JP2007531419A - 単一電源直接駆動増幅器 - Google Patents

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Abstract

単一DC電圧電源から動作する駆動増幅器は、DCが出力負荷に到達するのを防ぐために用いられるDC結合キャパシタを必要とせず、出力負荷に直接結合される。搭載の電源は、正負両方のレールからの駆動増幅器動作を許しつつ、出力増幅器に電力を供給する負電圧レールを生成する。増幅器は、接地電位(0ボルト)でバイアスがかけられ得るので、負荷を横断する著しいDC電圧は存在せず、DC結合キャパシタの必要性は排除される。

Description

本発明は、増幅回路に関し、より詳しくは、単一電源直接駆動増幅回路に関する。
直接駆動増幅器は、各種のアプリケーションで用いられる。これらは、ビデオアプリケーションやオーディオアプリケーションといった、小型化が重要な多くのアプリケーションを含む。以下の背景技術の論議は、ヘッドフォンに関する従来技術に焦点を合わせるが、以下に説明される限定は、全ての従来技術に係る直接駆動増幅器に共通である。特に、単一電源から動作する従来技術に係る直接駆動増幅器は、出力キャパシタや、その他の高価で且つ場所を取るスキームを要求する。
従来技術に係る図1Aは、一般的なヘッドフォンの相互接続図8を示す。右のヘッドフォンリード12及び左のヘッドフォンリード14は、その他のシステムに対するヘッドフォン負荷10によってそれぞれ表される左右のヘッドフォンスピーカに結合される。システム全体と同様、各ヘッドフォン負荷10は、共通接地16に接続される。
従来技術に係る図1Bは、一対のヘッドフォンをステレオシステムに接続するスリーウェイ“ジャックソケット”デザインを用いる従来技術に係るステレオヘッドフォンシステム11を示す。図1Bに示されるように、スリーウェイジャックソケットデザインは、電気的に絶縁された三つの部分22,26,28と、仕切24,29と、本体23とからなる。スリーウェイジャックソケットデザインは、単一ジャックソケット11の使用のために、リード12,14及び共通接地リード16を介して一対のヘッドフォンを接続することを許容する。従来技術に係る図1Aに示されるように、スリーウェイジャックソケットデザインは、左のヘッドフォンスピーカをリード12を介してステレオシステムに結合するチップ22を含む。同様に、ジャックソケット23の中間部28は、右のヘッドフォンスピーカをリード14を介してステレオシステムに結合する。ジャックソケット23の後部26は、左右のヘッドフォンの共通リターンを、共通接地を形成するためにステレオシステムの胴体(シャーシ)に接続される共通接地16に接続する。仕切24,29は、スリーウェイジャックソケットデザインのそれぞれ電気的に充電される部分22,26,28を、それぞれ互いに電気的に絶縁する。
各ヘッドフォンは、入力信号によって駆動される抵抗ヘッドフォン負荷によって表される。ヘッドフォンスピーカの一般的な抵抗負荷は、16〜32Ω(オーム)の範囲内である。
従来技術に係る図2は、一般的なヘッドフォン駆動増幅回路30を示す。ヘッドフォン駆動増幅回路30は、一対のヘッドフォン増幅器32,34、一対のDC結合キャパシタ40,42、そして、ヘッドフォン負荷10によって表されるヘッドフォンスピーカにヘッドフォン増幅器を接続する一対の出力リード12,14を含む。
従来技術に係る図2に示されるように、入力(駆動)信号は、各ヘッドフォンに到達する前に増幅される。ヘッドフォンがポータブルカセットプレイヤーやポータブルCDプレイヤーといった携帯電子装置とともに用いられる場合において、バッテリーといった単一正電源は、動力源のみである。一般的な携帯装置において、ヘッドフォン駆動増幅器は、単一電源(例えば5ボルトあるいは3.3ボルトのバッテリー)からである。ヘッドフォン増幅器32,34によって増幅される入力信号を正しく反映するために、ヘッドフォン増幅器32,34の出力は、クリッピングを伴わずに正負両方の出力信号の生成を許容するミッドレール(VDD/2)でバイアスがかけられる。その結果として、増幅器32,34の出力は、接地に対して高いDC電圧でなされる。
