JP5581989B2 - 利得切換型増幅器およびそれを用いたオーディオ機器 - Google Patents

Description

本発明は、オペアンプ回路（演算増幅器）にフィードバックする帰還量を切り換えることで利得切換を行い信号の増幅制御を行う技術に係り、特に、オーディオ信号の音量レベル調整を行う利得切換型増幅器における利得切換時に発生するポップ音を効率的に低減するのに好適な技術に関するものである。

例えばラジオ受信機能やＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）やＭＤ（ＭｉｎｉＤｉｓｃ）の再生機能が設けられオーディオ機器では、オーディオ信号の音量レベル調整制御に利得切換が可能な増幅器（利得切換型増幅器）が用いられている。

この利得切換型増幅器では、通常、オペアンプ回路が用いられ、このオペアンプ回路の出力端子からの出力信号を、フィードバック回路により、オペアンプ回路の反転入力端子にフィードバックする帰還量を切り換えることにより、利得切換えを実現している。尚、このような利得切換え技術を音声の増幅制御に用いる技術が、例えば、特許文献１，２に記載されている。

フィードバック回路には、出力端子と入力端子間を抵抗で分圧するアッテネータ回路（減衰器；信号を適切な信号レベルに減衰させる電子部品）が用いられ、抵抗分圧比を、マイクロコンピュータ等のデジタル制御信号により切り換える回路が既に知られている。

図６は、従来の利得切換型増幅器の構成例を示すブロック図であり、図７は、図６におけるフィードバック回路の構成例を示す回路図である。図６に示すように、従来の利得切換型増幅器は、オペアンプ回路（図中「ＯＰ」と記載）６１にフィードバック回路（図中「ＦＢ」と記載）６２を接続した回路構成となっている。

また、フィードバック回路６２は、図７に示すように、抵抗器とＳＷ回路を備えており、レベルコントロール回路６４からの制御信号によってＳＷを開閉し、抵抗分圧比を切り換えて、オペアンプ回路６１の反転入力端子（−）にフィードバックされる電圧量を調整している。

オペアンプ回路６１の開ループ利得が十分に高いものとした場合、このオペアンプ回路６１の閉ループ利得（すなわち利得切換型増幅器の入出力利得）はフィードバック回路６２の減衰率αによって決定される。

ここで、入力電圧Ｖｉ、出力電圧Ｖｏ、フィードバック回路６２の減衰率をαとした場合、オペアンプ回路６１の反転入力端子電圧（Ｖｎ）は、次の式（１−１）で示される通りとなる。

Ｖｎ＝α・（Ｖｏ−Ｖｉ）＋Ｖｉ ・・・式（１−１）

ここで、フィードバック回路６２の減衰率αは、図８に示すように、音声信号（Ｖｉ）が入力される端子（３）を基準点と考えた、オペアンプ回路６１の出力端子に接続される端子（１）から、オペアンプ回路６１の反転入力端子（−）に接続される端子（２）に対する減衰率とする。すなわち、α＝Ｖ２／Ｖ１＝Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）とする。

オペアンプ回路６１の開ループ利得が十分に高いものと考えた場合、反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）はイマジナリーショートにより同電位となる。

この場合、非反転入力端子（＋）は０Ｖであるため次の式（１−２）が成立する。

α×（Ｖｏ−Ｖｉ）＋Ｖｉ＝０・・・式（１−２）

この式(１−２)を整理すると、閉ループ利得Ａｖは、次の式（１−３）となる。

Ａｖ＝Ｖｏ／Ｖｉ＝１−１／α ・・・式（１−３）

例えば、フィードバック回路６２の減衰率αが０．５の場合、回路の閉ループ利得Ａｖは「−１（つまり反転１倍）」となる。

以上の動作は、一般的に用いられているオペアンプの反転増幅回路であり、従来の利得切換増幅器は、フィードバック回路利得αを切り換えることにより、その機能を実現している。

しかしながら、このような従来の技術では、利得切換が段階的となるため、利得切換の際に、急激な信号レベルの変動に起因して生じる所謂ポップノイズが発生する欠点がある。

このような利得切換時のポップノイズの発生を防ぐには、利得切換の分解能を上げ、急激な信号レベルの変動を抑える必要がある。

利得切換の分解能を上げる技術として、まず容易に考えられるのが、フィードバック回路６２の抵抗器とＳＷ回路を単純に増やすという技術であるが、この技術では、回路規模が増大するため実用的ではない。

