WO2003021769A1 - Switching amplification apparatus - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a switching amplifying apparatus for amplifying an analog signal or a multi-bit digital signal, and more particularly to a novel switching amplifying apparatus for reducing switching noise of a power supply and improving quality.
  • Fig. 7 shows a switching amplifier equipped with a conventional power amplifier.
  • This conventional example relates to a switching amplifier for audio.
  • This switching amplifier includes an audio power amplifier 1 and a power supply 6, and the audio power amplifier 1 includes a ⁇ modulator 2 that ⁇ ⁇ modulates an audio signal.
  • the output pulse signal of the ⁇ modulator 2 is used for the amplifier. It is configured to be supplied to the power switch element 3 and output through an amplifier output filter 1.
  • a power supply 6 is connected to the power switch element 3 for the amplifier, and the power supply 6 receives a clock signal, performs pulse width modulation in synchronization with the clock signal, and supplies the pulse width modulated signal to the power supply. It is configured to supply power to the power switch element for power supply therein and to supply desired power to the power switch element for amplifier 3 through the output filter for power supply.
  • This conventional switching amplifier operates as follows. First, a signal such as an audio signal is input to the ⁇ modulator 2, and a sampling clock is input to the ⁇ modulator 2. The input signal is ⁇ ⁇ -modulated by the ⁇ modulator 2 and the output pulse signal is input to the power switch device 3 for amplifier. In addition, a clock signal different from the sampling clock signal is input to the power supply 6, pulse width modulation is performed in accordance with the clock signal, and the pulse width modulated output pulse signal is supplied to a power supply in the power supply. It is input to the power switch element. The output of the power switch element for power supply is output through the output filter 7 for power supply, and the power switch element 3 for amplifier is output. To supply power.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and in particular, provides a novel switching amplifying apparatus that reduces switching noise of a power supply and improves quality.
  • switching timings of the power amplifier and the power supply at almost the same time, and even if noise is mixed in from the power supply, it becomes possible to use the noise filter of the amplifier as well.
  • This also eliminates the need for a power supply noise filter and eliminates the need to provide a relatively large capacitor and a smoothing circuit with a choke coil at the output of the power supply, simplifying the power supply output filter. It is possible.
  • the simplification of the power supply output filter has made it possible to reduce the size and cost of the switching width device. That is, the present invention has the following configurations in order to solve the above problems.
  • a switching amplifier includes a modulator that modulates an analog signal or a multi-bit digital signal into a binary signal, and supplies an output pulse signal of the modulator to a power switch element.
  • a switching power amplifier and ⁇ ⁇ modulation means for ⁇ modulating an analog signal or a multi-bit digital signal, and a power control pulse signal output from the modulation means is supplied to a power switch element for power supply.
  • a power supply 1 is provided to supply an output pulse signal of the modulator of the power amplifier to the ⁇ power supply, and the operation of the power supply is performed by using the output pulse signal.
  • a clock is input, and the output power of the ⁇ power supply is supplied to the power switch element of the power amplifier.
  • a switching amplifying device has at least one pair of power switching elements in an output stage, modulates an input signal composed of an analog signal or a multi-bit digital signal into a binary signal, and outputs the binary signal.
  • a power amplifier that obtains a power-amplified output signal by complementarily controlling conduction of the pair of power switch elements based on a signal; and performing a switching operation in synchronization with the binary signal to thereby form the pair of power switches.
  • a switching power supply for generating a desired power supply voltage to be supplied to the power switch element.
  • the switching amplifying device is the switching amplifying device according to the second aspect of the present invention, wherein the pair of power switching elements provided in the output stage are both turned off.
  • the operation timing between the switching power supply and the power amplifier based on the binary signal is set such that noise accompanying the switching operation of the switching power supply occurs during the period.
  • a switching amplifier according to a fourth aspect of the present invention is the switching amplifier according to the second or third aspect of the present invention, wherein the switching power supply inputs the binary signal as an operation signal. It consists of a ⁇ power supply.
  • the switching amplifying device is the switching amplifying device according to the fourth aspect of the present invention, wherein the switching power supply has a switching element inserted on a current path of an external power supply.
  • a voltage conversion unit that converts the voltage of the external power supply to the desired power supply voltage by switching the switching element; and ⁇ ⁇ -modulates the power supply voltage converted by the voltage conversion unit.
  • a switching control unit that controls switching of a switch element that constitutes the voltage conversion unit based on the signal obtained by the control unit.
  • the switching operation of the switching power supply is synchronized with the binary signal controlling the conduction of the pair of power switch elements on the power amplifier side.
  • FIG. 1 is a block diagram of an embodiment showing one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block circuit diagram showing an example of a main part ( ⁇ power supply) of the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a detailed configuration of the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the ⁇ modulation circuit shown in FIG.
  • FIG. 5 is a waveform chart for explaining the operation of this embodiment.
  • FIG. 6 is a waveform chart for comparing and explaining the operation of the present embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a conventional example. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows an embodiment according to the present invention.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a main part of this embodiment.
  • the embodiment shown in FIG. 1 is a switching amplifying apparatus provided with an audio power amplifier 1.
  • the audio power amplifier 1 includes a ⁇ modulator 2 for ⁇ modulating an audio signal.
  • the pulse signal is supplied to an amplifier power switch element 3 and output through an amplifier output filter 4. Further, in this embodiment, a microphone power supply 5 is provided.
  • the output pulse signal is input as an operation clock of the ⁇ power source 5 to generate a desired power, and the power is generated.
  • the power is supplied to the amplifier power switch element 3.
  • FIG. 2 shows a specific configuration of the ⁇ power supply according to the present embodiment.
  • the ⁇ power supply 5 includes a ⁇ modulator 16, and supplies an output pulse signal of the ⁇ modulator 16 to a power supply switch element 11.
