JPH01147907A - 電力増幅回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、Ｂ級プッシュプル増幅器を用いた電力増幅回
路に関するものである。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては、柳沢健著「基礎
電子回路エ　アナログ編」　（昭５３−３−３０）丸首
（株）Ｐ、１４６−１５３に記載されるものがあった。

以下、その構成を図を用いて説明する。

第２図及び第３図は、前記文献に記載された従来の電力
増幅回路の一構成例を示すもので、第２図はトランス式
Ｂ級プッシュプル電力増幅回路の回路図、及び第３図は
Ｂ級シングルエンドプッシュプル電力増幅回路の回路図
である。

第２図の電力増幅回路は、入カドランス１、ＰＮＰｉ−
ランジスタ２、ＮＰＮトランジスタ３、及び出カドラン
ス４を有し、そのＰＮＰトランジスタ２及びＮＰＮトラ
ンジスタ３のエミッタと出カドランス４の一次側との間
に電源ＶＣＣが接続され、さらにその出カドランス４の
二次側に負荷５が接続されている。

この電力増幅回路において、入力信号３ｉが入カドラン
ス１の一次側に供給されると、その入力信号３ｉの極性
に応じてトランジスタ２と３が半周期ずつ動作し、残り
の半周期はカットオフの状態になる。電源ＶＣＣからト
ランジスタ２へ流れるコレクタ電流と、電流■ＣＣから
トランジスタ３へ流れるコレクタ電流とは、出カドラン
ス４で足し合わされて負荷５には正弦波電流が流れる。

この種の電力増幅回路では、増幅特性は良いものの、増
幅素子であるトランジスタ２，３の動作が抵抗の働きを
するいわゆる能動動作であった。

第３図の電力増幅回路は、電圧増幅の機能をもつエミッ
タ接地のＮＰＮトランジスタ１０と、電力増幅の機能を
もつエミッタフォロワのＮＰＮトランジスタ１１及びＰ
ＮＰトランジスタ１２とを漏え、そのＮＰＮトランジス
タ１１及びＰＮＰトランジスタ１２のエミッタと電源ｖ
ＣＣとの間に負荷１３が接続されている。ＮＰＮトラン
ジスタ１１及びＰＮＰトランジスタ１２の各ベース間に
は、温度補償を兼ねたバイアス用のダイオード１４が接
続され、そのダイオード１４によってＮＰＮトランジス
タ１１及びＰＮＰトランジスタ１２に適当な静止電流が
供給される。また、ＮＰＮトランジスタ１１及びＰＮＰ
トランジスタ１２のエミッタとＮＰＮトランジスタ１０
のベースとの間には、帰還用の抵抗１５が接続されてい
る。

この電力増幅回路において、トランジスタ１０のベース
・エミッタ開側に入力信号３ｉが供給されると、トラン
ジスタ１０のコレクタ電位はＯとＶｃｃの間を往復する
。トランジスタ１０のコレクタ電位がＶｃｃ／２より上
がると、トランジスタ１１は順バイアス、トランジスタ
１２は逆バイアスとなるので、電源■ＣＣ→トランジス
タ１１→負荷１３というルートでその負荷１３に電流が
流れる。また、トランジスタ１０のコレクタ電位がＶＣ
Ｃ／２より下がると、トランジスタ１２が順バイアス、
トランジスタ１１が逆バイアスとなり、電源Ｖｃｃ→負
荷１３→トランジスタ１２というルートでその負荷１３
に電流が流れる。なお、この回路では抵抗１５による直
流的な並列−電圧帰還がかけられており、直流動作点の
安定化、出力インピーダンスの低下、及びひずみの減少
が図られている。この電力増幅回路も第２図のものと同
様に、増幅特性は良いものの、増幅素子の動作が抵抗の
働きをするいわゆる能動動作であった。

従来、第２図及び第３図のような回路の他に、パルス幅
変調（以下、ＰＷＭという）方式のスイッチング電力増
幅回路も提案されている。

第４図は従来のＰＷＭ方式のスイッチング電力増幅回路
の概念図である。この電力増幅回路では、比較器２０に
おいて入力信号５ｉｅｌｌｆｆｌ送用の三角波ａでＰＷ
Ｍ波すに変換し、そのＰＷＭ波すをスイッチング動作を
行う電流増幅部２２で増幅し、その増幅されたＰＷＭ波
ＢをＬＧフィルタ２２を通して出力信号ＳＯを得ている
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記構成の回路では、次のような問題点
があった。

第２図及び第３図のＢ級プッシュプル電力増幅回路では
、増幅素子であるトランジスタ２．３゜１０〜１２の発
熱量が多く、効率が実用上約７０％以下であり、効率が
比較的悪いという問題点があった。

