JP2005123939A - Ｐｗｍ増幅器のゲインコントロール方法およびネガティブフイードバック量コントロール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用条件にあったゲイン、ネガティブフィードバック量を設定する。
【解決手段】 傾斜波等の基準波信号Ｃを出力する発振部２を、信号レベル可変機能付発振部とし、使用条件により発振制御部６を介して発振レベルを変化させる。例えば、発振制御部６に電源電圧Ｈを入れると、電源電圧の変化に応じた基準波信号Ｃを出力する。増幅器１０のオープンループゲインは電源電圧に依存するが、変調後信号Ｄの変調度は基準波信号Ｃのレベルが上がると下がるので、出力信号Ｆのレベルは電源電圧変動で変化しない。そのため電源電圧変動によるオープンループゲインの変化が無くなる。また、負帰還回路を設けたＰＷＭ増幅器において、発振制御部６に入力信号Ａまたは出力信号Ｆをに入れると、入力信号Ａまたは出力信号Ｆのレベルに応じて基準波信号Ｃのレベルが変化するので、ゲイン、ネガティブフィードバック量の変更が可能となる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、使用条件にあったゲインまたはネガティブフィードバック量を設定できるＰＷＭ増幅器のゲインコントロール方法およびネガティブフイードバック量コントロール方法に関する。

オーディオ用のパワーアンプ装置として、パルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭ増幅器がある。通常、ＰＷＭ増幅器は、図４に示すように入力信号Ａと発振部２から出力される三角波、傾斜波等の基準波信号Ｃをコンパレータ等からなるモジュレータ部３で変調し、パワースイッチング素子４ａ、４ｂで構成されたパワースイッチング回路からなるドライバ部４及び復調用ＬＰＦ（ローパスフィルタ）部５を介してスピーカ等の負荷８を駆動するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３０３０４９号公報。（図１、図６）。

従来のＰＷＭ増幅器は、ＰＷＭ変調度の基準となる傾斜波等の基準波信号Ｃのレベルが固定のため増幅器としてのオープンループゲインは固定であった。そのため図５に示すように、モジュレータ部３からレベル一定の変調信号Ｄがドライバ部４に入力してもドライバ部４の電源電圧Ｈが変動すると、ドライバ部４の出力Ｅのレベルが変動し、ＬＰＦ部５から出力される出力信号Ｆのレベルも電源電圧Ｈの変動に応じて変動する。また、電源がステップアップ電源などの場合、電源電圧Ｈが切換えによりステップアップすると出力信号Ｆもそのステップアップポイントで急変する。

また、負帰還増幅器は、大量のＮＦＢ（ネガティブフィードバック）をかけると特性がよくなる。しかし実際には高域や低域での増幅器自体の位相回り、出力段及び負荷、ＮＦＢ回路等での位相回り等で、発振の可能性があるため最適なネガティブフィードバック量はある値となる。また、通常、位相１８０°でゲイン０デシベル以下、ゲイン有りなら位相１８０°以内となる。（図６参照。）。

ＰＷＭ増幅器は、パワースイッチング回路からなるドライバ部４を有するので、上記電源電圧の変動の影響をＡＢ級増幅器より大幅に受け、音質が悪化する。またＮＦＢ回路を設けた場合、ネガティブフィードバック量が変動する等、増幅器としての不安定さがあった。また、基準波信号の波高値でＮＦＢ量（音質、増幅器としての安定度、歪みの程度を左右する。）を変化させるにも拘わらずそれが積極的に利用されていなかった。

この発明は、上記のことに鑑みてなされたもので、使用条件にあったゲインまたはネガティブフィードバック量を設定できるＰＷＭ増幅器のゲインコントロール方法およびネガティブフイードバック量コントロール方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のＰＷＭ増幅器のゲインのコントロール方法は、ＰＷＭ増幅器に、電源電圧の変動を検出する手段と、ＰＷＭ変調の基準となる傾斜波等の基準波信号の波高値を変化させうる基準波信号発生器とを設け、検出した電源電圧の変動により基準波信号の波高値を変化させることで、ＰＷＭ変調の変調度を変化させてオープンループゲインをコントロールするものである。

また、本発明のＰＷＭ増幅器のネガティブフイードバック量コントロール方法は、ＰＷＭ増幅器に、入力信号のレベルまたは出力信号のレベルを検出する手段と、ＰＷＭ変調の基準となる傾斜波等の基準波信号の波高値を変化させうる基準波信号発生器とを設け、検出した入力信号のレベルまたは出力信号レベルにより基準波信号の波高値を変化させてオープンループゲインを変化させることにより、ネガティブフイードバック量を変化させて入力信号または出力信号のレベルに最適なネガティブフイードバック量に設定するものである。

