JP2009303023A - Electric power amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電力増幅器に関し、例えば、ディジタル電力増幅器(いわゆるスイッチングアンプ)と同様にパルス信号を利用してアナログ信号を増幅する電力増幅器を提供しようとしたものである。 The present invention relates to a power amplifier. For example, the present invention intends to provide a power amplifier that amplifies an analog signal using a pulse signal in the same manner as a digital power amplifier (so-called switching amplifier).
ディジタル電力増幅器(いわゆるスイッチングアンプ)として、2つのスイッチング素子を直列接続した直列回路を1つ又は2つ以上利用し、直列回路のスイッチング素子間の接続点にローパスフィルタを接続し、入力信号をパルス信号(PWM信号やPDM信号)に変換した後、このパルス信号に応じて各スイッチング素子をオンオフし、ローパスフィルタが上述したオンオフによって供給された電流を積分し、入力信号を増幅した出力信号を得て負荷に供給するものがある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来のディジタル電力増幅器においては、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って、ノイズやEMI(電磁妨害)が発生することを避けることができない。 However, in the conventional digital power amplifier, it is unavoidable that noise and EMI (electromagnetic interference) occur due to the switching operation of the switching element.
このノイズやEMIの主な原因は、スイッチング動作に伴い発生する出力波形のリンギングであった(後述する図5(A)参照)。リンギングは、スイッチング素子の出力キャパシタンス(スイッチング素子がFETならばドレイン−ソース間の容量Cds)と、配線パターンや素子内部のボンディング線などにインダクタンスがあることにより発生する。図8に、リンギングの発生メカニズムを図示している。 The main cause of this noise and EMI was ringing of the output waveform generated with the switching operation (see FIG. 5A described later). Ringing occurs due to the inductance of the output capacitance of the switching element (capacitance Cds between the drain and source if the switching element is an FET), the wiring pattern, the bonding line inside the element, and the like. FIG. 8 illustrates the ringing occurrence mechanism.
図8(A)に示すようなスイッチング素子(例えばFET)及び配線パターンを等価的に表すと、コイルLとコンデンサCの直列回路と、コンデンサCに並列にスイッチング素子SWが接続されているものと表すことができる。スイッチング素子SWが開いた状態と閉じた状態のそれぞれのインピーダンスを直流解析的に考えると、図8(B)に示す開いた状態では、コンデンサCが直列に位置するためインピーダンスは∞に見え、図8(C)に示す閉じた状態では、コンデンサCがスイッチング素子SWによりバイパスされているのでコイルLだけが見え、インピーダンスは0に見える。そのため、スイッチ動作を繰り返すスイッチングアンプにおいては、インピーダンス∞と0とを繰り返すことになり、コイルLとコンデンサCとに交互に大きな電流が流れてその過渡現象によりリンギングが発生する。 A switching element (for example, FET) and a wiring pattern as shown in FIG. 8A are equivalently expressed as a series circuit of a coil L and a capacitor C, and a switching element SW connected in parallel to the capacitor C. Can be represented. Considering each impedance in the open state and the closed state of the switching element SW in terms of DC analysis, in the open state shown in FIG. 8B, the capacitor C is located in series, so that the impedance looks like ∞. In the closed state shown in FIG. 8C, only the coil L is visible because the capacitor C is bypassed by the switching element SW, and the impedance appears zero. Therefore, in a switching amplifier that repeats the switching operation, impedances ∞ and 0 are repeated, and a large current flows alternately between the coil L and the capacitor C, and ringing occurs due to the transient phenomenon.
すなわち、スイッチング素子のオンオフ動作によるスイッチングアンブにおいては、リンギングの発生は不可避であった。 That is, ringing is unavoidable in the switching umbe caused by the on / off operation of the switching element.
一方、ディジタル電力増幅器の実施目的はスイッチング動作そのものではなく、入力アナログ信号をパルス信号に変換した上で、パルス信号波形の電圧振幅を効率的に拡大し、ローパスフィルタや負荷に電力を供給して所望の出力を得ることである。効率的に電圧振幅を拡大する方法として、従来のスイッチングアンプでは正負の電源電圧又はGNDの電圧をスイッチング素子のスイッチングにより供給するようにしていた。 On the other hand, the implementation purpose of the digital power amplifier is not the switching operation itself, but it converts the input analog signal into a pulse signal and then efficiently expands the voltage amplitude of the pulse signal waveform to supply power to the low-pass filter and load. To obtain the desired output. As a method for efficiently expanding the voltage amplitude, a conventional switching amplifier supplies a positive or negative power supply voltage or a GND voltage by switching a switching element.
