JP5218089B2

JP5218089B2 - 信号切換回路

Info

Publication number: JP5218089B2
Application number: JP2009010901A
Authority: JP
Inventors: 貴浩辻; 幸一郎安達; 啓道吉
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: JP2010171590A

Description

本発明は、ＵＳＢコネクタを備えたオーディオ機器に関し、特にＵＳＢコネクタのデータ端子をオーディオ信号端子に兼用するための信号切換回路に関する。

近年、携帯機器の小型化、多機能化が進み、これに伴って小さい本体に多くのスイッチやコネクタを配置しなければならなくなった。このため、コネクタの小型化が進められているが、それでもまだ十分とは言えず、異なる信号を１つのコネクタで兼用する方法が考えだされていた。
携帯型のデジタルオーディオ機器では、一般にパソコン等から音楽データ等を機器にダウンロードするためのＵＳＢコネクタと、音声を聞くためのヘッドフォンコネクタとを備えている。このようなことから、ＵＳＢコネクタでヘッドフォン（イアフォン）コネクタを兼用できるようにした技術があった（例えば、特許文献１参照。）。

図２は、このような技術に使用されたメカニカルリレーであるＧ６Ｋ−２Ｇ−Ｙ（以下、単にリレーと呼ぶ）の内部回路例を示した図である。
ＵＳＢ信号のＶｂｕｓ信号は、抵抗Ｒを介してリレー１０１の１ピンとＵＳＢコネクタ１０２のＶｂｕｓ端子に接続され、ＵＳＢ信号のＤ＋信号はリレー１０１の５ピンに、ＵＳＢ信号のＤ−信号はリレー１０１の４ピンにそれぞれ接続されている。ＵＳＢ信号のＧＮＤ信号は、リレー１０１の８ピンとＵＳＢコネクタ１０２のＧＮＤ端子にそれぞれ接続されている。オーディオ信号のＲ信号はリレー１０１の７ピンに、オーディオ信号のＬ信号はリレー１０１の２ピンにそれぞれ接続され、オーディオ信号のＧＮＤ信号はＵＳＢ信号のＧＮＤ信号に接続されている。

リレー１０１の６ピンはＵＳＢコネクタ１０２のＤ＋端子に、リレー１０１の３ピンはＵＳＢコネクタ１０２のＤ−端子にそれぞれ接続され、リレー１０１の１ピンと８ピンとの間にはダイオードＤが接続されている。リレー１０１内にはコイルＬと２つの切換スイッチＳ１，Ｓ２が内蔵され、コイルＬは１ピンと８ピンとの間に接続され、切換スイッチＳ１の共通端子は３ピンに接続されている。また、ノーマルコンタクト端子は２ピンに、ノーマルオープン端子は４ピンにそれぞれ接続され、切換スイッチＳ２の共通端子は６ピンに、ノーマルコンタクト端子は７ピンに、ノーマルオープン端子は５ピンにそれぞれ接続されている。

ＵＳＢコネクタ１０２がパソコン等のＵＳＢコネクタに接続された場合は、ＵＳＢコネクタ１０２のＧＮＤ端子とＶｂｕｓ端子との間に５Ｖの電圧が印加されるため、リレー１０１のコイルＬには抵抗Ｒを介して電流が流れ、切換スイッチＳ１とＳ２の共通端子３ピンと６ピンの接続は、ノーマルオープン端子側の４ピンと５ピンに切り換わる。この結果、ＵＳＢコネクタ１０２のＤ＋端子にはＵＳＢ信号のＤ＋信号が接続されると共に、ＵＳＢコネクタ１０２のＤ−端子にはＵＳＢ信号のＤ−信号が接続され、パソコンと機器との間でデジタル信号によるデータ交信が行えるようになる。