  • a smoothing circuit 12 is provided, and an analog amplifier is provided on the output side of the smoothing circuit 12 via an error amplifier circuit 14 that amplifies a difference voltage between the voltage output to the load 13 and the reference voltage 15.
  • an error amplifier circuit 14 that amplifies a difference voltage between the voltage output to the load 13 and the reference voltage 15.
  • the reference voltage 15 is a target value of the output voltage V O, and the switching operation is performed so that the output voltage V O is stabilized at the reference voltage 15.
  • the reference voltage 15 may be set so that the output voltage V O is stepped down by a resistor divider and input to the error amplifier circuit 14 to obtain a target value of the voltage obtained by the resistor divider. In this case, the resistance-divided voltage is stabilized at the reference voltage 15, so that the output voltage V ⁇ is stabilized at the desired voltage.
  • the ⁇ power supply 5 shown in FIG. 2 is merely an example, and the configuration of the ⁇ power supply 5 according to the present invention is not limited as long as it uses ⁇ modulation means. Further, as long as a clock whose frequency is not fixed, that is, a clock signal whose frequency is variable, can be used as the operation clock, other switching power supplies may be used instead of the ⁇ power supply. In other words, any power supply may be used as long as the clock is turned on and off.
  • FIG. 3 shows a main part of the configuration shown in FIG.
  • the ⁇ modulator 2 includes a modulation circuit 2 ⁇ and a driving circuit 2 ⁇ .
  • the modulation circuit 2A performs ⁇ modulation on the input signal SI and converts it into a pulse signal SS (binary signal).
  • the pulse width of the pulse signal SS reflects the input signal SI.
  • the drive circuit 2B complementarily drives the power switch element 3 based on the noise signal SS.
  • Output drive signals SP and SN for The modulator 2 operates with a power supply of about 5 V, for example.
  • the positive power supply 5A and the negative power supply 5B are switching power supplies that generate a desired high power supply voltage (for example, several tens of volts) to be supplied to the power MOS transistors 3A and 3B, as shown in FIG. Configure ⁇ power supply 5.
  • the positive power supply 5A and the negative power supply 5B receive the pulse signal SS as an operation clock, and perform switching operation in synchronization with the pulse signal SS to generate a positive high power supply voltage VP and a negative high power supply voltage VN. Configured to occur.
  • the ⁇ power supply 5 includes a stabilizing capacitor C 1, a switch element 11 interposed on a current path of an external power supply (not shown), and a reflux diode D 1. And a smoothing circuit 12 (inductor L and capacitor C 2), which function as a voltage converter (unsigned) for converting an input voltage VI from an external power supply into a desired output voltage VO. Further, the ⁇ power supply 5 includes an error amplifier circuit 14, a ⁇ 16 modulator 16, and a gate driver circuit 17 in addition to the above-described voltage conversion unit, and these switch control units (switching control units) control the switching of the switch elements 11 Unsigned).
  • the power supply is configured as a step-down power supply.
  • the present invention is not limited to this, and may be configured as, for example, a step-up power supply.
  • the switch element 11 is connected in series with the step-up coil connected to the external power supply.
  • the switch element 11 is connected to the current path of the external power supply similarly to the step-down type. This is the configuration interposed above.
  • FIG. 4 shows the configuration of the ⁇ modulator 16 described above.
  • the ⁇ modulator 16 includes a subtractor 20, an integrator 21, a comparator 22, and a D-type flip-flop (D-FF) 23.
  • the subtractor 20 subtracts the switching control signal SG from the output signal VG of the above-described error amplifier circuit 14, and the integrator 21 integrates the output signal of the subtracter 20.
  • the comparator 22 quantizes the output signal of the integrator 21 into a binary signal with reference to the reference voltage 24.
  • the non-inverting input terminal receives the output signal of the integrator 21 and the inverting input terminal. Reference voltage 1 5 is given.
  • the reference voltage 24 defines the operation of the ⁇ modulation, and specifically gives a determination level when the output signal ( ⁇ signal) of the integrator 21 is binary-coded. This reference voltage 24 is appropriately set according to the required characteristic of the required ⁇ modulation.
  • the D-type flip-flop 23 clocks the pulse signal SS output from the modulation circuit 2 A described above. The output signal of the comparator 22 is latched as a signal.
  • the power switch element 3 is composed of a pair of n-channel power MOS transistors 3 A and 3 B for output having a current path connected in series between a positive power supply 5 A and a negative power supply 5 B.
  • the drain of one power MOS transistor 3A is connected to a positive power supply 5A, and the above-mentioned drive signal SP is applied to its gate.
  • the source of the other power MOS transistor 3B is connected to the negative power supply 5B, and the above-mentioned drive signal SN is applied to its gate.
  • the source of the power MOS transistor 3A and the drain of the power MOS transistor 3B are connected to each other to form an output section of the power switch element 3, and are connected to an input section of the output filter 4 at the subsequent stage.
  • the pair of n-channel power MOS transistors 3 A and 3 B forming the power switch element 3 constitute a so-called half bridge, but the invention is not limited to this.
  • a so-called full bridge may be formed by using a pair of power MOS transistors.
  • the switching amplifier configured as described above operates as follows. First, an audio signal is input to the ⁇ modulator 2 as an input signal S I, and a sampling clock SC is input to the mouse modulator 2. The audio signal is ⁇ -modulated by the ⁇ modulator 2 and the output pulse signal is input to the power switch device 3 for amplifier. Similarly, the output pulse signal of the audio signal for the ⁇ ⁇ ⁇ modulator 2 is input to the power supply 5 as a clock signal.
