低歪・低ノイズ・低消費電力を実現したスイッチングアンプ

技術概要

テレビや携帯機器のオーディオ回路には小形低コストなスイッチングアンプ(Ｄ級アンプ)が用いられるようになりました。しかし、高周波雑音抑制に要するコストと小形化への制約が生じる共に、信号歪の発生も課題となっています。本アンプにより、これらの課題を解決できます。

用途・応用

AV製品・映像機器・オーディオ機器の製造業

背景

　従来より、スイッチング技術を用いたＤ級増幅器が知られている。Ｄ級増幅器は、増幅素子の電流を中間状態に制御するアナログ増幅器とは異なり、スイッチング増幅素子をＯＮ／ＯＦＦさせることにより、増幅素子での余分な発熱を大幅に低減できる利点がり、家庭用オーディオ機器（ワンビットＡＤコンバータ）などに使用されている。

　図１（以下各図は詳細資料に記載）は従来例１のＤ級増幅器の構成を示す回路である。従来例１のＤ級増幅器は、信号源１０１ａの信号をパルス幅変調器（ＰＷＭ）１１０ａによりパルス信号に変換し、パルス信号を第１パルス増幅器１０５ａで増幅し、第１低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１０７ａでパルス成分を除去して元の入力信号の周波数成分を取り出して負荷１０９ａに出力する。さらに一般では、負荷１０９ａの駆動電力を増強すべく、パルス幅変調器１１０ａのパルス信号をインバータ１１１ａにより反転して得られた反転パルス信号を第２パルス増幅器１０６ａで増幅し、第２低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１０８ａを介して負荷１０９ａの他端に出力する。

　図２（ａ）に示す入力信号Ｖ Ｉ Ｎ が入力された場合、第１パルス増幅回路１０５ａに与えられる電源電圧をＶとすれば、図２（ｂ）に示す出力パルス電圧が第１パルス増幅回路１０５ａからさらに反転された出力パルス電圧が第２パルス増幅回路１０６ａから出力され、第１低域通過フィルタ１０７ａと第２低域通過フィルタ１０８ａを介して得られた出力電圧Ｖｏ１とＶｏ１を反転した出力電圧が負荷１０９ａに印加される。この回路方式は、 Ｂ Ｔ Ｌ （ Balance Transformerlessま た は Bridged Transformerless） 回 路 と 呼 ば れ て いる。ＢＴＬ回路では、第１低域通過フィルタ１０７ａと第２低域通過フィルタ１０８ａから負荷１０９ａに印加される出力パルス電圧は、図２（ｂ）に示すように、＋Ｖと－Ｖとの２値となり、電源電圧の２倍の電圧変化幅となる。このため、スイッチングに伴う電磁不要輻射ノイズが大きくなり、図２（ｃ）に示すように、出力パルスの周波数成分は非常に高い周波数まで広がってしまう。

　スイッチングに伴う電磁不要輻射ノイズの発生を抑制するためには、Ｄ級増幅器を電磁シールド板で覆ったり、Ｄ級増幅器の各部にフィルタ回路を挿入する必要がある。しかし、電磁シールド板は高価であり、フィルタ回路も発生するノイズレベルが大きくノイズ周波数が高いほど、高価な素子を設ける必要がある。このため、Ｄ級増幅器の製造コストが上昇してしまう。

　そこで、上記問題を解決したＤ級増幅器として、図３に示す従来例２のＤ級増幅器の構成が知られている。従来例２のＤ級増幅器は、三角波や鋸歯状波などを出力する基準信号源１３１に接続された第１パルス幅変調器１０３と第２パルス幅変調器１０４とを備える。第１パルス幅変調器１０３は信号源１０１に直接接続される。第２パルス幅変調器１０４は信号反転器１０２を介して入力信号源１０１に接続される。第１パルス幅変調器１０３と第２パルス幅変調器１０４の出力のそれぞれを第１低域通過フィルタ１０７と第２低域通過フィルタ１０８を介して負荷１０９の異なる端子に接続している。