ＵＳＢコネクタ１０２にヘッドフォンが接続された場合は、ＵＳＢコネクタ１０２のＶｂｕｓ端子には電圧が印加されないため、コイルＬには電力が供給されず切換スイッチＳ１とＳ２の共通端子３ピンと６ピンの接続は、ノーマルコンタクト端子側の２ピンと７ピンのままである。このため、ＵＳＢコネクタ１０２のＤ＋端子にはオーディオ信号のＲ信号が入力されると共に、ＵＳＢコネクタ１０２のＤ−端子にはオーディオ信号のＬ信号が入力され、機器側からヘッドフォンに音声信号を送ることができる。

しかし、図２では、メカニカルリレーを使用しているため、部品点数が増え、しかも形状が大きく、コストも高いものになってしまうという問題があり、これでは、せっかくヘッドフォン用のコネクタを省略して小型化した効果を相殺してしまっていた。
そこで、単純にメカニカルリレーを半導体のアナログスイッチで置き換えることが考えられるが、このようにした場合には、以下に説明するような問題が発生する。

図３は、図２のメカニカルスイッチを半導体のアナログスイッチに置き換えた場合の回路例を示した図である。なお、図３では、説明を簡単にするためにオーディオ信号はＲ信号側だけを示している。
ＵＳＢ信号のＤ＋信号はアナログスイッチＡＳ１を介してＵＳＢコネクタ１０２のＤ＋端子に接続されている。オーディオ信号のＲ信号はコンデンサＣとアナログスイッチＡＳ２を介してＵＳＢコネクタ１０２のＤ＋端子に接続されている。アナログスイッチＡＳ１の反転制御端子とアナログスイッチＡＳ２の制御端子はインバータ回路ＩＮＶの出力端に接続され、アナログスイッチＡＳ１の制御端子とアナログスイッチＡＳ２の反転制御端子はインバータ回路ＩＮＶの入力端及びＵＳＢコネクタ１０２のＶｂｕｓ端子にそれぞれ接続されている。ＵＳＢコネクタ１０２のＶｂｕｓ端子は抵抗Ｒで接地電圧ＧＮＤにプルダウンされている。

オーディオ信号は、ヘッドフォンに出力するために直流成分をカットする必要があるため、カップリングコンデンサＣを経由してアナログスイッチＡＳ２に入力されている。この結果、アナログスイッチＡＳ２にはピークツーピーク電圧が正電圧と負電圧にまたがる電圧が印加される。アナログスイッチＡＳ２の電源が正電圧の片電源である場合に負電圧の信号が入力されると、接地電圧ＧＮＤから負電圧の信号に向かって大きなリーク電流が発生し、場合によっては、ラッチアップを起こして不具合の原因になる。このため、メカニカルリレーを単純に半導体スイッチに置き換えることはできなかった。

また、アナログスイッチＡＳ２のオン抵抗が大きいと、ヘッドフォンへ送る電力がロスするばかりではなく、ダンピングファクターが悪化してしまうという問題も発生する。アナログスイッチＡＳ２のオン抵抗を小さくするには、チップ上でのスイッチ素子の面積を大きくする必要があり、このようにするとチップ面積の増大とコストアップの要因になるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、メカニカルリレーを使用せずに、すべて半導体素子によって実現することができると共に半導体チップの増大を抑制することができる信号切換回路を得ることを目的とする。