その他の技術として、図１０に示すように、利得切換アンプを２回路用意し、それを直列接続する技術や、図１１に示すように、フィードバック回路６２に、Ｒ−２Ｒ型ＤＡＣ回路を使用するＤ−Ａ型マルチプライヤー回路を用いることが考えられる。

しかし、図１０に示す利得切換アンプを２回路直列接続する技術では、オペアンプが２つ必要となってしまうことと、アンプが直列接続されることにより、音声信号のノイズレベルが増加してしまうなどの欠点がある。

また、図１１に示すＤ−Ａ型マルチプライヤー回路では、回路の性質上、ＳＷ回路のＯＮ抵抗が音声信号の歪み率劣化の原因となる。すなわち、オーディオ再生機として使用する場合、ノイズレベルの制約からＲ−２Ｒ型ＤＡＣに使用する抵抗器の抵抗値をあまり大きくすることが出来ないため、Ｒ−２Ｒ型ＤＡＣの抵抗器に対して十分に小さいＯＮ抵抗のＳＷを得ることが困難な場合が多く、歪み率劣化が特性上どうしても犠牲になる欠点がある。

尚、このような、オペアンプの反転入力端子に出力をフィードバックする帰還量を切り換える利得切換型増幅器の構成とは異なるが、例えば、特許文献３には、モード切り換え時や電源のオン／オフ時に発生する雑音を抑制するためのソフト・ミュート処理を行う音声信号処理装置において、ミュート時間を、再生帯域の最低周波数の半波長程度の時間とすることで、ミュートオン時、ミュートオフ時におけるポップ音の発生を抑える技術が記載されている。

また、特許文献４には、オペアンプの反転入力端子に出力をフィードバックするが、帰還量を切り換えることのない構成オーディオ回路において、電源の立ち上げ時に、オペアンプの非反転入力端子側に入力される基準電圧を、通常の１／２の電圧で且つ上下が対称な電圧波形で立ち上げ、電源オフ時には、起動時と対称の電圧を基準電圧として出力することにより、当該基準電圧における不要な高調波成分を少なくしてポップ音を低減させる技術が記載されているが、このような基準電圧を生成するために複雑な回路構成を要している。

解決しようとする問題点は、従来の技術では、利得切換型増幅器において、例えばオーディオ信号再生中に利得切換を段階的に行う際に、急激な信号レベルの変動に起因して生じるポップノイズを抑えるために利得切換の分解能を上げた場合、音声信号のノイズレベルの増加や、歪み率の劣化が生じてしまう点である。

本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、スムージング・ミュートを実現して、例えばポップノイズの発生を、再生時の音声品質を維持しつつ、防ぐことである。

上記目的を達成するため、請求項１の発明では、反転入力端子、非反転入力端子、出力電圧を出力する出力端子を有するオペアンプと、
入力信号を入力する入力端子を有し、前記出力端子の出力電圧を減衰して前記反転端子へフィードバックするとともに、前記入力端子に入力する入力信号を前記反転端子へ入力させるフィードバック回路とを備え、該フィードバック回路の減衰率の調整により利得切換を行う利得切換型増幅器であって、
前記フィーバック回路の入力端子に入力される入力信号を減衰して前記オペアンプの非反転端子へ入力させるアッテネータ回路を備え、
利得遷移時に前記アッテネータ回路を動作させて、該アッテネータ回路の減衰率と前記フィードバック回路の減衰率との組み合わせによって、前記出力端子の出力電圧の切換分解能を上げ、
利得固定時には前記フィードバック回路の減衰率の調整のみで利得を決定することを特徴とする。
請求項２の発明では、反転入力端子、非反転入力端子、音声出力信号を出力する出力端子を有するオペアンプと、
音声入力信号を入力する入力端子を有し、前記出力端子の音声出力信号を減衰して前記反転端子へフィードバックするとともに、前記入力端子に入力する音声入力信号を前記反転端子へ入力させるフィードバック回路とを備え、該フィードバック回路の前記減衰率の調整により利得切換を行う利得切換型増幅器であって、
前記フィーバック回路の入力端子に入力される音声入力信号を減衰して前記オペアンプの非反転端子へ入力させるアッテネータ回路を備え、
利得遷移時のみ、前記アッテネータ回路を動作させて、該アッテネータ回路の減衰率と前記フィードバック回路の減衰率との組み合わせによって、音声出力信号の切換分解能を上げ、
利得固定時には前記フィードバック回路の減衰率の調整のみで音声出力信号の利得を決定することを特徴とする。