高電流がヘッドフォンを流れ、高電流がヘッドフォンを連続的な状態に置くのを防ぐために、40,42といった直流(DC)結合キャパシタが、DC電流がヘッドフォンに到達するのを防ぐべく、増幅器32,34の出力と直列で挿入される。DC結合キャパシタ40,42は、DC及び非常に低い周波数信号がヘッドフォンに到達するのを防ぐハイパスフィルタとして働く。一般的なヘッドフォンの16〜32Ω(オーム)内に低周波数入力信号を再現するために、これらDC結合キャパシタの値は、100〜470μF(マイクロファラド)の範囲内であることを必要とする。しかしながら、100〜470μFのキャパシタの物理的サイズは、法外に大きく、ヘッドフォン回路の小型化を阻害する。これらDC遮断キャパシタ40,42の物理的サイズ及びコストは、携帯装置の設計、そして、その結果の、完全にDC遮断キャパシタを排除するか、それらの好ましい値及びサイズに引き下げるかの何れかの増幅効果の実行の点において、より重要である。
従来技術に係る図2に戻り、入力信号Iは、二つの電源増幅器32,34に入力される。信号クリッピングを伴わずに正負入出力信号を生成するために、増幅器32,34は、ミッドレール(VDD/2)で一般的にバイアスがかけられ、従って、二つの増幅器32,34の正負電源端子は、正電源VDD及び接地(VSS)のそれぞれに接続される。その結果として、入力増幅器32,34の出力36,38は、DC遮断キャパシタ40,42のそれぞれを通って左右のヘッドフォンに結合されることを必要とする。上述したように、16〜32オームのヘッドフォン内に低周波数を再現するために、DC遮断キャパシタのサイズは、100〜470μFの範囲内でなければならない。これら内部キャパシタの物理的サイズは、非常に大きく、ヘッドフォン駆動増幅回路30のより望ましい小型化を阻害する。
従来技術に係る図3は、DC結合キャパシタの必要を排除する一つの従来技術に係る解決策を示す。従来技術に係る駆動増幅回路43は、一対のリード36,38を通ってヘッドフォン負荷10に直接結合される一対のヘッドフォン増幅器32,34と、リード16を介してヘッドフォン負荷10に結合される第3の増幅器44とを含む。(ヘッドフォンを表す)ヘッドフォン負荷10は、接地(GND)及び電源電圧VDD間でバイアスがかけられる。ほぼ同じDC値にバイアスがかけられる両ヘッドフォン増幅器を備えて、非常に小さいDC電流がヘッドフォンを通って流れ、第3の増幅器は、必要な電流を吸い込むか調達する。従来技術に係る図3に描写される回路は、大きなDC結合キャパシタの必要を排除するが、このシステムは、DC電圧が印加されるので、装置の胴体から絶縁されなければならない共通リターン16を有するという不都合がある。この絶縁は、その他のシステムからの共通リターンの電気的な絶縁が失敗するならば、回路損傷が起こり得るといった追加的な問題を持ち込む。
従って、単一電源から動作する直接駆動増幅システムであって、通常の大きなDC結合キャパシタを要求せず、あるいは増幅器の共通リターンの物理的な絶縁を必要としない直接駆動増幅システムを提供することが望ましい。
単一電源から動作する、ビデオ装置及びオーディオ装置のための従来技術に係る増幅駆動システムは、どんなクリッピングの損傷をも伴わずに入力信号を完全に表すために、電源のミッドレンジで出力にバイアスをかけることを要求する。その結果、これら従来技術に係るシステムは、DC遮断キャパシタが出力を駆動する増幅器と直列で用いられることを要求する。これらDC結合キャパシタの値及び物理的なサイズは、法外に大きく、たいていのシステムにおいて大いに望ましい小型化を制限する。
本発明の一つの目的は、DC電流が出力に到達するのを防ぐために必要な通常のシリーズの結合キャパシタを要求することなく、単一電源から動作する駆動増幅回路を許すことである。搭載の電源は、正負両方のレールから駆動増幅動作を許しつつ、出力増幅器に電力を供給する負電圧レールを生成する。このように、増幅器は、出力負荷(スピーカ、ビデオ装置等)を横断する著しいDC電圧を生成することなく、接地電位(0ボルト)でバイアスがかけられ得る。