この発明に係る信号切換回路は、外部から入力された切換信号に応じて、デジタル信号と、ピークツーピーク電圧が正電圧と負電圧にまたがるオーディオ信号とを切り換えて、ＵＳＢコネクタのデータ端子に出力する信号切換回路において、
外部から入力された外部オーディオ信号から前記オーディオ信号を生成して出力するオーディオアンプ部と、
外部から入力された外部デジタル信号から前記デジタル信号を生成して出力する、トライステート構成をなす出力回路を有するＵＳＢアンプ部と、
前記オーディオ信号の負のピーク電圧よりも小さい電圧を生成して出力する負電圧生成回路部と、
を備え、
前記オーディオアンプ部は、低電圧側の電源として前記負電圧生成回路部からの負電圧が供給され、前記ＵＳＢアンプ部は、低電圧側の電源として、前記切換信号に応じて前記負電圧生成回路部からの負電圧又は接地電圧のいずれかが供給され、前記切換信号によって前記オーディオ信号が選択されている場合は、前記オーディオアンプ部が作動すると共に、前記ＵＳＢアンプ部は、出力端をハイインピーダンス状態にして、低電圧側の電源として前記負電圧生成回路部からの負電圧が入力され、前記切換信号によって前記デジタル信号が選択されている場合は、前記オーディオアンプ部が出力端をハイインピーダンス状態にすると共に、前記負電圧生成回路部が動作を停止して前記負電圧の出力を停止し、前記ＵＳＢアンプ部は、作動して低電圧側の電源として接地電圧が入力されるものである。

具体的には、前記切換信号に応じて、前記ＵＳＢアンプ部への低電圧側の電源の切り換えを行う切換スイッチ部を備え、前記ＵＳＢアンプ部は、前記切換信号によって前記オーディオ信号が選択されている場合は、低電圧側の電源として前記負電圧生成回路部からの負電圧が前記切換スイッチ部から入力され、前記切換信号によって前記デジタル信号が選択されている場合は、低電圧側の電源として前記切換スイッチ部から接地電圧が入力されるようにした。

また、前記ＵＳＢアンプ部は、前記切換信号によって前記オーディオ信号が選択されている場合は、動作を停止して電力消費を低減するようにしてもよい。

また、前記オーディオアンプ部は、前記切換信号によって前記デジタル信号が選択されている場合は、動作を停止して電力消費を低減するようにしてもよい。

また、前記オーディオアンプ部、前記ＵＳＢアンプ部及び前記負電圧生成回路部は、１チップの半導体集積回路に集積されるようにしてもよい。

また、前記オーディオアンプ部、前記ＵＳＢアンプ部、前記負電圧生成回路部及び前記切換スイッチ部は、１チップの半導体集積回路に集積されるようにしてもよい。

本発明の信号切換回路によれば、メカニカルリレーを用いることなく、半導体回路だけでＵＳＢ端子からヘッドフォン用等のオーディオ信号を出力することができるようにしたことから、スペースを占有する大きな回路部品が不要となり、機器及び回路の小型化を図ることができ、コストの低減を図ることができる。

また、大きな実装面積を占めていたカップリングコンデンサが不要になったため、カップリングコンデンサを接続するための接続パッドも不要になり、その結果、大幅な小型化とコストダウンを達成することができる。
更に、アナログスイッチを使用しないため、チップ面積を大きくすることなく、オーディオ信号の出力インピーダンスを低下させることができる。
更に、１チップの半導体集積回路に集積されるようにしたことから、より一層小型化とコストの低減を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態における信号切換回路の回路例を示した図である。従来の信号切換回路の回路例を示した図である。従来の信号切換回路の他の回路例を示した図である。

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態における信号切換回路の回路例を示した図である。
図１において、信号切換回路１は、Ｒオーディオアンプ１０、Ｌオーディオアンプ２０、ＵＳＢアンプ３０、負電圧生成回路４０、インバータ回路５０、切換スイッチＳＷ１及びＵＳＢコネクタ６０で構成されている。なお、Ｒオーディオアンプ１０及びＬオーディオアンプ２０はオーディオアンプ部を、ＵＳＢアンプ３０はＵＳＢアンプ部を、負電圧生成回路４０は負電圧生成回路部を、切換スイッチＳＷ１は切換スイッチ部をそれぞれなす。