本発明によれば、利得切換型増幅器において、信号出力レベルの切換分解能を上げることによりスムージング・ミュートを実現でき、例えばオーディオ機器における再生時の音声品質を維持しつつ、ポップノイズの発生を防ぐことが可能であり、当該オーディオ機器の品質の向上を図ることができる。

本発明に係る利得切換型増幅器の構成例を示すブロック図である。 図１におけるアッテネータ回路の構成例を示すブロック図である。 図１における利得切換型増幅器の入出力利得の第１の算出例を示す説明図である。 図１における利得切換型増幅器の入出力利得の第２の算出例を示す説明図である。 図１における利得切換型増幅器の制御動作例を示す説明図である。 従来の利得切換型増幅器の第１の構成例を示すブロック図である。 図６におけるフィードバック回路の構成例を示すブロック図である。 図６における利得切換型増幅器の入出力利得の第１の算出例を示す説明図である。 図６における利得切換型増幅器の入出力利得の第１の算出例を示す説明図である。 従来の利得切換型増幅器の第２の構成例を示すブロック図である。 従来の利得切換型増幅器の第３の構成例を示すブロック図である。

以下、図を用いて本発明を実施するための形態例を説明する。図１は、本発明に係る利得切換型増幅器の構成例を示しており、この図１において、１はオペアンプ回路（演算増幅器）、２はフィードバック回路、３はアッテネータ回路（減衰器）であり、オペアンプ回路１とフィードバック回路２は、図６で示した従来の利得切換型増幅器に用いているものと同等のものである。

このような構成により、本例の利得切換型増幅器は、オーディオ機器に設けられ、オーディオ信号のレベル調整制御に際して、フィードバック回路２とアッテネータ回路３のそれぞれの加減算回路を用いて、オペアンプ回路１における反転入力と非反転入力の双方の減衰率設定を切換えて、出力レベルを連続的に変化させる。

すなわち、図１に示す回路構成の利得切換型増幅器では、従来のオペアンプ回路１とフィードバック回路２に加えて、アッテネータ回路３を追加した構成となっている。

フィードバック回路２は、図７に示すフィードバック回路６２と同様に、抵抗器とＳＷ回路を備えており、レベルコントロール回路６４からの制御信号によってＳＷを開閉し、抵抗分圧比を切り換えて、オペアンプ回路１の反転入力端子（−）にフィードバックされる電圧量を調整している。

オペアンプ回路１の開ループ利得が十分に高いものとした場合、このオペアンプ回路１の閉ループ利得（すなわち利得切換型増幅器の入出力利得）はフィードバック回路２の減衰率αによって決定される。

従来技術として説明したように、入力電圧Ｖｉ、出力電圧Ｖｏ、フィードバック回路２の減衰率をαとした場合、オペアンプ回路１の反転入力端子電圧（Ｖｎ）は、「Ｖｎ＝α・（Ｖｏ−Ｖｉ）＋Ｖｉ ・・・式（１−１）」となる。

また、フィードバック回路２の減衰率αは、図８で示したように、音声信号（Ｖｉ）が入力される端子（３）を基準点と考えた、オペアンプ回路１の出力端子に接続される端子（１）から、オペアンプ回路１の反転入力端子（−）に接続される端子（２）に対する減衰率とし、α＝Ｖ２／Ｖ１＝Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）とする。

そして、オペアンプ回路１の開ループ利得が十分に高いものと考えた場合、反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）はイマジナリーショートにより同電位となり、この場合、非反転入力端子（＋）は０Ｖであるため式「α×（Ｖｏ−Ｖｉ）＋Ｖｉ＝０・・・式（１−２）」が成立する。

この式(１−２)を整理することで、オペアンプ回路１の閉ループ利得Ａｖが、「Ａｖ＝Ｖｏ／Ｖｉ＝１−１／α ・・・式（１−３）」の式で得られる。例えば、フィードバック回路２の減衰率αが０．５の場合、オペアンプ回路１の閉ループ利得Ａｖは「−１（つまり反転１倍）」となる。

このようにして、従来の利得切換増幅器の動作では、フィードバック回路２の利得αを切り換えることにより、その出力レベルを変化させているが、上述したように、このようなフィードバック回路２のみを用いただけの技術では、利得切換が段階的となるため、利得切換の際に、急激な信号レベルの変動に起因して生じる所謂ポップノイズが発生する。

このような利得切換時のポップノイズの発生を防ぐには、利得切換の分解能を上げ、急激な信号レベルの変動を抑える必要があり、本例では、新たにアッテネータ回路３を設けた構成としている。