図4は、本発明によるヘッドフォン増幅回路45を示す。ヘッドフォン増幅回路45は、左のヘッドフォンを駆動する第1の増幅器46と、右のヘッドフォンを駆動する第2の増幅器48とであって、それぞれ接続リード50,52を介してヘッドフォン負荷10に結合される増幅器と、チャージポンプ54とを含む。ヘッドフォン負荷10によって表されるヘッドフォンは、共通接地57に接続される。図4に示すように、従来技術に係る図3に示す第3の増幅器44の代わりに、チャージポンプ回路54が用いられる。
用語“チャージポンプ”は、キャパシタを用いる電圧−電圧コンバータのタイプを参照し、そして、代わりの実施形態のインダクタにおいて、エネルギーを蓄え且つ運ぶために用いる電圧−電圧コンバータのタイプを参照する。(交換キャパシタコンバータとしても参照される)チャージポンプの一つのタイプは、一以上のキャパシタを充電及び放電するスイッチ/ダイオードネットワークを含む。代わりに、本発明の実施において、インダクタを含むDC電圧−電圧コンバータが用いられる。
本発明のチャージポンプ回路は、出力増幅器に電力を供給し且つ正負両方のレールから駆動増幅動作を許しつつ、接地についての負電圧レール−VDD(マイナスVDD)を生成する。接地についての負電圧レールの提供は、入力信号がクリッピングを伴わずに増幅されるのを許しつつ、ヘッドフォン増幅器が接地電圧でバイアスがかけられることを許す。図4に示すように、二つのヘッドフォン増幅器46,48は、VDDに接続される正出力端子、正電源、及び、接地についてのVDDの負の値とほぼ等しいVSSを有する。この配列は、ヘッドフォンを横断する著しいDC電圧という結果にならず、且つ、従来技術に係る図2に示すような大きなDC結合キャパシタ40,42を排除することを許しつつ、両方の増幅器46,48の出力端子が接地にバイアスがかけられるのを許す。
図4に戻り、ヘッドフォン増幅器46,48のそれぞれは、正電圧レールVDDに接続される電源電圧端子の一つのリードを有し、−VDD(マイナスVDD)に等しい負電圧VSSを供給するチャージポンプ回路54の出力56に接続される電源電圧端子の他のリードを有する。
ヘッドフォン増幅回路45は、それぞれヘッドフォン増幅器46,48のリード50,52が直列のDC結合キャパシタを必要とせずにヘッドフォンスピーカ10をヘッドフォン増幅器46,48に直接結合することを同様に許すVDD及び−VDD(マイナスVDD)間で動作しつつ、ヘッドフォン10がゼロボルトでバイアスがかけられるのを許す。
図5は、回路における本発明のヘッドフォン増幅システムの一実施形態を示す。ヘッドフォン増幅システム145は、左のヘッドフォン増幅器46、右のヘッドフォン増幅器48、チャージポンプ54及び外部キャパシタC1,C2を含む。図5に示すように、本発明の一実施形態において、チャージポンプ回路54及び出力増幅器46,48は、単一集積回路(IC)チップ145において実現される。本例において、チャージポンプ54の動作は、二つの小さい外部キャパシタC1,C2を要求する。C1は、“フライングキャパシタ(flying capacitor)”と呼ばれ、C2は、“リザーバキャパシタ(reservoir capacitor)”である。これら二つの外部キャパシタのサイズは、数百マイクロファラド(μF)の範囲内である従来技術に係るDC結合キャパシタと比較して、一桁のマイクロファラド(μF)の範囲内である。
図6は、本発明によるヘッドフォン増幅システムの代わりの実施形態の図である。図6に示すように、ヘッドフォン駆動回路58は、第1の増幅器60、第2の増幅器62、スイッチングユニット64、外部インダクタL1及び外部キャパシタC2を含む。本発明の発明開示は、インダクタベースのDC電圧−電圧コンバータを用いて実現されることもある。一実施形態において、ヘッドフォン駆動回路58は、個々の回路要素を用いて実現される。代わりの実施形態において、搭載のインダクタL1は、ヘッドフォンを駆動するための出力増幅器のみならず、集積スイッチングシステムを含む集積回路と結合して用いられる。本実施形態において、外部インダクタL1は、正電源電圧を実質的に等しいが負電圧電源に変換するために、外部キャパシタC1と結合して用いられる。スイッチングユニット64は、それぞれ充電サイクル及び放電サイクルのための回路を構成する。ヘッドフォン増幅器60,62は、ヘッドフォンが接地にバイアスがかけられ且つ−VDD(マイナスVDD)間で動作するので、VDD及びどんなクリッピングも伴うことなく完全な入力信号表示を許しつつ、DC結合キャパシタを必要とせずに、それぞれヘッドフォンに直接結合され且つそれぞれヘッドフォンを駆動する。