Ｒオーディオアンプ１０は、オーディオステレオ信号の右側信号ＡＲｉを増幅する増幅回路であり、入力されたオーディオ信号ＡＲｉを増幅してヘッドフォン駆動用のオーディオ信号ＡＲｏを生成し出力する。また、Ｒオーディオアンプ１０は制御入力端を備えており、該制御入力端には切換信号ｓｅｌｅｃｔが入力されている。Ｒオーディオアンプ１０は、切換信号ｓｅｌｅｃｔがハイレベルのときは作動し、切換信号ｓｅｌｅｃｔがローレベルになると動作を停止して消費電力がほぼ０になると共に出力端をハイインピーダンス状態にする。

同様に、Ｌオーディオアンプ２０は、オーディオステレオ信号の左側信号ＡＬｉを増幅する増幅回路であり、入力されたオーディオ信号ＡＬｉを増幅してヘッドフォン駆動用のオーディオ信号ＡＬｏを生成し出力する。また、Ｌオーディオアンプ２０も制御入力端を備えており、該制御入力端には切換信号ｓｅｌｅｃｔが入力されている。Ｌオーディオアンプ２０は、切換信号ｓｅｌｅｃｔがハイレベルのときは作動し、切換信号ｓｅｌｅｃｔがローレベルになると動作を停止して消費電力がほぼ０になると共に出力端をハイインピーダンス状態にする。

ＵＳＢアンプ３０はデジタル信号を入出力するインターフェイス回路である。ＵＳＢアンプ３０は、図示しない機器の内部回路から出力されるデジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌが入力されると、デジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌ＋とＤｉｇｉｔａｌ−に変換して、ＵＳＢコネクタ６０の対応するデータ端子Ｄ＋とＤ−を介して外部に出力する。また、ＵＳＢアンプ３０は、ＵＳＢコネクタ６０のデータ端子Ｄ＋とＤ−から入力されたデジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌ＋とＤｉｇｉｔａｌ−を、デジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌとして機器内部の図示しない回路に出力する。

また、ＵＳＢアンプ３０も制御入力端を備えており、該制御入力端には切換信号ｓｅｌｅｃｔをインバータ回路５０で反転させた反転切換信号ｓｅｌｅｃｔＢが入力されている。更に、ＵＳＢアンプ３０のＵＳＢコネクタ６０側の出力はトライステート構成になっており、ＵＳＢアンプ３０の出力端の状態は反転切換信号ｓｅｌｅｃｔＢによって制御される。すなわち、反転切換信号ｓｅｌｅｃｔＢがローレベルである場合、ＵＳＢアンプ３０は、出力端がハイインピーダンス状態になって動作を停止し、消費電力がほぼ０になる。また、反転切換信号ｓｅｌｅｃｔＢがハイレベルである場合、ＵＳＢアンプ３０は、作動して、入力されるデジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌの信号レベルに応じてハイ又はローレベルの信号を生成して出力する。

負電圧生成回路４０は、コンデンサによるチャージポンプを利用したＤＣ−ＤＣコンバータであり、Ｒオーディオアンプ１０及びＬオーディオアンプ２０から出力されるオーディオ信号ＡＲｏ及びＡＬｏにおけるピークツーピーク電圧の負側の最低電圧よりも小さい負電圧Ｖｓｓを生成して出力する。
負電圧生成回路４０から出力された負電圧Ｖｓｓは、Ｒオーディオアンプ１０とＬオーディオアンプ２０の各負側電源端子にそれぞれ供給され、更に、切換スイッチＳＷ１の端子Ａに供給されている。
また、負電圧生成回路４０も制御入力端を備えており、該制御入力端には切換信号ｓｅｌｅｃｔが入力されている。負電圧生成回路４０は、切換信号ｓｅｌｅｃｔがハイレベルのときは負電圧Ｖｓｓを出力し、切換信号ｓｅｌｅｃｔがローレベルのときは動作を停止して負電圧Ｖｓｓの供給を停止する。