  • the output signal of the ⁇ modulator 2 has two states, ON and OFF. This conversion is based on the rise or fall of the clock input to the ⁇ power supply and the ⁇ ⁇ modulator 16 of 5. Since it occurs in only one of them, switching noise generated from the power switch element 3 for amplifier connected to the output of the ⁇ modulator is also generated at the same time.
  • the output pulse signal of the ⁇ modulator for the amplifier is input to the power switch element 3 for the amplifier and the clock signal to the ⁇ power supply 5, the ON / OFF of the power switch element 11 for the power supply is performed.
  • the change occurs only at one of the rising edge and the rising edge of the output pulse of the ⁇ modulator 2 for the amplifier.
  • the timing at which the switching noise of the audio power amplifier 1 and the switching noise of the ⁇ voltage source 5 appear is almost complete. At the same time.
  • the timing at which the audio power amplifier 1 generates noise is substantially the same as the timing when the noise is originally generated.
  • the amplifier output filter 4 provided in the power amplifier 1 can be used for switching noise of the ⁇ power supply 5. That is, in the present invention, it is not necessary to provide a power supply and an output filter for the power supply output.
  • the above-mentioned audio power amplifier 1 modulates an input signal SI composed of an analog signal or a multi-bit digital signal into a pulse signal (binary signal) SS. Then, based on the pulse signal SS, a pair of power MOS transistors provided in the output stage are complementarily controlled to conduct to obtain a power-amplified output signal SO.
  • modulation circuit 2 shown in FIG. 3 modulates input signal SI by ⁇ according to sampling clock SC, and outputs pulse signal SS.
  • the pulse signal SS is supplied to the driving circuit 2B at the subsequent stage, and also to the positive power supply 5A and the negative power supply 5B constituting the ⁇ power supply 5.
  • the modulator 16 shown in FIGS. 2 and 4 In the high power supply 5 A to which the pulse signal SS is input, the modulator 16 shown in FIGS. 2 and 4 generates the switching control signal SG using the pulse signal SS as the operation cut-off signal.
  • the signal SG is applied to the gate of the switch element 11 shown in FIG.
  • the high power supply 5 A performs a switching operation, and the high power supply voltage VP is kept substantially constant as shown in FIG.
  • the waveform of the high power supply voltage VP shows only the ripple component.
  • the negative power supply 5B performs a switching operation based on the pulse signal SS, and generates a substantially constant negative high power supply voltage VN.
  • the switching control signal SG takes in the output signal of the comparator 22 at the rising edge of the pulse signal SS and outputs this as the switching control signal SG.
  • the switching control signal SG transits at the rising edge of the pulse signal SS. Therefore, the switching noise SNZ caused by the switching operation based on the switching control signal SG is superimposed on the high power supply voltages VP and VN.
  • the drive circuit 2B outputs the drive signals SP and SN in response to the pulse signal SS output from the ⁇ modulation circuit 2A. And drives the power MOS transistors 3A and 3B complementarily.
  • the output signal SO is output via the output filter 4. Output noise ONZ generated when the power MOS transistors 3A and 3B are switched is superimposed on the output signal SO.
  • the operation timing between the ⁇ power supply 5 and the audio amplifier 1 based on the above-mentioned pulse signal SS is based on the switching noise SNZ force S superimposed on the high power supply voltages VP and VN and the dead time DT ( (Within a predetermined period).
  • the timing S for generating the switching noise SNZ within the period of the dead time DT, and the timing for adjusting this timing, if necessary, need not be particularly adjusted.
  • Setting means may be provided.
  • a delay circuit can be used as this means.
  • the pulse signal SS is separated into a signal supplied to the positive power supply 5 A, 5 B and a signal supplied to the drive circuit 2 B, and one of these separated pulse signals is appropriately supplied to the other. Just delay it.
  • the switching noise SNZ occurs within the dead time DT. Then, the switching noise SNZ is cut off by the power MOS transistors 3A and 3B. Therefore, the only noise appearing on the output signal SO is the output noise ONZ caused by the switching operation of the power MOS transistors 3A and 3B. Therefore, the noise on the output signal SO is reduced without taking any noise countermeasures for the ⁇ power supply 5 itself.
  • the switching of the switch element 11 shown in FIG. 2 is controlled by a clock signal PC peculiar to the power supply side irrespective of the pulse signal SS generated by the ⁇ modulator '2. Therefore, when the power MOS transistors 3A and 3B are in the ON state, the switching element 11 may switch, and the switching noise SNZ is output through the power MOS transistors 3A and 3B.
  • the switching noise SNZ caused by the power supply 6 is superimposed on the output signal SO, so that the output signal SO is higher than when the ⁇ power supply 5 is used. Results in increased noise.
  • the output filter 4 provided in the audio power amplifier 1 and the filter (not shown) for suppressing noise on the power supply side are large.
  • the effect of noise appearing in the output signal SO is reduced without conversion. Therefore, it is possible to perform signal power amplification with high quality.
  • the switching amplifier provided with the audio power amplifier 1 has been described.
  • the present invention can be applied to other switching amplifiers provided with a power amplifier for amplifying analog signals or multi-bit digital signals. It is.
  • the ⁇ modulator is used as the modulating means of the audio power amplifier 1 .
  • this modulating means has the same effect as long as the method modulates the input signal into ON and OFF binary values. Is obtained. For example, pulse width modulation can be used.
  • the timing may be set so that these noises will actively interfere. As a result, the noise on the output signal SO is canceled, and the noise can be more effectively reduced. Furthermore, in the above embodiment has been described using the step-down Chiyoppa type as delta sigma power supply 5 may be configured to delta sigma power 5 as a step-up type.
  • the present invention has the effect that the timing of the switching noise of the power amplifier and the power supply becomes almost the same, and the noise filter of the power amplifier can be used even if the noise is mixed in from the power supply.
