを設定することで、デジタル信号入力の場合と同様の効果をもたらすことができる。
【００２４】
一般に大電流スイッチは、スイッチングタイミングの微妙なずれや、大電流の変化に伴う電源電圧の変動などによりＰＷＭ信号に歪を発生させるので、不要な帯域の歪成分を減少させるように図２の遅延時間差Ｔを設定してやり、信号処理部ではなく出力部で接続することでことで、この大電流スイッチで発生する歪成分も減衰させることが出来、より高品質のオーディオ出力を得ることができる。
【００２５】
オーディオ用のスピーカーが負荷の場合には、定格インピーダンスは低域で決められているが、このＬＣローパスフィルタの共振が問題となるような周波数においては、スピーカーが持つインダクタンス成分により前記の１６Ωを超えるような相当に大きなインピーダンスを持つ場合があり、そうした場合にはこの高域の共振の影響がさらに大きくなる場合もあり得る。また、インピーダンスの補正が行われていたり、駆動方式の異なるスピーカのような場合には、比較的周波数変動の少ない負荷もある。
【００２６】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における電力増幅器に係るブロック図である。図1及び図２と同等の部分には同じ番号を付与し、その説明は省略する。図４において１７は負荷判別回路、１８はテスト信号発生部を持った信号処理部である。
【００２７】
負荷判別回路１７は、初期設定モードと通常動作モードの２つの動作モードを持ち、初期設定モードの時には信号処理部１８へテスト信号を出力するように指令して、信号処理部１８から出力されたテスト信号に対する負荷部分で計測された信号のレベルを比較することで負荷抵抗を判別する。テスト信号としてＬＣローパスフィルタの共振周波数付近となるような比較的周波数の高い信号を用いることで、より正確に高域での抵抗値を測定することができる。通常動作モードの時には、上記で測定された抵抗値が１６Ωといったように想定してるインピーダンスよりも大きい場合には図２の遅延時間差Tを例えば４ｕｓよりも長く設定してピークの発生を防止し、測定された抵抗値が４Ωのように小さい場合には図２の遅延時間差Tを例えば同時となるように０に設定するなど小さくして高域まで周波数特性を伸ばすようにする。これにより様々な負荷を接続した場合でも、その負荷に応じて最適な周波数特性を持ったデジタルパワーアンプを実現することができる。なお、ここでは負荷判定回路１７では抵抗値を測定することとしているが、これはもちろんテスト信号レベルと出力信号レベルの比を測定するということでも代用できる。
【００２８】
以上の例では、電力増幅器の個数を４個として説明してきたが、これは複数個であればその組み合わせにより、本発明のように周波数特性を変更可能であり、入力判別回路１６と負荷判別回路１７を両方組み合わせることももちろん可能である。また遅延回路の場所は出力するチャンネル毎に分けた後ならどこでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の電力増幅器は、ホームシアター等で用いられる多チャンネルの高効率オーディオアンプに用いることで、安全で高品質のオーディオ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１における電力増幅器に係るブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における電力増幅器における動作波形図
【図３】本発明の実施の形態２における電力増幅器に係るブロック図
【図４】本発明の実施の形態３における電力増幅器に係るブロック図
【図５】本発明の実施の形態１における電力増幅器に係るくし型フィルタの特性図
【図６】従来のデジタルパワーアンプのブロック図
【図７】従来のデジタルパワーアンプにおけるＬＣローパスフィルタの周波数特性図
【符号の説明】
【００３１】
１、１８    信号処理部  
２、３、４、５、１２、１３、１４、１５    遅延回路
６、７、８、９、１０１    大電流スイッチ
１０、１０４    負荷
１１    ＬＣローパスフィルタ
１６    入力判定回路
１７    負荷判定回路
１０５    出力部
【図１】
2009060557.tif 000003
【図２】
2009060557.tif 000004
【図３】
2009060557.tif 000005
【図４】
2009060557.tif 000006
【図５】
2009060557.tif 000007
【図６】
2009060557.tif 000008
【図７】
2009060557.tif 000009