１．本発明のＰＷＭ増幅器のゲインコントロール方法によれば、電源電圧変動によるオープンループゲインの変化が無くなり、音質上有利である。また、電源電圧が切り替わっても（２段階切り替え式電源等、動作中に電源が変化する場合等）ネガティブフィードバック量を一定に保てて動作が安定して行える。そのため電源電圧が上ってもネガティブフィードバック量が増加して発振などすることがない。
２．また、本発明のＰＷＭ増幅器のネガティブフイードバック量コントロール方法によれば、あるレベル以上の入力または出力からゲイン、ネガティブフィードバック量を下げて、大出力時のハードクリップ感を防ぎソフトクリップ感を得ることができる。また、ゲインを無帰還になるまで下げてしまい信号レべルに応じたゲインにすることで、リミッター効果、コンプレッサー効果がえられ、大信号値の歪感が緩和される。また、低音の大出力時には、スピーカーのインピーダンスは非線形となりマイナスインピーダンスにもなりうるが、その場合ネガティブフィードバック量を下げて発振等の危険を下げることができる。

以下、この発明の実施形態について図を参照して説明する。

図１は、この発明に係るＰＷＭ増幅器のゲインコントロール方法に関するＰＷＭ増幅器の一例を示すブロック回路図である。

図１について、このＰＷＭ増幅器１０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を行なうための傾斜波等の基準波信号Ｃを出力する信号レベル可変機能付発振部２と、入力信号Ａと基準波信号Ｃとを比較してＰＷＭを行なうコンパレータ等からなるモジュレータ部３と、モジュレータ部３からの変調後信号Ｄにより制御されるパワースイッチング素子４ａ、４ｂのパワースイッチング回路からなるドライバ部４と、ドライバ部４の出力Ｅを波形整形し出力信号Ｆをスピーカ等の負荷８に出力する復調用ＬＰＦ（ローパスフィルタ）部５と、ドライバ部４の電源電圧Ｈを検出してレベル可変機能付発振部２の発振レベル（基準波信号Ｃのレベル）を制御する発振部コントロール部６とにより構成されている。なお、上記信号レベル可変機能付発振部２は、例えば、出力レベル可変の矩形波発振器と、この矩形波を傾斜波等の基準波信号Ｃに変える積分回路等で構成されている。また、発振部コントロール部６は、例えば、電圧レベル検出器と同様に、ＣＲ等のＬＰＦ回路とオペアンプ等で構成されている。

上記ＰＷＭ増幅器１０の動作について図２の各部波形図を参照して説明する。この場合、ドライバ部４の電源はステップアップ電源で、この電源電圧Ｈは途中で切換えられて２倍にステップアップしている。発振部コントロール部６はこの電源電圧Ｈレベルを検出して信号レベル可変機能付発振部２の発振レベルを制御するので、基準波信号Ｃのレベルは、電源電圧Ｈのステップアップポイントから２倍にステップアップする。このためモジュレータ部３で入力信号Ａと基準波信号Ｃを比較した変調後信号Ｄは図示のようにステップアップポイント以後その変調度が下がる（ＰＷＭのパルス幅が狭くなる）。そしてドライバ部４の出力Ｅは電源電圧Ｈに比例して高くなるので、ＰＷＭ増幅器１０のトータルゲインは変わらない。従って出力信号Ｆは図示のように、電源電圧Ｈの影響を受けない。また、上記ＰＷＭ増幅器１０をＮＦＢ（ネガティブフイードバック）回路を設けたＰＷＭ増幅器としても、オープンループゲインが電源電圧Ｈに拘わらず一定となるので、増幅器としての安定度が増す。

ＰＷＭ増幅器の場合、パワースイッチング回路からなるドライバ部４を備えているので、オープンループゲインは電源電圧に依存する（変調度が同じでも、ドライバ部に加わる電圧が高いほどゲインが高い）ので、電源電圧変動による影響をＡＢ級増幅器より受けやすいが、上記のように発振部２の発振レベルを電源電圧によって変化させているので、電源電圧変動によるオープンループゲインの変化が無くなり、音質上有利となる。

また、従来ＰＷＭ増幅器のように、発振部の発振レベルを電源電圧により変化させる機能が無い場合、電源電圧を上げるとネガティブフィードバック量が増加し、発振等の要因となるが、電源電圧が切り替わっても（２段階切り替え式電源等、動作中に電源が変化する場合等）電源電圧変動によるオープンループゲインの変化が無いので、ネガティブフィードバック量を一定に保てて動作が安定して行える。