アッテネータ回路３は、フィードバック回路２と同様のアナログ加減算回路を基本形としており、オペアンプ回路１の非反転入力に、このアッテネータ回路３を介して音声信号が入力される仕組みとなっている。

尚、アッテネータ回路３は、フィードバック回路２のような単純な抵抗分圧回路でも機能の実現は可能であるが、図２に示すように、本例では、利得切換の分解能を上げることを容易とする為、Ｒ−２Ｒ型ＤＡＣ回路を用いている。

すなわち、アッテネータ回路３は、図２に示すように、抵抗器とＳＷ回路を備えており、レベルコントロール回路４からの制御信号によってＳＷを開閉し、抵抗分圧比を切り換えて、オペアンプ回路１の非反転入力端子（＋）に入力される電圧量を調整している。

オペアンプ回路１の開ループ利得が十分に高いものとし、入力電圧Ｖｉ、出力電圧Ｖｏ、フィードバック回路２の減衰率を図８に例示したようにα、アッテネータ回路３の減衰率を図３に示すようにβ（＝Ｖ２／Ｖ１＝Ｄ／２^ｎ）とした場合、オペアンプ回路１の回路の閉ループ利得は次のように求められる。

まず、オペアンプ回路１の非反転入力（＋）の電圧Ｖｐは次の式（２−１）で表される。

Ｖｐ＝β・Ｖｉ ・・・式（２−１）

これに対して、オペアンプ回路１の反転入力（−）の電圧Ｖｎは次の式（２−２）で表される。

Ｖｎ＝α（Ｖｏ−Ｖｉ）＋Ｖｉ ・・・式（２−２）

オペアンプ回路１の開ループ利得が十分に高いと考えると、電圧Ｖｐと電圧Ｖｎはイマジナリーショートにより同電位となるため、上述の式（２−１）と式（２−２）から、次の式（２−３）が成立する。

β・Ｖｉ＝α（Ｖｏ−Ｖｉ）＋Ｖｉ ・・・式（２−３）

この式（２−３）を整理すると、図４に示すようにして、オペアンプ回路１の閉回路利得Ａｖを示す次の式（２−４）が得られる。

Ａｖ＝Ｖｏ／Ｖｉ＝１−（１／α）＋（β／α） ・・・式（２−４）

この式（２−４）より、オペアンプ回路１の閉回路利得Ａｖは、フィードバック回路２の減衰率αとアッテネータ回路３の減衰率βの値の組み合わせにより、コントロールできることがわかる。

図５において、フィードバック回路２の減衰率αと、アッテネータ回路３の減衰率βの切換制御のタイミングチャート例を示す。このように、アッテネータ回路３の減衰率βの切換調整制御と組み合わせることにより、「０」、「−０．００４」、「−０．０００８」、…、「−５．９９５」、「−６」、「−６．００６」、「−６．０１３」、…、「−１１．９９８」、「−１２」との高い分解能での閉ループ利得の切換を行うことができる。

アッテネータ回路３として使用しているＤＡＣ回路のビット数を増やすほど利得設定の分解能が上がり、滑らかな利得遷移が可能となり、ポップノイズの発生を抑制することができる。

また、通常再生時（利得固定時）はβ＝０（すなわちオペアンプ回路１の非反転入力端子は０Ｖ）とし、アッテネータ回路３は利得遷移時にしか使用しないようにすることで従来回路と等価の回路となり、Ｄ−Ａ型マルチプライヤー回路で問題となっていたＲ−２Ｒ ＤＡＣ回路起因の歪み率劣化は解消される。

以上、図１〜図５を用いて説明したように、本例では、オペアンプ回路１の出力端子からの出力信号を、オペアンプ回路１の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路２を具備し、フィードバック回路２でフィードバックする帰還電圧を減衰することにより利得切換を行い、オペアンプ回路１に入力された入力信号の出力レベル調整を行う利得切換型増幅器において、オペアンプ回路１の非反転入力端子に、入力信号を減衰して入力するアッテネータ回路３を設け、このアッテネータ回路３の減衰率の設定とフィードバック回路２の減衰率の設定の組み合わせにより、信号出力レベルの切換分解能を上げる。

このように、音声を増幅する利得切換型増幅器における出力調節手段として、アナログ加減算回路を用い、利得切換型増幅器のオペアンプ回路１における反転入力側と非反転入力側の双方に、減衰率の切換が可能な回路２，３を設け、その減衰率設定の組み合わせにより、音声出力レベルの切り換え分解能を上げることで、音声レベルを連続的に変化させることを可能とし、ポップノイズの発生を防ぐ。