切換スイッチＳＷ１は制御端子を備えた切換スイッチであり、切換スイッチＳＷ１の共通端子ＣはＵＳＢアンプ３０の低電圧側の電源端子に接続されている。また、切換スイッチＳＷ１の端子Ｂは接地電圧ＧＮＤに接続され、切換スイッチＳＷ１の制御端子には切換信号ｓｅｌｅｃｔが入力されている。切換スイッチＳＷ１は、切換信号ｓｅｌｅｃｔがハイレベルのときは共通端子Ｃを端子Ａに接続し、切換信号ｓｅｌｅｃｔがローレベルになると共通端子Ｃを端子Ｂに接続する。

このような構成において、切換信号ｓｅｌｅｃｔがハイレベルである場合は、ＵＳＢコネクタ６０はオーディオ信号に接続される。切換信号ｓｅｌｅｃｔがハイレベルであるため、負電圧生成回路４０は負電圧Ｖｓｓを生成して出力する。Ｒオーディオアンプ１０及びＬオーディオアンプ２０もそれぞれ作動し、対応して入力されたオーディオ信号ＡＲｉ及びＡＬｉを増幅して、オーディオ出力信号ＡＲｏ及びＡＬｏを生成して出力する。Ｒオーディオアンプ１０とＬオーディオアンプ２０には正負両電源電圧Ｖｄｄ及びＶｓｓがそれぞれ入力されており、出力されるオーディオ出力信号ＡＲｏとＡＬｏの各ピークツーピークは正電圧から負電圧にまたがった電圧になっている。

また、切換スイッチＳＷ１の共通端子Ｃは端子Ａに接続されているため、ＵＳＢアンプ３０の低電圧側電源端子には負電圧Ｖｓｓが入力されている。更に、ＵＳＢアンプ３０の出力端はハイインピーダンス状態であり、しかも低電圧側の電源には負電圧Ｖｓｓが入力されているため、ＵＳＢコネクタ６０のデータ端子Ｄ＋とＤ−に負電圧が現れても、ＵＳＢアンプ３０へ電流が流れ込むことはない。

次に、切換信号ｓｅｌｅｃｔがローレベルである場合は、ＵＳＢコネクタ６０はデジタル信号に接続される。切換信号ｓｅｌｅｃｔがローレベルになると、ＵＳＢアンプ３０は動作を開始し、逆に、Ｒオーディオアンプ１０とＬオーディオアンプ２０は、それぞれ動作を停止して各出力端をそれぞれハイインピーダンス状態にする。負電圧生成回路４０も動作を停止して負電圧Ｖｓｓが出力されなくなる。更に、切換スイッチＳＷ１の共通端子Ｃは端子Ｂ側に接続され、ＵＳＢアンプ３０の低電圧側電源電圧が接地電圧ＧＮＤに接続される。

すなわち、ＵＳＢアンプ３０から出力された各デジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌ＋及びＤｉｇｉｔａｌ−が、ＵＳＢコネクタ６０のデータ端子Ｄ＋及びＤ−から対応して出力されるようになる。このとき、Ｒオーディオアンプ１０とＬオーディオアンプ２０の各出力端はそれぞれハイインピーダンス状態であることから、デジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌ＋及びＤｉｇｉｔａｌ−がＲオーディオアンプ１０とＬオーディオアンプ２０に流れ込むことはない。逆に、Ｒオーディオアンプ１０とＬオーディオアンプ２０の各出力信号が、デジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌ＋及びＤｉｇｉｔａｌ−に影響を与えることもなくなる。

また、ＵＳＢアンプ３０の低電圧側の電源には接地電圧ＧＮＤが接続されているため、ＵＳＢアンプ３０から出力されるデジタル信号Ｄｉｇｉｔａｌ＋とＤｉｇｉｔａｌ−の電圧が負電圧になることも防止することができる。
なお、本第１の実施の形態では、切り換え信号として専用の切換信号ｓｅｌｅｃｔを使用したが、図３の従来例で示したように、ＵＳＢコネクタのＶｂｕｓ電圧を反転した信号を切換信号ｓｅｌｅｃｔとして使用してもよい。