一方、第４図のＰＷＭ方式のスイッチング電力増幅回路
の場合、ＬＣフィルタ２２通過後のＰ’ｖ’／Ｍ波成分
と信号成分との比である信号／ノイズ比（以下、Ｓ／Ｎ
比という）を良くしようとすると、ＬＣフィルタ２２の
時定数を大きくする必要があるが、時定数を大きくする
と、高い周波数の信号成分が減衰し、増幅回路の周波数
特性が劣化する。また、ＰＷＭ波成分の減衰間を大きく
するために電流増幅部２１でのスイッチング周波数を高
くすると、増幅素子のスイッチング損失が増え、外部へ
の不要輻射も大きくなる。さらにＰＷＭ波す、Ｂは直流
成分を含んでいるため、トランス結合によって増幅回路
と負荷とを電気的に分離１−ることもできない。

本発明は前記従来技術が持っていた問題点として、Ｂ＠
プッシュプル電力増幅回路における効率の悪さと、ＰＷ
Ｍ方式スイッチング電力増幅回路における周波数特性の
劣化、及び負荷との電気的分離が困難等の点について解
決した電力増幅回路を提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は前記問題点を解決するために、入力信号を増幅
する電力増幅回路において、この電力増幅回路を少なく
とも、入力信号の全波整流波形と直流バイアスを加えた
信号を三角波（のこぎり波も含む）にてパルス幅変調す
る第１の回路と、この第１の回路の出力信号を電流増幅
して第１のトランスの二次側から取り出し、それを整流
平滑して前記入力信号の絶対値に比例した正負の直流電
圧を出力する第２の回路と、前記正負の直流電圧と同位
相の前記入力信号を取り出す第２のトランスと、前記正
負の直流電圧を電源電圧として前記第２のトランスから
取り出した入力信号を増幅するＢ級プッシュプル増幅器
とで、構成したものである。

（作　用） 本発明によれば、以上のように電力増幅回路を構成した
ので、第１の回路は入力信号をパルス幅変調し、それを
第２の回路が、入力信号の絶対値に比例した１角の直流
電圧に変換し、その直流電圧をＢ級プッシュプル増幅器
に電源電圧として供給する。必要な出力振幅を得るため
の最少の電源電圧が印加されたＢ扱プッシュプル増幅器
は、第２のトランスを介して供給される入力信号にてド
ライブされる。これにより、効率の向上と周波数特性の
向上が図れると共に、電源側及び入力信号側と負荷側と
の電気的分離が可能となる。従って前記問題点を除去で
きるのである。

（実施例） 第１図は本発明の実施例を示す電力増幅回路の回路図で
ある。

この電力増幅回路は入力信号３ｉ用の入力端子３０を有
し、その入力端子３０には接地された抵抗３１、電圧フ
ォロワの増幅器３２、及び抵抗３３が接続されている。

増幅器３２は、その入力端子側のノードＮ１上の信号と
同一波形の信号を出力端子側のノードＮ２へ出力する回
路である。

抵抗３３には、利得−１倍の増幅器３４の（−）側入力
端子が接続され、その（−）側入力端子と出力端子側の
ノードＮ３との間に帰還抵抗３５が接続されると共に、
その増幅器３４の（＋）側入力端子が抵抗３６を介して
接地されている。抵抗３３と３５は同一抵抗値である。

ノードＮ２゜Ｎ３にはそれぞれ整流用のダイオード３７
．３８が接続され、そのダイオード３７．３８の接続点
であるノードＮ４はバイアス用の分圧抵抗３９゜４０を
介して接地されると共に、抵抗３９．４１を介して電源
Ｖｃｃ　（例えば、＋５■）に接続されている。

ノードＮ４上に発生した電圧と三角波発生器４２の出力
信号とは、比較器４３の入力端子に接続され、その比較
器４２の出力端子側ノードＮ５が、スイッチング用の電
界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）４４のゲー
トに接続されている。ＦＥＴ４４はそのソースが接地さ
れ、そのドレインが第１のトランス４５の一次側を通し
て電源Ｖｃｃ及び逆流阻止用のダイオード４６に接続さ
れている。その電源ＶＣＣとアースとの間には、平滑用
の電解コンデンサ４７が接続されている。

トランス４５の二次側には、整流用ダイオード４Ｂ、４
９．５０，５Ｌ平滑用コイル５２゜５３、及び平滑用コ
ンデンサ５４．５５が接続され、そのコンデンサ５４．
５５側の各ノードＮ６゜Ｎ７上に発生した正負の直流電
圧はＢ級プッシュプル増幅器６０の電源ラインに接続さ
れている。