また、フィードバック回路２は抵抗分圧切換型のアナログ加減算回路からなり、アッテネータ回路３はＤＡＣ回路からなり、フィードバック回路２とアッテネータ回路３のそれぞれの減衰率を、レベルコントロール回路４からのデジタル信号により制御する。例えば、オペアンプ回路１の反転入力端子（−）には、従来の抵抗分圧切換型のフィードバック回路２を接続し、非反転入力端子（＋）には、ＤＡＣ回路等のアッテネータ回路３を接続し、双方をマイクロコンピュータ等からなるレベルコントロール回路４からのデジタル信号により制御する。

また、アッテネータ回路３を利得遷移時のみに動作させ、利得固定時にはフィードバック回路２でのみ利得を決定する。すなわち、非反転入力端子（＋）に接続されるアッテネータ回路３は、利得遷移時のみに動作させ、通常再生時（利得固定時）は、フィードバック回路２でのみ利得が決定される従来回路と等価とすることで、通常再生時の音声品質の劣化を防ぐ。

このように、本例の利得切換型増幅器においては、音声出力レベルの切換分解能を上げることによりスムージング・ミュートを実現でき、再生時の音声品質を維持しつつ、ポップノイズの発生を防ぐことが可能となり、オーディオ機器の品質の向上を図ることができる。

尚、本発明は、図１〜図５を用いて説明した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、上述したように、本例では、アッテネータ回路３は、Ｒ−２Ｒ型ＤＡＣ回路を用いているが、フィードバック回路２のような単純な抵抗分圧回路でも機能の実現は可能である。

１，６１：オペアンプ回路、２，６２：フィードバック回路、３：アッテネータ回路、４，６４：レベルコントロール回路、Ｒ，２Ｒ，Ｒ１，Ｒ２：抵抗、ＳＷ：スイッチ、Ｖｉ：入力、Ｖｏ：出力。

特開平０９−０９３０６４号公報 特開平０６−２９１５７３号公報 特開２００８−１０９５６０号公報 特開２０１０−０２１７７５号公報

Claims (4)

1. 反転入力端子、非反転入力端子、出力電圧を出力する出力端子を有するオペアンプと、
   入力信号を入力する入力端子を有し、前記出力端子の出力電圧を減衰して前記反転端子へフィードバックするとともに、前記入力端子に入力する入力信号を前記反転端子へ入力させるフィードバック回路とを備え、該フィードバック回路の減衰率の調整により利得切換を行う利得切換型増幅器であって、
   前記フィーバック回路の入力端子に入力される入力信号を減衰して前記オペアンプの非反転端子へ入力させるアッテネータ回路を備え、
   利得遷移時に前記アッテネータ回路を動作させて、該アッテネータ回路の減衰率と前記フィードバック回路の減衰率との組み合わせによって、前記出力端子の出力電圧の切換分解能を上げ、
   利得固定時には前記フィードバック回路の減衰率の調整のみで利得を決定することを特徴とする利得切換型増幅器。
2. 反転入力端子、非反転入力端子、音声出力信号を出力する出力端子を有するオペアンプと、
   音声入力信号を入力する入力端子を有し、前記出力端子の音声出力信号を減衰して前記反転端子へフィードバックするとともに、前記入力端子に入力する音声入力信号を前記反転端子へ入力させるフィードバック回路とを備え、該フィードバック回路の前記減衰率の調整により利得切換を行う利得切換型増幅器であって、
   前記フィーバック回路の入力端子に入力される音声入力信号を減衰して前記オペアンプの非反転端子へ入力させるアッテネータ回路を備え、
   利得遷移時のみ、前記アッテネータ回路を動作させて、該アッテネータ回路の減衰率と前記フィードバック回路の減衰率との組み合わせによって、音声出力信号の切換分解能を上げ、
   利得固定時には前記フィードバック回路の減衰率の調整のみで音声出力信号の利得を決定することを特徴とする利得切換型増幅器。
3. 請求項１もしくは請求項２のいずれか記載の利得切換型増幅器であって、
   上記フィードバック回路は抵抗分圧切換型のアナログ加減算回路からなり、
   上記アッテネータ回路はＤＡＣ回路からなり、
   上記フィードバック回路と上記アッテネータ回路のそれぞれの減衰率をデジタル信号により制御するレベルコントロール回路を設けたことを特徴とする利得切換型増幅器。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の利得切換型増幅器を設けたことを特徴とするオーディオ機器。

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