しかし、この方法では、先に述べた理由により、出力に発生するリンギング(及びそれに起因するノイズやEMI)が避けられない。 However, in this method, ringing (and noise and EMI resulting from the ringing) generated in the output cannot be avoided due to the reason described above.
また、スイッチング素子の寄生容量により遅延が発生するために必ずしも理想的に動作しない、スイッチング素子のスイッチング動作により、直列回路を構成する上下のスイッチング素子間に大きな短絡電流が流れ、スイッチング損失と呼ばれる電力損失が発生する。 In addition, it does not necessarily operate ideally because a delay occurs due to the parasitic capacitance of the switching element. The switching operation of the switching element causes a large short-circuit current to flow between the upper and lower switching elements constituting the series circuit, and power called switching loss. Loss occurs.
そのため、スイッチング素子のスイッチング動作を利用しないで電力増幅し、スイッチング素子を適用していたことにより生じていた課題を解決できる電力増幅器が望まれている。 Therefore, there is a demand for a power amplifier that can amplify power without using the switching operation of the switching element and solve the problems caused by applying the switching element.
かかる課題を解決するため、本発明の電力増幅器は、(1)入力アナログ信号をパルス信号に変換する信号処理部と、(2)上記信号処理部から出力されたパルス信号を、高低の電源電圧間の電位差近くまで拡大するようにアナログ増幅するアナログ増幅部と、(3)上記アナログ増幅部から出力されたパルス信号の低域成分を通過させ、上記入力アナログ信号の波形を再現した出力アナログ信号を得るローパスフィルタとを有すること特徴とする。 In order to solve such a problem, a power amplifier according to the present invention includes (1) a signal processing unit that converts an input analog signal into a pulse signal, and (2) a pulse signal output from the signal processing unit that has a high and low power supply voltage. An analog amplifying unit that amplifies the signal so that the potential difference between the analog amplifying unit and the analog signal is enlarged; And a low-pass filter for obtaining.
本発明によれば、パルス信号への変換を行って増幅するが、スイッチング素子のスイッチング動作を用いないので、リンギングに起因するノイズやEMIを発生させず、なおかつ、スイッチング損失をなくすことができる。 According to the present invention, the signal is converted into a pulse signal and amplified. However, since the switching operation of the switching element is not used, noise and EMI due to ringing are not generated, and a switching loss can be eliminated.
(A)第1の実施形態
以下、本発明による電力増幅器の第1の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。第1の実施形態の電力増幅器は、入力信号から変換されたパルス信号をアナログ増幅して、高低の電源電圧の間隔までパルス信号の振幅を増幅して、ローパスフィルタ部や負荷に電力を供給して所望の出力を得るものである。
(A) First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of a power amplifier according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The power amplifier according to the first embodiment analog-amplifies the pulse signal converted from the input signal, amplifies the amplitude of the pulse signal up to the interval between the high and low power supply voltages, and supplies power to the low-pass filter unit and the load. To obtain a desired output.
(A−1)第1の実施形態の構成
図1は、第1の実施形態に係る電力増幅器100の全体構成を示すブロック図である。
(A-1) Configuration of First Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a
図1において、第1の実施形態に係る電力増幅器100は、信号処理部101、アナログ増幅部102、ローパスフィルタ部(LPF部)103、負荷104及び電源部105を有する。第1の実施形態に係る電力増幅器100が、例えば、オーディオアンプとして適用されている場合であれば、入力アナログ信号が音声信号であって負荷104がスピーカである。
In FIG. 1, a
電源部105は、電池を利用したものであっても良く、また、商用電源などの交流電源から形成するものであっても良いが、グランド(GND)電位から所定電位だけ高い高電源電圧Vccと、グランド(GND)電位から上述した所定電位だけ低い低電源電源Vddとを形成し、各部に供給するものである。
The
信号処理部101は、入力アナログ信号のアナログ増幅機能と、入力アナログ信号をパルス信号に変換する機能とを担っている。
The
信号処理部101は、正相のアナログアンプの中心的構成であるオペアンプ141を有している。接地(GND)ベースの入力端子に入力された入力アナログ信号は、抵抗142を介して接地されているオペアンプ141の非反転入力端子に入力される。オペアンプ141の反転入力端子は、抵抗143を介して接地されている。これにより、オペアンプ141の出力端子に、入力アナログ信号をアナログ増幅した正相の増幅信号が得られ、コンパレータ144の比較対象入力端子(+)に入力される。なお、ローパスフィルタ部103の入力端の電圧は、フィードバック回路(オーバーオール帰還回路;例えば、抵抗)152を介して、オペアンプ141の反転入力端子にフィードバックされ、電力増幅器100の全体の性能を向上させるようになされている。