  • This also eliminates the need for power and noise filters, and eliminates the need to provide a smoothing circuit with a relatively large capacitor or choke coil at the output of the power supply, simplifying the output filter of the power supply.
  • the simplification of the output filter of the power supply has the effect of reducing the size and cost of the switching amplifier.

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Description

明 細 書 スィツチング増幅装置 技術分野
本発明は、 アナログ信号もしくは多ビットデジタル信号を増幅するスィッチン グ増幅装置に関するものであり、 電源のスィツチングノイズを低減して品質の向 上化を図る新規なスィツチング増幅装置に関するものである。 背景技術
従来のパワーアンプを備えたスイッチング増幅装置を図 7に示す。 なお、 この 従来例はオーディオ用のスィツチング増幅装置に関するものである。 このスィッ チング増幅装置はオーディオパワーアンプ 1と電源 6を備え、 オーディオパワー アンプ 1は、 オーディオ信号を Δ Σ変調する Δ Σ変調器 2を備え、 この Δ Σ変調 器 2の出力パルス信号をアンプ用パワースィツチ素子 3に供給し、 アンプ用出力 一フィルタ 4を介して出力するように構成してある。 このアンプ用パワースィッ チ素子 3に電源 6を接続してあり、 この電源 6はクロック信号を入力し、 このク 口ック信号に同期してパルス幅変調して、 このパルス幅変調した信号を電源内に ある電源用パワースイツチ素子に供給し、 所望の電力を電源用出力フィルタを通 してアンプ用パワースィツチ素子 3に供給するように構成してある。
この従来例のスィツチング増幅装置は以下のような作用をする。 先ず、 オーデ ィォ信号等の信号を Δ Σ変調器 2に入力するとともに、 この Δ Σ変調器 2にサン プリングクロックを入力する。 Δ Σ変調器 2で前記入力信号を Δ Σ変調して、 こ の出力パルス信号をアンプ用パワースィッチ素子 3に入力する。 また、 電源 6で は前記サンプリングクロック信号とは別のクロック信号が入力され、 このクロッ ク信号に合わせてパルス幅変調を行い、 前記パルス幅変調出力パルス信号が電源 内にある電¾?、用パワースィツチ素子に入力される。 電源用パワースィツチ素子の 出力は電源用出力フィルタ 7を通して出力され、 アンプ用パワースィツチ素子 3 に電力を供給する。
しかし、この手段では、電源 6とパワーアンプ 1とが互いに独立しているため、 パワーアンプ出力に電源 6のスィツチングノイズの影響を与えやすいという課題 があった。 また、 電源 6のスイッチングノイズの影響がパワーアンプ 1に出ない ようにするため、 電源出力に大きな電源用出力フィルタ 7を設けなければならな いが、 従来における電源用出力フィルタ 7は、 平滑回路とノイズフィルタとを接 続して構成してなる場合が多く、 この場合、 ノイズフィルタを設けたことにより 小型化が困難である。 さらに、 ノイズフィルタを外して電源用出力フィルタ 7を 構成しょうとすると、 平滑回路を構成するコンデンサやチョークコイルを大型化 する必要があり、 いずれにしても、 電源用出力フィルタ 7が比較的大きいため、 スイッチング増幅装置の小型ィヒが困難であるという課題が生じた。 発明の開示
本発明は、 上記問題に鑑みてなされたものであり、 特に電源のスイッチングノ ィズを低減して品質の向上化を図る新規なスィツチング増幅装置を提供する。 上記目的を達成するためになされた発明は、 パワーアンプと電源のスィッチン グノイズの出るタイミングがほぼ同時になり、 電源からノイズが混入しても、 ノ ヮーアンプのノイズフィルタを兼用することが可能となる。 また、 これに伴い電 源用のノイズフィルタが不要であるとともに、 電源の出力に比較的大型のコンデ ンサゃチョークコイルを備えた平滑回路を設ける必要がなくなり、 電源の出カフ ィルタを簡略化することが可能である。 さらに、 電源の出力フィルタの簡略化に より、スィッチング增幅装置の小型化及びコストダウンを図ることを可能にした。 即ち、 本発明は、 上記課題を解決するため、 以下の構成を有する。
本発明の第 1の態様に係るスィツチング増幅装置は、 アナ口グ信号もしくは多 ビットデジタル信号を 2値信号に変調する変調器を備え、 この変調器の出力パル ス信号をパワースィツチ素子に供給するスィツチングパワーアンプと、 アナログ 信号もしくは多ビットデジタル信号を Δ Σ変調する Δ Σ変調手段を備え、 この厶 ∑変調手段から出力される電源制御用パルス信号を電源用パワースィッチ素子に 供給する Λ∑電¾1とを設け、 この Δ∑電源に前記パワーアンプの前記変調器の出 力パルス信号を供給するように構成してあるとともに、 前記出力パルス信号をこ の厶∑電源の動作クロックとして入力し、 Δ Σ電源の出力電力を前記パワーアン プの前記パワースィツチ素子に供給するように構成してある。