なお、各ノードＮ６．Ｎ７はコンデンサ５４゜５５を介
して接地されている。以上の符号３０〜４３に示す回路
要素により第１の回路が、符号４４〜５５に示す回路素
子により第２の回路がそれぞれ構成され、その第１と第
２の回路で電源部が形成されている。

また、増幅器３２の出力端子側ノードＮ２には、信号伝
送用の第２のトランス７０の一次側が接続され、その二
次側のノードＮ８がＢ級プッシュプル増幅器６０の信号
入力端子に接続されている。

第２のトランス７０は、その−次側の一端とその二次側
の一端とが別系統で接地されている。

Ｂ級プッシュプル増幅器６０は、ノードＮ８上の信号を
増幅する前置増幅器６１と、電圧増幅の機能をもつエミ
ッタ接地のＮＰＮトランジスタ６２と、電力増幅の機能
をもつエミッタフォロワのＮＰＮトランジスタ６３及び
ＰＮＰトランジスタ６４とを備えている。前記増幅器６
１は、その（＋）側入力端子が抵抗６５及びノードＮ８
に、その（−）側入力端子が抵抗６６及び帰還用抵抗６
７に、その２つの電源端子のうちの一方が抵抗６８及び
平滑用電解コンデンサ６９を介してノードＮ６に、その
他方の電源端子がノードＮ７にそれぞれ接続されている
。ＮＰＮトランジスタ６２は、そのエミッタがノードＮ
７に、そのコレクタが温度補償を兼ねたバイアス用のダ
イオード７０゜７１と抵抗７２とを介してノードＮ６に
それぞれ接続されている。ＮＰＮトランジスタ６３及び
ＰＮＰトランジスタ６４は、そのエミッタが出力側ノー
ドＮ９に共通接続され、そのＮＰＮトランジスタ６３の
ベースが抵抗７２に、そのコレクタがノードＮ６にそれ
ぞれ接続され、そのＰＮＰトランジスタ６４のコレクタ
がノードＮ７に、そのベースがＮＰＮトランジスタ６２
のコレクタにそれぞれ接続されている。出力側ノードＮ
９には、負荷８０が接続される。

なお、第１図において入力側及び電源側の接地と出力側
の接地とは、別系統に分離されている。

第５図は第１図中の各ノード上の波形図であり、この図
を参照しつつ第１図の動作を説明する。

先ず、入力信号３ｉが入力端子３０に供給されると、一
方の増幅器３２の出力側ノードＮ２には入力端子３０側
のノードＮ１上の信号波形と同一の信号波形が出力され
ると共に、他方の増幅器３４の出力側ノードＮ３にはノ
ードＮ１の信号波形を反転した信号波形が出力される。

各ノードＮ２．Ｎ３上の信号波形は、ダイオード３７゜
３８で全波整流され、抵抗３９側のノードＮ４上に全波
整流波形が現われる。このノードＮ４上には、抵抗４０
．４１により直流バイアスが印加され、無信号状態でも
トランス４５の二次側に増幅器６０を動作させるのに必
要な電圧が供給されるようになっている。

ノードＮ４上の全波整流波形は、三角波発生器４２から
出力される三角波と比較器４３で比較され、その比較器
４３の出力側ノードＮ５へＰＷＭ波が出力される。通常
、三角波の周波数は入力信号３ｉの１０倍以上、約”１
ＯＯＫＨ２程度が選ばれる。ノードＮ５上のＰＷＭ波は
ＦＥＴ４４のゲートをドライブし、そのＦ　Ｅ　Ｔ　４
４をスイッチングするので、そのＦＥＴ４４とトランス
４５とでＰＷＭ波の電流増幅か行われ、そのＰＷＭ波と
同じ電圧波形がトランス４５の二次側から出力される。

このトランス４５の二次側電圧は、ダイオード４８〜５
０で整流され、コイル５２．５３及びコンデンサ５４．
５５で平滑された後、入力信号Ｓｉの絶対値に比例した
正負の電圧としてノードＮ６．Ｎ７上に出力され、それ
が増幅器６０の電源として供給される。この時、増幅器
６０の入力側ノードＮ８には、トランス７０を通して入
力信号３ｉが供給されている。このノードＮ８上の信号
の大きさは、ノードＮ６．Ｎ７上の電圧と比例関係にあ
る。

増幅器６０に電源電圧と信号が供給されると、この増幅
器６０では、ノードＮ８上の信号が前置増幅器６１で増
幅される。前置増幅器６１の出力信号が正極性の時は、
ＮＰＮトランジスタ６２がオン状態となり、そのコネク
タ電位が下がってＮＰＮトランジスタ６３がオフ状態、
ＰＮＰトランジスタ６４がオン状態となる。また前置増
幅器６１の出力信号が負極性の時は、ＮＰＮトランジス
タ６２がオフ状態となり、そのコレクタ電位が上がって
ＮＰＮトランジスタ６３がオン状態、ＰＮＰトランジス
タ６４がオフ状態となる。