図7は、単純なキャパシタベースの、ICチャージポンプ回路66を示す。単純なキャパシタベースのICチャージポンプ回路66は、一対の増幅器/インバータ68,70、オシレータ72、一対のスイッチ74,76、及び一対の外部キャパシタC1,C2を含む。
単純なキャパシタベースのICチャージポンプ回路66において、スイッチネットワーク74,76は、充電状態及び放電状態を切り替える。オシレータ(OSC)72は、増幅器68,70によって供給される入力電圧からフライングキャパシタ(C1)を選択的に充電したり、出力キャパシタ(C2)内にフライングキャパシタ(C1)を放電させる二つのスイッチ(74,76)を制御する。従って、出力キャパシタC2を横断して生成される電圧は、出力電圧(VOUT)として出力される。一般的に、オシレータ72、スイッチ74,76、及び他の制御部は、全て単一集積回路(IC)に包含される。
単純なキャパシタベースのICチャージポンプ回路66は、反転タイプであり、接地下のフライングキャパシタC1における充電電位を引き下げることによって動作し、これとともに出力キャパシタC2を放電する。この最良の結果は、入力電圧が負である出力電圧VOUTである。
反転チャージポンプの一般的なタイプの一つは、このように動作し、しかし、フライングキャパシタへの充電経路における目に見える抵抗を含む。抵抗は、フライングキャパシタの充電における遅延を意図的に取り入れ、オシレータの適切な制御が、完全な入力電圧電位に到達することができる前に充電を切り替えるように用いられる。チャージポンプのこのタイプは、入力電圧の二分の一等のみの充電量を適宜に運び、その結果、入力電圧よりも相応して低い出力電圧を生成する。電圧を下げるチャージポンプのこのタイプは、今日最も一般的であるが、それだけが可能ではない。代わりの回路配列は、入力電圧のいくつかの負値と等しい出力電圧VOUTの生成を許す。
図8は、単純なキャパシタベースのディスクリートチャージポンプ(discrete charge pump)回路を示す。単純なキャパシタベースのディスクリートチャージポンプ回路78は、増幅器80、一対のキャパシタC1,C2、一対のダイオード又はスイッチD1,D2を含み、入力信号又は外部クロックを含む。キャパシタベースのディスクリートチャージポンプ回路78において、基本的なチャージポンプ回路は、図8に示すような個々の要素回路において実現される。増幅器80の出力がほぼV+である場合、増幅器80は、ダイオードD1を通ってフライングキャパシタC1を充電する。増幅器80の出力がほぼ接地である場合、キャパシタC1は、ダイオードD2を通ってキャパシタC2を放電させる。リザーバキャパシタC2は、充電を保持し、出力電圧VOUTにフィルターをかける。二つのダイオードD1,D2とともに外部クロック信号は、充電及び放電信号のサイクル及び方向性を制御する。
図9は、本発明の一実施形態による単一出力を有する単一電源直接駆動回路100を示す。回路100は、増幅器102及びDC−DC電圧コンバータ104を含む。増幅器102は、図10を以下に参照して説明されるように、ビデオ負荷を駆動するよう適合される。電圧コンバータ104は、キャパシタベースのチャージポンプ、インダクタベースのコンバータ等といったどんな適切な装置でもあり得る。そのような装置は、より詳細に上述される。図1〜8のヘッドフォンの例と対照的に、図9の実施形態は、単一出力信号が必要となるところのみでの状況で用いられる。特に、ビデオ増幅器が熟慮される。
図10は、図9の増幅器102のための一つの適切な実施形態を示す。よく理解されるように、図10の構造は、簡単であり、ビデオ負荷を駆動するのに適合される。増幅器102は、トランスコンダクタンス120、第1及び第2の並列結合トランジスタ122,124、第1の並列結合トランジスタ122に電流を調達する電流装置126、第2の並列結合トランジスタ124から電流を吸い込む電流装置128、第1及び第2の出力トランジスタ130,132を含む。一実施形態において、トランスコンダクタンスステージは、退化した一対の差動トランジスタを含む。