The
三角波発生回路145は、基本周波数が入力アナログ信号の帯域より十分に高い三角波信号を発生するものであり、発生された三角波信号は、コンパレータ144の基準入力端子(−)に入力される。
The triangular
コンパレータ144はそれぞれ、比較対象入力端子への入力信号(増幅された入力アナログ信号)が基準入力端子への入力信号(三角波信号)より大きいときに論理「H」をとり、比較対象入力端子への入力信号が基準入力端子への入力信号以下のときに論理「L」をとるパルス信号を形成するが、アナログ増幅部102には反転出力端子からのパルス信号Vpwmを出力する。すなわち、図1の電力増幅器100では、PWM方式によって入力アナログ信号を変換したパルス信号を形成している。
Each of the
なお、入力アナログ信号からパルス信号への変換方式はPWM方式に限定されず、他の方式(例えば、PDM方式)であっても良い。また、コンパレータ144の非反転出力端子からのパルス信号をアナログ増幅部102に出力するものであっても良く、コンパレータ144からの相補のパルス信号をアナログ増幅部102に出力するものであっても良い。
The conversion method from the input analog signal to the pulse signal is not limited to the PWM method, and may be another method (for example, PDM method). Further, the pulse signal from the non-inverting output terminal of the
アナログ増幅部102は、信号処理部101から出力されたパルス信号Vpwmを、その振幅が高低の電源電圧Vcc及びVdd間の電位差近くまで拡大するようにアナログ増幅して、増幅後のパルス信号V3をローパスフィルタ部103に供給するものである。アナログ増幅部102は、三角波信号と同程度の高周波数を中心とした、直流成分からの広帯域信号(高速信号)であるパルス信号をアナログ増幅するので、そのような高速信号に対応しているものである。アナログ増幅部102は、縦続接続された3段の増幅段201、202、203とフィードバック回路151とを備えてアナログ増幅するものである。各増幅段201、202、203の詳細構成例については後述する。
The analog amplifying
ここで、アナログ増幅部102の出力端の電圧は、フィードバック回路(例えば、抵抗)151を介して、アナログ増幅部102の入力端子にフィードバックされるようになされており、フィードバック回路151の帰還率βが後述するようにアナログ増幅部102の増幅率Gを規定するものとなっている。
Here, the voltage at the output terminal of the analog amplifying
後述するように、アナログ増幅部102からの出力パルス信号は、アナログ増幅部102への入力パルス信号を反転増幅したものとなっているので、フィードバック回路151によって、アナログ増幅部102からの出力パルス信号をアナログ増幅部102の第1段の増幅段(入力回路部)201の非反転入力端子に戻していることは負帰還を掛けていることになる。
As will be described later, the output pulse signal from the analog amplifying
ローパスフィルタ部103は、コイル121及びコンデンサ122の直列回路でなり、コンデンサ122には、負荷104が並列に接続されている。ローパスフィルタ部103においては、アナログ増幅部102の出力パルス信号に応じて流れる充電又は放電電流を、コンデンサ122が積分することにより、コンデンサ122の両端に入力アナログ信号を増幅した電圧信号を得て負荷104に印加するようになされている。言い換えると、ローパスフィルタ部103は、アナログ増幅部102から出力されたパルス信号の高周波成分を取り除くことで入力アナログ信号と同形の波形を再生する。
The low-
なお、負荷104がローパスフィルタ機能を有するものであれば、ローパスフィルタ部103を省略することができる。
If the
図2は、アナログ増幅部102の詳細構成例を示す回路図であり、上述した図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。アナログ増幅部102は、三角波信号と同程度の高周波数を中心とした、直流成分からの広帯域信号であるパルス信号Vpwmを、その振幅が高低の電源電圧Vcc及びVdd間の電位差近くまで拡大するようにアナログ増幅できる構成であれば具体的な構成は問われず、図2に示すものは一例である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a detailed configuration example of the
アナログ増幅部102の第1の増幅段201は入力回路部となっており、第2の増幅段202はドライバ部となっており、第3の増幅段203はアナログバッファ部となっている。入力回路部201は、入力パルス信号Vpwmとフィードバック回路151からの信号を入力して電圧増幅するものである。ドライバ部202は、入力回路部201の差動出力信号を差動入力して電圧増幅してグランド基準の信号に統一し、統一された単一信号を出力するものである。アナログバッファ部203は、ドライバ部202の出力電圧波形を約1倍の電圧増幅率で大きな電流を流せるように増幅するものである。
The
入力回路部201は、一対のNPNトランジスタQ1及びQ2を備える差動増幅構成でなっている。トランジスタQ1及びQ2の共通エミッタは、定電流源I1を介して低電源電圧Vddのラインに接続されている。トランジスタQ1のコレクタは抵抗R1を介して高電源電圧Vccのラインに接続されており、トランジスタQ1のベースに、信号処理部101から出力された、グランド電位をダイナミックレンジの中心としているパルス信号Vpwmが入力されるようになされている。トランジスタQ2のコレクタは抵抗R2を介して高電源電圧Vccのラインに接続されており、トランジスタQ2のベースは接地されている。
The
一般に良く知られているように、差動増幅器(入力回路部201)の出力をVout1−Vout2の差動出力と見た場合、差動入力Vin1−Vin2に対する直流電圧増幅率(いわゆる差動ゲイン)Av1は、(1)式で表される。但し、hfeはトランジスタQ1、Q2の(エミッタ接地における)直流電流増幅率、Rcは抵抗R1、R2の抵抗値、RbはトランジスタQ1、Q2の内部ベース抵抗の抵抗値である。 As is generally well known, when the output of the differential amplifier (input circuit unit 201) is regarded as a differential output of Vout1-Vout2, a DC voltage amplification factor (so-called differential gain) with respect to the differential inputs Vin1-Vin2 Av1 is expressed by equation (1). Here, hfe is the DC current amplification factor (when the emitter is grounded) of the transistors Q1 and Q2, Rc is the resistance value of the resistors R1 and R2, and Rb is the resistance value of the internal base resistors of the transistors Q1 and Q2.