本発明の第 2の態様に係るスィツチング増幅装置は、 出力段に少なくとも 1対 のパワースィッチ素子を有し、 アナログ信号もしくは多ビットデジタル信号から なる入力信号を 2値信号に変調し、 この 2値信号に基づき前記 1対のパワースィ ツチ素子を相補的に導通制御することにより電力増幅された出力信号を得るパヮ 一アンプと、 前記 2値信号に同期してスイッチング動作することにより、 前記 1 対のパワースィツチ素子に供給されるべき所望の電源電圧を生成するスィッチン グ電源と、 を備えている。
本発明の第 3の態様に係るスィツチング増幅装置は、 本発明の第 2の態様に係 るスィヅチング増幅装置において、 前記出力段に設けられた 1対のパワースィッ. チ素子が共にオフ状態となる所定期間内に前記スイ,ッチング電源のスイッチング 動作に伴うノイズが発生するように、 前記 2値信号に基づく前記スィツチング電 源と前記パワーアンプとの間の動作タイミングを設定している。
本発明の第 4の態様に係るスィツチング増幅装置は、 本発明の第 2または第 3 の態様に係るスイッチング増幅装置において、 前記スイッチング電源が、 前記 2 値信号を動作ク口ック信号として入力する Δ∑電源で構成される。
本発明の第 5の態様に係るスィツチング増幅装置は、 本発明の第 4の態様に係 るスイッチング増幅装置において、 前記スイッチング電源が、 外部電源の電流経 路上に介挿されたスィツチ素子を有し、 このスィツチ素子がスィツチングするこ とにより前記外部電源の電圧を前記所望の電源電圧に変換する電圧変換部と、 前 記電圧変換部により変換された電源電圧を Δ∑変調し、 この Δ∑変調により得ら れた信号に基づき、 前記電圧変換部を構成するスイツチ素子のスイツチングを制 御するスイッチング制御部と、 を備えている。
この発明の構成によれば、 スイッチング電源のスイッチング動作が、 パワーァ ンプ側の 1対のパワースィツチ素子の導通を制御する 2値信号に同期し、 これら
1対のパワースィッチ素子のスイッチングと同期する。 従って、 スィツチング電 源のスィツチング動作に伴うノイズの発生タイミングと、 出力段の 1対のパワー スィッチ素子のスィツチングのタイミングとを整合させることが可能になり、 見 かけ上、 出力信号上に現れるスイッチングノイズの発生頻度が低減する。 また、 1対のパワースィツチ素子が共にオフ状態となる所定期間内にスィツチング電源 のスィツチング動作に伴うノイズが発生するようにタイミングを調整することに より、 スイッチング電源のスイッチング動作に伴うノイズが、 1対のパワースィ ツチ素子を介して出力信号に現れない。 よって、 スイッチング電源やパワースィ ツチ素子のスィッチング動作に伴うノイズを抑制するためのフィルタを小型化す ることが可能になる。. . 図面の簡単な説明
図 1は本発明に係る一実施例を示す実施例のプロック図である。
図 2は図 1に示す実施例の要部(Δ∑電源)の一例を示すプロック回路図である。 図 3は図 1に示す実施例の詳細な構成を示す図である。
図 4は図 2に示す Δ∑変調回路の構成を示す図である。
図 5は本実施例の動作を説明するための波形図である。
図 6は本実施例の動作を比較説明するための波形図である。
図 7は従来例を示すプロック図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 添付図面を用いて本発明に係るスィツチング増幅装置の実施例を説明す る。 図 1は本発明に係る一実施例を示してある。 また、 図 2にはこの実施例の要 部の一実施例を示してある。
図 1に示す実施例は、 オーディオパワーアンプ 1を設けたスィツチング増幅装 置であり、 オーディオパワーアンプ 1はオーディオ信号を Δ∑変調する Δ∑変調 器 2を備え、 この Δ Σ変調器 2の出力パルス信号をアンプ用パワースィツチ素子 3に供給し、 アンプ用出力フィルタ 4を通して出力するように構成してある。 また、 本実施例では、 厶∑電源 5を備えてあり、 この Δ Σ電源 5は、 オーディ ォパワーアンプ 1の Δ∑変調器 2の出力パルス信号を供給するようにしてあると ともに、 前記出力パルス信号をこの Δ Σ電源 5の動作クロックとして入力し所望 の電力を発生させ、 前記電力を前記アンプ用パワースィツチ素子 3に供給するよ うにしてある。
本実施例に係る Δ∑電源の具体的構成を、 図 2に示してある。 この Δ∑電源 5 は、 Δ Σ変調器 1 6を備え、 この Δ Σ変調器 1 6の出力パルス信号を電源用パヮ 一スィッチ素子 1 1に供給するようにしてある。 また、 平滑回路 1 2を備え、 こ の平滑回路 1 2の出力側に、 負荷 1 3に出力された電圧と基準電圧 1 5の差分電 圧を増幅する誤差増幅回路 1 4を介して、 アナログ信号もしくは多ビットデジタ ル信号を Δ Σ変調する Δ Σ変調器 1 6を接続し、 誤差増幅回路 1 4で負荷に出力 された電圧と基準電圧 1 5の差分電圧を増幅した信号を Δ Σ変調器 1 6に入力す るように構成している。 基準電圧 1 5は、 出力電圧 V Oの目標値であり、 出力電 圧 V Oが基準電圧 1 5に安定するようにスィツチング動作が行われる。 ただし、 出力電圧 V Oを抵抗分圧により降圧して誤差増幅回路 1 4に入力し、 この抵抗分 圧により得られる電圧の目標値となるように基準電圧 1 5を設定してもよい。 こ の場合、 抵抗分圧された電圧が基準電圧 1 5に安定することにより、 出力電圧 V Οが所望の電圧に安定される。
なお、 図 2に示す Δ Σ電源 5は、 単なる一実施例に過ぎず、 本発明に係る厶∑ 電源 5は Δ∑変調手段を用いたものであれば構成は問わない。 また、 動作クロッ クとして周波数が固定されないクロック、 即ち周波数可変なク口ック信号を使用 できるものであれば、 Δ∑電源に限らず他のスィツチング電源であってもよい。 換言すれば、 オンとオフとがクロック同期するものであれば、 どのような電源で あってもよい。