ＮＰＮトランジスタ６３がオン状態となると、ノードＮ
６→ＮＰＮトランジスタ６３→ノードＮ９→負荷８０→
アース、というルートで電流が流れ、ＰＮＰトランジス
タ６４がオン状態となると、アース→負荷８０→ノード
Ｎ９→ＰＮＰトランジスタ６４→ノードＮ７、というル
ートで電流が流れる。

ここで、ノードＮ８上の信号の大きさとノードＮ６．Ｎ
７上の電源電圧とは比例関係にあるため、トランス４５
の巻数比を適当に選択することにより、入力信号の大小
にかかわらず、トランジスタ６３．６４のコレクタ・エ
ミッタ間電圧をほぼ数ボルトの一定値に保つことが可能
であり、この状態で負荷８０に必要なる出力を供給する
ことができる。

なお、この増幅器６０では、従来の第３図と同様に、帰
還抵抗６７による直流的な並列−電圧帰還がかけられて
おり、直流動作点の安定化、出力インピーダンスの低下
、ひずみの減少が図られている。

本実施例では、次のような利点を有している。

（ｉ）　入力信号３ｉの絶対値に比例した正負の電圧を
生成し、この電圧でＢ級プッシュプル増幅器６０を動作
させているため、入力信号５ｉの大きさにかかわらず、
効率が高い。

（ｉ＞　　Ｂ級プッシュプル増幅器６０の電源としては
、多少のスイッチングリップルが有っても出力波形に対
して影響がないので、コイル５２゜５３及びコンデンサ
５４．５５からなるフィルタ部分の時定数時を小さくす
ることができる。そのため、フィルタ部分の出力は高い
周波数の入力信号に対しても応答可能になる。一方、Ｂ
級プッシュプル増幅器６０の周波数特性は十分良いから
、結果として電力増幅回路全体の周波数特性が従来のＰ
ＷＭ方式スイッチング電力増幅回路より向上する。

（ｉｉｉ　）　　入力信＠Ｓｉ側及び電源ＶＣＣ側と、
負荷８０のある出力側とが、トランス４５．７０で分離
されているため、両者間の電気的絶縁が可能になる。

なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々の変形
が可能である。その変形例としては、例えば次のような
ものがある。

（ａ）　　パルス幅変調の際の三角波は、のこぎり波で
あってもよい。このパルス幅変換を行う第１の回路と、
整流・平滑等を行う第２の回路とは、図示以外の回路で
構成してもよい。

（ｂ）　　Ｅ［プッシュプル増幅器６０は、従来の第３
図のような他の回路で構成してもよい。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、第１の回
路で入力信号をパルス幅変調し、それを第２の回路によ
り、入力信号の絶対値に比例した正負の直流電圧に変換
し、その直流電圧をＢ級プッシュプル増幅器の電源電圧
として供給すると共に、その電源電圧と同位相の入力信
号にて前記Ｂ級プッシュプル増幅器をドライブするよう
にしたので、効率が良く、周波数特性に優れ、かつ負荷
との電気的分離が可能になるという効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す電力増幅回路の回路図、
第２図及び第３図は従来の電力増幅回路の回路図、第４
図は従来の他の電力増幅回路の概念図、第５図は第１図
の波形図である。 ３２．３４．６１・・・・・・増幅器、３７，３８゜４
８〜５０・・・・・・ダイオード、３９〜４１・・・・
・・抵抗、４２・・・・・・三角波発生器、４３・・・
・・・比較器、４４・・・・・・ＦＥＴ、４５．７０・
・・・・・トランス、５２．５３・・・・・・コイル、
５４．５５・・・・・・コンデンサ、６０・・・・・・
Ｂ級プッシュプル増幅器、６２．６３・・・・・・ＰＮ
Ｐトランジスタ、６４・・・・・・ＮＰＮトランジスタ
、８０・・・・・・負荷、３ｉ・・・・・・入力信号、
ＶＧＣ・・・・・・電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入力信号の全波整流波形と直流バイアスを加えた信号を
   三角波にてパルス幅変調する第１の回路と、 この第１の回路の出力信号を電流増幅して第１のトラン
   スの二次側から取り出し、それを整流平滑して前記入力
   信号の絶対値に比例した正負の直流電圧を出力する第２
   の回路と、 前記正負の直流電圧と同位相の前記入力信号を取り出す
   第２のトランスと、 前記正負の直流電圧を電源電圧として前記第２のトラン
   スから取り出した入力信号を増幅するＢ級プッシュプル
   増幅器とを、備えたことを特徴とする電力増幅回路。