図３は、この発明に係るＰＷＭ増幅器のネガティブフイードバック量のコントロール方法に関するＰＷＭ増幅器の一例を示すブロック回路図である。

図３について、このＰＷＭ増幅器１０は、入力信号ＡとＮＦＢ信号Ｇとの偏差を増幅するオペアンプ等からなる増幅部１と、信号レベル可変機能付発振部２と、増幅部１の出力信号Ｂと発振部２の出力する傾斜波等の基準波信号Ｃとを比較しＰＷＭを行なうモジュレータ部３と、モジュレータ部３からの変調後信号Ｄにより制御されるパワースイッチング素子４ａ、４ｂで構成されたパワースイッチング回路からなるドライバ部４と、ドライバ部４からの出力Ｅを波形整形し復調した出力をスピーカ等の負荷８に出力するＬＰＦ部５と、ドライバ部４からＮＦＢ信号Ｇを得るためのＣＲ構成のＬＰＦ回路と抵抗分圧回路からなるＬＰＦ・分圧回路７と、入力信号Ａのレベルまたは出力信号Ｆのレベルを検出して信号レベル可変機能付発振部２の発振レベルを制御する発振部コントロール部６とにより構成されている。

上記ＰＷＭ増幅器１０の動作について、ＰＷＭ増幅器において、通常のクローズドループゲインは、抵抗等の分圧回路において決まっている。よって信号レベル可変機能付発振部２の出力レベルが一定ならクローズドループゲインも一定になる。しかし、信号レベル可変可能付発振部２と、入力信号Ａのレベルまたは出力信号Ｆのレベルから発振部２の発振レベル（基準波信号Ｃのレベル）を制御する発振部コントロール部６を持つことにより、基準波信号Ｃのレベルが入力信号Ａのレベルまたは出力信号Ｆのレベルにより制御されＰＷＭの変調度が変化して出力Ｅ及び出力信号Ｆが変化するので、ゲイン、ネガティブフィードバック量の変更が可能となる。

無信号時及び小信号時はノイズ、通常信号時には音質の点でネガティブフィードバック量は多いほうが望ましい。また大出力時には、ある程度のソフトクリップ感の方が望ましい。このＰＷＭ増幅器１０によれば、あるレベル以上の入力信号Ａまたは出力信号Ｆから発振部２の発振レベルを変化させて、ネガティブフィードバック量を下げることができるので、ハードクリップ感を防ぐことが可能となる。また、低音の大出力時には、スピーカー（負荷）８のインピーダンスは、非線形となりマイナスインピーダンスにもなり得うるが、その場合ネガティブフィードバック量を下げて、発振等の危険を回避することができる。

なお、実施例２では、発振部２の発振レベル（基準信号Ｃのレベル）を入力信号のレベル又は出力信号のレベルで制御してゲイン、ネガティブフィードバック量を制御しているが、音量、必要音質発信条件、接続負荷、電源電圧、及びその変動等の使用条件により発振部２の発振レベルを変化させることで、使用条件にあったオープンループゲイン、ネガティブフィードバック量を設定することができる。

また、出力信号Ｆを発振レベル制御用信号とすることで、リミッター、コンプレッサー、ソフトディストーション等が可能になる。また、入力信号Ａは、アナログ信号のため、電気的にレベル調整すると（電子ボリューム等）ノイズ、歪になるが、発振部２が信号レベル可変機能を有し、基準波信号Ｃのレベル調整が簡単なため、歪、ノイズに悩まされることなく、レベル調整ができる。

実施例１に係るＰＷＭ増幅器のブロック回路図。 実施例１に係るＰＷＭ増幅器の各部信号波形を示す波形図。 実施例２に係るＰＷＭ増幅器のブロック回路図。 従来例に係るＰＷＭ増幅器のブロック回路図。 従来例に係るＰＷＭ増幅器の各部信号波形を示す波形図。 負帰還増幅器のＮＦＢ量と位相、ゲインとの関係を示す線図。

符号の説明

１…偏差検出部 ２…発信部、信号レベル可変機能付発振部 ３…モジュレータ部 ４…ドライバー部 ５…ローパスフィルタ部 ６…各条件認識及び設定による発振部コントロール部 ７…ローパスフィルタ・分圧回路 ８…負荷（スピーカ） １０…ＰＷＭ増幅器

Claims (2)

1. ＰＷＭ増幅器のオープンループゲインのコントロール方法であって、
   ＰＷＭ増幅器に、電源電圧の変動を検出する手段と、ＰＷＭ変調の基準となる傾斜波等の基準波信号の波高値を変化させうる基準波信号発生器とを設け、
   検出した電源電圧の変動により、基準波信号の波高値を変化させることで、ＰＷＭ変調の変調度を変化させ、オープンループゲインをコントロールすることを特徴とするＰＷＭ増幅器のゲインコントロール方法。
2. ＰＷＭ増幅器のネガティブフイードバック量のコントロール方法であって、
   ＰＷＭ増幅器に、入力信号のレベルまたは出力信号のレベルを検出する手段と、ＰＷＭ変調の基準となる傾斜波等の基準波信号の波高値を変化させうる基準波信号発生器とを設け、
   検出した入力信号のレベルまたは出力信号のレベルにより基準波信号の波高値を変化させてオープンループゲインを変化させることにより、ネガティブフイードバック量を変化させて入力信号または出力信号のレベルに最適なネガティブフイードバック量に設定することを特徴とするＰＷＭ増幅器のネガティブフイードバック量のコントロール方法。
   

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