次に、 図 3に、 図 1に示す構成の主要部を示す。 図 3に示すように、 Δ Σ変調 器 2は変調回路 2 Αおよび駆動回路 2 Βから構成される。 変調回路 2 Aは、 入力 信号 S Iを Δ∑変調してパルス信号 S S ( 2値信号) に変換するものであり、 こ のパルス信号 S Sのパルス幅に入力信号 S Iが反映される。 駆動回路 2 Bは、 ノ ルス信号 S Sに基づきパワースィツチ素子 3を相補的に駆動するものであり、 そ のための駆動信号 SP, SNを出力する。 この変調器 2は、 例えば 5 V程度の電 源で動作する。
正電源 5 Aおよび負電源 5 Bは、 パワー MOSトランジスタ 3 A, 3 Bに供給 されるべき所望の高電源電圧 (例えば数 10 V) を生成するスイッチング電源で あって、 上述の図 1に示す Δ∑電源 5を構成する。 これら正電源 5 Aおよぴ負電 源 5Bは、 パルス信号 S Sを動作クロックとして入力し、 このパルス信号 S Sに 同期してスィツチング動作することにより正の高電源電圧 VPおよび負の高電源 電圧 VNを発生するように構成される。
即ち、 前述の図 2に示すように、 ΔΣ電源 5は、 安定化用のコンデンサ C 1、 外部電源 (図示なし) の電流経路上に介揷されたスィッチ素子 1 1、 還流用のダ ィオード D、 平滑回路 1 2 (インダクタ Lおよびコンデンサ C 2) を含んで構成 され、 これらは、 外部電源からの入力電圧 V Iを所望の出力電圧 VOに変換する 電圧変換部 (符号なし) として機能する。 また、 ΔΣ電源 5は、 上述の電圧変換 部に加えて、 誤差増幅回路 14、 ΔΣ変調器 16、 ゲートドライバ回路 1 7を含 み、これらはスィツチ素子 1 1のスィツチングを制御するスィツチング制御部(符 号なし) を構成する。
なお、 図 2に示す例では、 降圧型の電源として構成したが、 これに限定される ことなく、 例えば昇圧型の電源として構成してもよい。 この場合、 スィッチ素子 1 1は、 外部電源に接続される昇圧用のコイルと直列に接続されるが、 この場合 であってもスィッチ素子 1 1は、 降圧型と同様に、 外部電源の電流経路上に介揷 された構成となる。
図 4に、 上述の ΔΣ変調器 16の構成を示す。 同図に示すように、 ΔΣ変調器 16は、 減算器 20、 積分器 21、 比較器 22、 D型フリップフロップ (D— F F) 23から構成される。 ここで、 減算器 20は、 上述の誤差増幅回路 14の出 力信号 VGからスイッチング制御信号 SGを減算するもので、 積分器 21は、 減 算器 20の出力信号を積分するものである。 比較器 22は、 基準電圧 24を基準 として積分器 21の出力信号を 2値信号に量子化するものであり、 その非反転入 力端子には積分器 21の出力信号が与えられ、 その反転入力端子には基準電圧 1 5が与えられる。 基準電圧 2 4は、 Δ Σ変調の動作を規定するものであり、 具体 的には積分器 2 1の出力信号(Δ Σ信号)を 2値ィ匕する際の判定レベルを与える。 この基準電圧 2 4は必要とされる Δ Σ変調の特 1"生に応じて適切に設定される。 D 型フリップフロップ 2 3は、 上述の変調回路 2 Aから出力されるパルス信号 S S をクロック信号として比較器 2 2の出力信号をラッチするものである。
説明を図 3に戻す。 パワースィッチ素子 3は、 正電源5 Aと負電源 5 Bとの間 に電流経路が直列接続された 1対の出力用の nチヤネル型パヮー MO Sトランジ スタ 3 A, 3 B力 ら構成される。 ここで、 一方のパワー MO S トランジスタ 3 A のドレインは正電源 5 Aに接続され、 そのゲートには上述の駆動信号 S Pが印加 される。 また、 他方のパワー MO Sトランジスタ 3 Bのソースは負電源 5 Bに接 続され、 そのゲートには上述の駆動信号 S Nが印加される。 これらパワー MO S トランジスタ 3 Aのソースおよびパワー MO S トランジスタ 3 Bのドレインは、 互いに接続されてパワースィツチ素子 3の出力部とされ、 後段の出力フィルタ 4 に入力部に接続される。
なお、 図 3に示す例では、 パワースィッチ素子 3をなす 1対の nチャネル型パ ヮー MO Sトランジスタ 3 A, 3 Bはいわゆるハーフブリッジを構成するが、 こ れに限定されることなく、 複数対のパワー MO S トランジスタを用いていわゆる フルプリッジを構成するものとしてもよい。
以上のように構成してあるスィツチング増幅装置は以下のように作用する。 先 ず、 入力信号 S Iとしてオーディオ信号を Δ Σ変調器 2に入力するとともに、 こ の厶∑変調器 2にサンプリングクロック S Cを入力する。 この Δ Σ変調器 2でォ 一ディォ信号を Δ∑変調して、 この出力パルス信号をアンプ用パワースィツチ素 子 3に入力する。 同じく前記オーディォ信号用の Δ∑変調器 2の出力パルス信号 を厶∑電源 5にクロック信号として入力する。
一般に、 Δ Σ変調器 2の出力信号は O Nか O F Fの 2つの状態があり、 この変 ィ匕は Δ Σ電源、 5の Δ Σ変調器 1 6に入力されたクロックの立ち上がり若しくは立 ち下がりのどちらか一方のみで起こるため、 Δ∑変調器出力に接続されるアンプ 用パワースィツチ素子 3から発生するスィツチングノイズもこれと同時に発生す PC蒙 2/麵
8 ることとなる。