図11は、集積回路パッケージ150としての、本発明の一実施形態による単一電源直接駆動ビデオ回路の動作図を示す。特定の接続は示されないが、当業者は、図からビデオ回路の動作を直ちに理解できるであろう。IC150は、シャットダウン回路、バッファ増幅器154、ローパスフィルタ又は復元フィルタ156、DCレベルシフトキャパシタ158、ビデオ増幅器160、チャージポンプ162、及び線形レギュレータ164を含む。ローパスフィルタ156は、アプリケーションに応答して望ましいフィルタを提供すべきであり、3極又は4極のフィルタである。ビデオ増幅器160及びチャージポンプ162は、上記したものといった適切な形態を採ることができる。チャージポンプ16あるいは他の負電源ジェネレータは、“ノイジーな”負電圧電源を生成する。従って、線形レギュレータ164は、静かな負電圧電源とともにビデオ増幅器を提供するために含められ得る最適な要素である。IC150は、かさばった、従来技術に係る高価な外部キャパシタを必要とせずに単一電源ビデオ増幅器を提供する。
以上の例は、他の実施形態、変更、修正が当業者にとって明らかとなる発明の特定の実施形態を示す。さらに理解されるように、本発明の回路は、セルラー電話、デジタルカメラ、携帯コンピュータ等といった携帯アプリケーションにおいて用いられるのにふさわしい。従って、本発明は、上記した特定の実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、特許請求の範囲によって画定される。
一般的なヘッドフォンの相互接続図を示す。 一対のヘッドフォンをステレオシステムに接続するスリーウェイ“ジャックソケット”デザインを用いた従来技術に係るステレオヘッドフォンデザイン11を示す。 一般的な従来技術に係るヘッドフォン駆動増幅回路を示す。 DC結合キャパシタの必要を排除する一つの従来技術に係る解決策を示す。 本発明によるヘッドフォン増幅回路を示す。 回路における本発明のヘッドフォン増幅システムの一実施形態を示す。 本発明によるヘッドフォン増幅システムの代わりの実施形態の図である。 単純なキャパシタベースの、ICチャージポンプ回路を示す。 単純なキャパシタベースのディスクリートチャージポンプ回路を示す。 単一電源から動作し且つ負レール電源を生成するためにチャージポンプを利用する直接駆動増幅器を示す。 本発明の一実施形態によるビデオ増幅器のための適切な構造を示す。 集積回路で実現される本発明の単一電源直接駆動ビデオ回路の動作図を示す。

Claims (19)

  1. 駆動増幅器が単一電圧電源から動作することを可能とする回路であって、
    出力負荷に結合するよう用意される出力を有し、第1及び第2の電源リードを有し、該第1の電源リードが電源電圧に接続される、増幅器と、
    出力を有し、電源電圧に接続される出力源リードを有し、出力が第2の電源リードに接続され、電源電圧の負値の大きさに実質的に等しい出力で出力電圧を生成する、DC電圧−電圧コンバータと
    を含む回路。
  2. 0.47〜3.3マイクロファラドの範囲内で二つの外部キャパシタによって共通接地に接続される請求項1に記載の回路。
  3. DC電圧−電圧コンバータは、チャージポンプである請求項1に記載の回路。
  4. DC電圧−電圧コンバータは、インダクタベースの電圧−電圧コンバータである請求項1に記載の回路。
  5. 駆動増幅器は、特にオーディオ出力負荷を駆動するのに適している請求項1に記載の回路。
  6. オーディオ出力負荷は、携帯ヘッドフォン装置である請求項5に記載の回路。
  7. 駆動増幅器は、特にビデオ出力負荷を駆動するのに適している請求項1に記載の回路。
  8. 駆動増幅器が単一電圧電源から動作することを可能とする直接駆動回路であって、
    負荷を駆動する出力を有し、第1及び第2の電源リードを有し、該第1の電源リードが電源電圧に接続され、退化した一対の差動トランジスタからなるトランスコンダクタンスステージを含む、増幅器と、