このように、本第１の実施の形態における信号切換回路は、半導体素子だけで切換回路を実現したことから、これらすべての回路を１チップの半導体装置に搭載することができ、しかも、従来大きな実装面積を占めていたカップリングコンデンサが不要になったことから、カップリングコンデンサを接続するための接続パッドも不要になり、この結果、大幅な小型化とコストダウンを図ることができる。また、オーディオ信号を出力する経路にアナログスイッチが入らないようにしたことから、チップ面積を大きくすることなく出力インピーダンスを低下させることができる。

１信号切換回路
１０Ｒオーディオアンプ
２０Ｌオーディオアンプ
３０ＵＳＢアンプ
４０負電圧生成回路
５０インバータ回路
６０ＵＳＢコネクタ
ＳＷ１切換スイッチ

特表２００６−５１９５２２号公報

Claims

外部から入力された切換信号に応じて、デジタル信号と、ピークツーピーク電圧が正電圧と負電圧にまたがるオーディオ信号とを切り換えて、ＵＳＢコネクタのデータ端子に出力する信号切換回路において、
外部から入力された外部オーディオ信号から前記オーディオ信号を生成して出力するオーディオアンプ部と、
外部から入力された外部デジタル信号から前記デジタル信号を生成して出力する、トライステート構成をなす出力回路を有するＵＳＢアンプ部と、
前記オーディオ信号の負のピーク電圧よりも小さい電圧を生成して出力する負電圧生成回路部と、
を備え、
前記オーディオアンプ部は、低電圧側の電源として前記負電圧生成回路部からの負電圧が供給され、前記ＵＳＢアンプ部は、低電圧側の電源として、前記切換信号に応じて前記負電圧生成回路部からの負電圧又は接地電圧のいずれかが供給され、前記切換信号によって前記オーディオ信号が選択されている場合は、前記オーディオアンプ部が作動すると共に、前記ＵＳＢアンプ部は、出力端をハイインピーダンス状態にして、低電圧側の電源として前記負電圧生成回路部からの負電圧が入力され、前記切換信号によって前記デジタル信号が選択されている場合は、前記オーディオアンプ部が出力端をハイインピーダンス状態にすると共に、前記負電圧生成回路部が動作を停止して前記負電圧の出力を停止し、前記ＵＳＢアンプ部は、作動して低電圧側の電源として接地電圧が入力されることを特徴とする信号切換回路。
前記切換信号に応じて、前記ＵＳＢアンプ部への低電圧側の電源の切り換えを行う切換スイッチ部を備え、前記ＵＳＢアンプ部は、前記切換信号によって前記オーディオ信号が選択されている場合は、低電圧側の電源として前記負電圧生成回路部からの負電圧が前記切換スイッチ部から入力され、前記切換信号によって前記デジタル信号が選択されている場合は、低電圧側の電源として前記切換スイッチ部から接地電圧が入力されることを特徴とする請求項１記載の信号切換回路。
前記ＵＳＢアンプ部は、前記切換信号によって前記オーディオ信号が選択されている場合は、動作を停止して電力消費を低減することを特徴とする請求項１又は２記載の信号切換回路。
前記オーディオアンプ部は、前記切換信号によって前記デジタル信号が選択されている場合は、動作を停止して電力消費を低減することを特徴とする請求項１、２又は３記載の信号切換回路。
前記オーディオアンプ部、前記ＵＳＢアンプ部及び前記負電圧生成回路部は、１チップの半導体集積回路に集積されることを特徴とする請求項１記載の信号切換回路。
前記オーディオアンプ部、前記ＵＳＢアンプ部、前記負電圧生成回路部及び前記切換スイッチ部は、１チップの半導体集積回路に集積されることを特徴とする請求項２記載の信号切換回路。