本発明では、 アンプ用 Δ∑変調器出力パルス信号をアンプ用パワースィツチ素 子 3に入力するとともに、 Δ Σ電源 5にクロック信号として入力するため、 電源 用パワースィツチ素子 1 1の O Nと O F Fの変化はアンプ用 Δ∑変調器 2の出力 パルスの立ち上がり若しくは立ち上がりのどちらか一方でのみ起こることになり、 この結果、 オーディオパワーアンプ 1と Δ∑電?原 5のスィツチングノイズの出る タイミングがほぼ同時になる。
以上より、 Δ∑電源 5からオーディオアンプ 1にスィツチングノイズが混入し ても、 もともとオーディオパワーアンプ 1がノイズを発生するタイミングとほぼ 同時であるため、 オーディオパワーアンプ 1に与える影響は少なく、 オーディオ パワーアンプ 1に設けたアンプ用出力フィルタ 4を Δ∑電源 5のスイッチングノ ィズ用に使用することが可能である。 即ち、 本発明においては、 電源出力に電源、 用出力フィルタを設ける必要がない。
次に、 図 5に示す信号波形を参照しながら上述の動作を補足する。 前述のォー ディォパワーアンプ 1は、 アナログ信号もしくは多ビットデジタル信号からなる 入力信号 S Iをパルス信号 (2値信号) S Sに変調する。 そして、 パルス信号 S Sに基づき出力段に設けられた 1対のパワー MO Sトランジスタを相補的に導通 制御することにより電力増幅された出力信号 S Oを得る。 具体的には、 図 3に示 す変調回路 2が、 サンプリングクロック S Cに従い、 入力信号 S Iを Δ Σ変調し てパルス信号 S Sを出力する。 このパルス信号 S Sは後段の駆動回路 2 Bに与え られると共に、 Δ∑電源 5を構成する正電源 5 A及び負電源 5 Bに与えられる。 パルス信号 S Sを入力する高電源 5 Aでは、 前述の図 2および図 4に示す厶∑ 変調器 1 6がパルス信号 S Sを動作ク口ック信号としてスィツチング制御信号 S Gを生成し、 このスィッチング制御信号 S Gを図 2に示すスィッチ素子 1 1のゲ ートに与える。 これにより、 高電源 5 Aがスイッチング動作し、 図 5に示すよう に高電源電圧 V Pを概ね一定に保つ。 図 5では、 高電源電圧 V Pの波形はリップ ル成分のみを表している。 同様に、 負電源 5 Bが、 パルス信号 S Sに基づきスィ ツチング動作し、 概ね一定の負の高電源電圧 V Nを発生する。 このとき、図 4に示す ΔΣ変調器 16を構成する D型フリップフロップ 23が、 パルス信号 S Sの立ち上がりのエッジで比較器 22の出力信号を取り込み、 これ をスイッチング制御信号 SGとして出力するので、 図 5に示すように、 スィッチ ング制御信号 S Gは、 パルス信号 S Sの立ち上がりのェッジで遷移する。 このた め、 高電源電圧 VP, VNには、 スイッチング制御信号 SGに基づくスィッチン グ動作に起因したスイッチングノイズ SNZが重畳される。
一方、 駆動回路 2 Bは、 Δ∑変調回路 2 A.から出力されるパルス信号 S Sに応 答して駆動信号 SP, SNを出力し、 パワー MOS トランジスタ 3 A, 3Bを相 補的に駆動し、 出力フィルタ 4を介して出力信号 SOを出力する。 この出力信号 SOには、 パワー MOS トランジスタ 3 A, 3 Bがスイッチングする際に発生す る出力ノイズ ON Zが重畳される。
ここで、 仮にパワー MO S トランジスタ 3 A, 3 Bが共にオン状態になると、 高電源 5 Aから負電源 5 Bに向かって過大な貫通電流が流れ、 パワー MOSトラ ンジスタ 5 A, 5 Bにダメージを与える。 このため、 出力段の 1対のパワー MO S トランジスタ 3 A, 3 Bがスィツチングする際に、 双方のトランジスタが共に オフ状態となるいわゆるデッドタイム DTが設けられており、 そのようなデッド タイム DTを生じるように上述の駆動信号 S Pと駆動信号 SNとの間に位相差が 設けられている。
上述のパルス信号 S Sに基づく Δ .∑電源 5とオーディォパヮーァンプ 1との間 の動作タイミングは、 高電源電圧 VP, VNに重畳されるスイッチングノイズ S N Z力 S、デッドタイム D Tの期間内(所定期間内)に発生するように設定される。 この実施例では、 特にこのタイミングの調整を図るまでもなく、 スイッチングノ ィズ S N Zがデッドタイム D Tの期間内に発生するものとする力 S、必要に応じて、 このタイミングを調整するためのタイミング設定手段を設けてもよい。 例えばこ の手段として遅延回路を用いることができる。 この場合、 パルス信号 S Sを、 正 電源 5 A, 5 Bに供給されるものと、駆動回路 2 Bに供給されるものとに分離し、 これら分離されたパルス信号の一方を他方に対して適量だけ遅延させればよ 、。 このように、 スィツチングノイズ SNZがデッドタイム DTの期間内に発生す ると、 このスィツチングノイズ SNZがパワー MO S トランジスタ 3 A, 3 Bに より遮断される。 このため、 出力信号 SO上に現れるノイズは、 パワー MOSト ランジスタ 3 A, 3 Bのスィツチング動作に起因する出力ノイズ ONZのみとな る。 従って、 ΔΣ電源 5自体に何らノイズ対策を施すことなく、 出力信号 SO上 のノイズが低減される。
以下、 比較のため、 図 6に示す波形図を参照し、 図 7に示す従来の電源6を用 いた場合の動作を説明する。 この場合、 図 2に示すスィッチ素子 1 1は、 ΔΣ変 調器' 2で生成されるパルス信号 S Sとは無関係の電源側固有のクロック信号 P C によりスイッチング制御される。 このため、 パワー MOS トランジスタ 3 A, 3 Bがオン状態にある時にスィッチ素子 1 1がスイッチングする場合が生じ、 スィ ツチングノイズ SNZがパワー M〇 Sトランジスタ 3 A, 3 Bを介して出力され る。