    出力を有し、電源電圧に接続される出力源リードを有し、出力が第2の電源リードに接続されると共に、出力が電源電圧の負値の大きさに実質的に等しい、DC電圧−電圧コンバータ回路と
    を含む回路。
  9. 増幅器は、
    トランスコンダクタンスステージによって駆動される第1及び第2の並列結合トランジスタであって、第1の並列結合トランジスタが電流源装置に結合され、第2の並列結合トランジスタが電流吸い込み装置に結合される、第1及び第2の並列結合トランジスタと、
    第1及び第2の出力トランジスタであって、第1の並列結合トランジスタによって消費されない残りの電流によって第1の出力トランジスタが駆動され、電流吸い込み装置によって消費されない残りの電流によって第2の出力トランジスタが駆動される、第1及び第2の出力トランジスタと
    をさらに含む請求項8に記載の回路。
  10. 増幅器は、ビデオ増幅器として用いられるのに適している請求項9に記載の回路。
  11. 集積回路として形成される請求項9に記載の回路。
  12. 入力電圧及びトランスコンダクタンスステージの入力間で直列に結合されるローパスフィルタをさらに含む請求項9に記載の回路。
  13. 入力電圧及びローパスフィルタ間で結合されるバッファ増幅器をさらに含む請求項12に記載の回路。
  14. 直接駆動回路の動作を停止することが可能なシャットダウン回路をさらに含む請求項9に記載の回路。
  15. 集積回路上に形成される単一電源直接駆動ビデオ増幅器であって、
    ビデオ負荷を駆動する出力を有し、第1及び第2の電源リードを有し、該第1の電源リードが電源電圧に接続され、退化した一対の差動トランジスタからなるトランスコンダクタンスステージと、トランスコンダクタンスステージによって駆動される第1及び第2の並列結合トランジスタであって、第1の並列結合トランジスタが電流源装置に結合され、第2の並列結合トランジスタが電流吸い込み装置に結合される、第1及び第2の並列結合トランジスタと、第1及び第2の出力トランジスタであって、第1の並列結合トランジスタによって消費されない残りの電流によって第1の出力トランジスタが駆動され、電流吸い込み装置によって消費されない残りの電流によって第2の出力トランジスタが駆動される、第1及び第2の出力トランジスタとを含む、増幅器と、
    入力電圧及びトランスコンダクタンスステージの入力間で直列に結合されるローパスフィルタと、
    入力電圧及びローパスフィルタ間で結合されるバッファ増幅器と、
    直接駆動回路の動作を停止することが可能なシャットダウン回路と、
    出力を有し、電源電圧に接続される出力源リードを有し、出力が第2の電源リードに接続されると共に、出力が電源電圧の負値の大きさに実質的に等しい、DC電圧−電圧コンバータ回路と
    を含み、
    集積回路として形成される
    単一電源直接駆動ビデオ増幅器。
  16. DC電圧−電圧コンバータは、チャージポンプである請求項15に記載の回路。
  17. DC電圧−電圧コンバータは、インダクタベースの電圧−電圧コンバータである請求項15に記載の回路。
  18. 線形レギュレータがDC電圧−電圧コンバータ回路の出力及び第2の電源リード間で結合され、線形レギュレータは、DC電圧−電圧コンバータ回路によって生成される信号におけるノイズを低減することが可能である請求項15に記載の回路。
  19. 駆動増幅器が単一電圧電源から動作することを可能とする回路であって、
    出力負荷に結合するよう用意される出力を有し、第1及び第2の電源リードを有し、該第1の電源リードが電源電圧に接続される、増幅器と、
    出力を有し、電源電圧に接続される出力源リードを有し、電源電圧の負値の大きさに実質的に等しい出力で出力電圧を生成する、チャージポンプと、
    入力及び出力を有し、入力にチャージポンプの出力が接続され、出力に増幅器の第2の電源リードが結合される、線形レギュレータと
    を含む回路。
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