　従来例２のＤ級増幅器によれば、図４（ｂ）に示すように、第１パルス増幅回路１０５と第２パルス増幅回路１０６の出力間に得られる差動パルス電圧Ｖｏ＇は、その極性が入力信号Ｖ Ｉ Ｎ の極性に応じて変調されると共に、常にグランドレベルを基準として出力される。このため、差動パルス電圧Ｖｏ＇の振幅は常に電源電圧Ｖと同一の大きさに抑制される。それ故、この回路方式はパルス極性変調方式とも呼ばれる。パルス極性変調方式では、図４（ｂ）に示すように、差動パルス電圧Ｖｏ＇の振幅が図２（ｂ）に示す従来例１の増幅器による出力パルス電圧に対して半減される。また、図４（ｃ）に示すように、点線部分に相当する出力パルスの周波数スペクトルの奇数次高調波成分が消滅する。また、図４（ｂ）に示す差動パルス電圧Ｖｏ＇のパルス周波数は、図２（ｂ）のＶｏ１＇－Ｖｏ２の２倍になるので、低域通過フィルタの遮断周波数を高く設計して小型化しコスト低減することもできる。 

課題

　しかしながら、実際の実施例２のＤ級増幅器では、例えば信号反転回路の挿入による伝播遅延量などがあるため、パルス出力の周波数成分の主体をなす奇数次高調波を十分に低減することができなかった。

　本発明の課題は、パルス出力の周波数成分の主体をなす奇数次高調波を大幅に低減して、電磁不要輻射を大幅に低減でき、しかも安価な増幅器を提供することにある。

手段・効果

　上記課題を解決するために、本発明の第一の技術的側面に係るＤ級増幅器は、信号源からの入力信号を反転させた反転信号を生成する信号反転器と、信号源からの入力信号に対してパルス幅変調を施す第１パルス幅変調器と、 電 源 の 両 端 に 直 列 に 接 続 さ れ た 第 １ ス イッ チ ン グ 増 幅 素 子 と 第 ２ ス イ ッ チ ン グ 増 幅 素 子 と を 有 し 、 前 記 第 １ ス イ ッ チ ン グ 増 幅 素 子と 前 記 第 ２ ス イ ッ チ ン グ 増 幅 素 子 と を 交 互 に オ ン ／ オ フ す る こ と に よ り 第 １ パ ル ス 幅 変 調器 か ら の パ ル ス 幅 変 調 信 号 を 増 幅 す る 第 １ パ ル ス 増 幅 器 と 、 反転信号に対してパルス幅変調を施す第２パルス幅変調器と、 前 記 電 源 の 両 端 に 直 列 に 接 続 さ れ た 第 ３ ス イ ッ チ ン グ 増幅 素 子 と 第 ４ ス イ ッ チ ン グ 増 幅 素 子 と を 有 し 、 前 記 第 ３ ス イ ッ チ ン グ 増 幅 素 子 と 前 記 第 ４ス イ ッ チ ン グ 増 幅 素 子 と を 交 互 に オ ン ／ オ フ す る こ と に よ り 第 ２ パ ル ス 幅 変 調 器 か ら の パル ス 幅 変 調 信 号 を 増 幅 す る 第 ２ パ ル ス 増 幅 器 と 、 第１パルス 増 幅 器からのパルス幅変調信号の低域周波数成分のみを通過させる第１低域通過フィルタと、第２パルス 増 幅 器からのパルス幅変調信号の低域周波数成分のみを通過させる第２低域通過フィルタ と 、 信 号 源 と第 １ パ ル ス 幅 変 調 器 の 間 に 接 続 さ れ 、 信 号 源 か ら の 入 力 信 号 を 所 定 の 時 間 遅 延 さ せ た 遅 延信 号 を 生 成 し 、 生 成 し た 遅 延 信 号 を 第 １ パ ル ス 幅 変 調 器 に 出 力 す る 信 号 遅 延 器 と を 備 え 、信 号 遅 延 器 は 、 信 号 源 か ら の 入 力 信 号 と 信 号 反 転 器 で 反 転 さ せ た 反 転 信 号 と の 間 の 遅 延 時間 に 相 当 す る 遅 延 時 間 だ け 入 力 信 号 を 遅 延 さ せ た 遅 延 信 号 を 生 成 し 、 第１低域通過フィルタからの信号と第２低域通過フィルタからの信号を負荷に出力する。

　このような構成により、パルス出力の周波数成分の主体をなす奇数次高調波を低減することができる。

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