この結果、 出力信号 SOには、 出力ノイズ ON Zに加えて、 電源 6に起因する · スイッチングノイズ SNZが重畳され、 よって、 Δ∑電源 5を使用した場合に比 較して、 出力信号 SO上のノイズが増加する結果となる。
従って、 電源 6を用いた場合と比較すると、 前述した本実施例によれば、 ォー ディォパワーアンプ 1が備える出力フィルタ 4や、 電源側のノイズを抑えるため のフィルタ (図示なし) を大型化することなく、 出力信号 SOに現れるノイズを 有効が低減される。 よって信号の電力増幅を高品質に行うことが可能になる。 なお、 本実施例では、 オーディオパワーアンプ 1を設けたスイッチング増幅装 置について説明したが、 その他のアナログ信号もしくは多ビットデジタル信号を 増幅するパワーアンプを備えたスイッチング増幅装置についても応用することは 可能である。
さらに、 本実施例ではオーディオパワーアンプ 1の変調手段に Δ∑変調器を用 いた場合について説明したが、 この変調手段は入力信号を ONと OFF 2値に変 調する方式であれば同様の効果が得られる。 たとえば、 パルス幅変調を用いても 差し支えない。
さらに、 Δ∑電源が発生するスイッチングノイズ SNZと、 パワーオーディオ PC漏 2/08979
11 アンプ側の出力ノイズ O N Zとが逆位相の関係にある場合は、 これらのノイズを 積極的に干渉させるようにタイミングを設定してもよい。 これにより、 出力信号 S O上のノイズが相殺され、 ノイズを一層有効に低減させることが可能になる。 さらに、 上述の実施例では、 Δ Σ電源5として降圧チヨッパ型を用いて説明し たが、 Δ Σ電源 5を昇圧型として構成してもよい。 産業上の利用の可能性
本願発明は、 パワーアンプと電源のスイッチングノイズの出るタイミングが ほぼ同時になり、 電源からノイズが混入しても、 パワーアンプのノイズフィルタ を兼用できる効果がある。 また、 これに伴い電¾?、用のノイズフィルタが不要であ るとともに、 電源の出力に比較的大型のコンデンサやチョークコイルを備えた平 滑回路を設ける必要がなくなり、電源の出力フィルタを簡略化できる効果がある。 さらに、 電源の出力フィルタの簡略化により、 スイッチング増幅装置の小型化及 ぴコストダウンを図ることができる効果がある。

Claims

請求の範囲
1 . アナログ信号もしくは多ビットデジタル信号を 2値信号に変調する変調器 を備え、 この変調器の出力パルス信号をパワースィツチ素子に供給するスィツチ ングパワーアンプと、 アナログ信号もしくは多ビットデジタル信号を Δ∑変調す る厶∑変調手段を備え、 この Δ∑変調手段から出力される電源制御用パルス信号 を電源用パワースィツチ素子に供給する Δ∑電源とを設け、 この Δ∑電源に前記 パワーアンプの前記変調器の出力パルス信号を供給するように構成してあるとと もに、 前記出力パルス信号をこの Δ Σ電源の動作クロックとして入力し、 Δ Σ電 源の出力電力を前記パヮーァンプの前記パワースイツチ素子に供給するように構 成してあるスィツチング増幅装置。
2. 出力段に少なくとも 1対のパワースィッチ素子を有し、 アナログ信号もし くは多ビットデジタル信号からなる入力信号を 2値信号に変調し、 この 2値信号 に基づき前記 1対のパワースィツチ素子を相補的に導通制御することにより電力 増幅された出力信号を得るパワーアンプと、
前記 2値信号に同期してスィッチング動作することにより、 前記 1対のパヮ一 スィツチ素子に供給されるべき所望の電源電圧を生成するスィツチング電源と、 を備えたスィツチング増幅装置。
3 . 前記出力段に設けられた 1対のパワースィツチ素子が共にオフ状態となる 所定期間内に前記スィツチング電源のスィツチング動作に伴うノイズが発生する ように、 前記 2値信号に基づく前記スィッチング電源と前記パヮーアンプとの間 の動作タイミングを設定した請求の範囲第 2項に記載されたスィツチング増幅装
4 . 前記スィッチング電源が、
前記 2値信号を動作ク口ック信号として入力する Δ∑電源である請求の範囲第 2項に記載されたスィツチング増幅装置。
5 . 前記スイッチング電¾ が、
外部電源の電流経路上に介挿されたスィツチ素子を有し、 このスィツチ素子が スィツチングすることにより前記外部電源の電圧を前記所望の電源電圧に変換す る電圧変換部と、
前記電圧変換部により変換された電源電圧を Δ∑変調し、 この Δ∑変調により 得られた信号に基づき、 前記電圧変換部を構成するスィツチ素子のスィツチング を制御するスィッチング制御部と、
を備えた請求の範囲第 4項に記載されたスイッチング増幅装置。
6 . 前記スィッチング電原が、
前記 2値信号を動作ク口ック信号として入力する Δ∑電源である請求の範囲第 3項に記載されたスィツチング増幅装置。
7 . 前記スィッチング電源が、
外部電源の電流経路上に介挿されたスィツチ素子を有し、 このスィツチ素子が スィツチングすることにより前記外部電源の電圧を前記所望の電源電圧に変換す る電圧変換部と、
前記電圧変換部により変換された電源電圧を Δ∑変調し、 この Δ∑変調により 得られた信号に基づき、 前記電圧変換部を構成するスィツチ素子のスィツチング を制御するスィッチング制御部と、
を備えた請求の範囲第 6項に記載されたスィツチング増幅装置。
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