Av1=(Vout1−Vout2)/(Vin1−Vin2)
=−(hfe×Rc)/Rb
=負の定数 …(1)
図2の入力回路部201では、片側が接地されているため、入力パルス信号Vpwmを接地基準で、一定の増幅率で増幅し、符号の反転した信号を差動出力する。
Av1 = (Vout1-Vout2) / (Vin1-Vin2)
=-(Hfe × Rc) / Rb
= Negative constant (1)
In the
なお、トランジスタQ1及びQ2を、直流オフセットが出力に現れるのを抑えるために電界効果トランジスタ(FET)に置き換えるようにしても良い。 The transistors Q1 and Q2 may be replaced with field effect transistors (FETs) in order to suppress a DC offset from appearing in the output.
ドライバ部202は、一対のPNPトランジスタQ3及びQ4を備える差動増幅構成と、一対のNPNトランジスタQ5及びQ6を備えるカレントミラー構成とを組み合わせた差動増幅構成を有する。
The
トランジスタQ3及びQ4の共通エミッタは、抵抗R3を介して高電源電圧Vccのラインに接続されている。トランジスタQ3のコレクタはトランジスタQ5のコレクタに接続され、トランジスタQ3のベースはトランジスタQ1のコレクタに接続されている。トランジスタQ4のコレクタはトランジスタQ6のコレクタに接続され、トランジスタQ4のベースはトランジスタQ2のコレクタに接続されている。 The common emitters of the transistors Q3 and Q4 are connected to the line of the high power supply voltage Vcc via the resistor R3. The collector of the transistor Q3 is connected to the collector of the transistor Q5, and the base of the transistor Q3 is connected to the collector of the transistor Q1. The collector of the transistor Q4 is connected to the collector of the transistor Q6, and the base of the transistor Q4 is connected to the collector of the transistor Q2.
トランジスタQ5及びQ6のベースは互いに接続されている。トランジスタQ5のベース及びコレクタは接続されており、トランジスタQ5のエミッタは抵抗R7を介して低電源電圧Vddのラインに接続されている。トランジスタQ6のエミッタは抵抗R8を介して低電源電圧Vddのラインに接続されている。 The bases of the transistors Q5 and Q6 are connected to each other. The base and collector of the transistor Q5 are connected, and the emitter of the transistor Q5 is connected to the line of the low power supply voltage Vdd via the resistor R7. The emitter of the transistor Q6 is connected to the line of the low power supply voltage Vdd via the resistor R8.
トランジスタQ3及びQ4のそれぞれには、入力回路部201の相補的な差動信号に応じたコレクタ電流が流れる。一方、トランジスタQ5及びQ6のコレクタ電流は等しく、トランジスタQ5のコレクタ電流はトランジスタQ3のコレクタ電流にも等しい。その結果、トランジスタQ4のコレクタとトランジスタQ6のコレクタとの接続点には、トランジスタQ3及びQ4の相補的なコレクタ電流間の差に応じた電圧信号(パルス信号)が生じる。
A collector current corresponding to a complementary differential signal of the
図1に示すように、ドライバ部202への差動入力をVout1及びVout2とし、単一出力をV2としたとき、ドライバ部202に対する負荷抵抗RLを接続したと仮定したときの電圧増幅率Av2は、(2)式で表される。但し、hfeはトランジスタQ3、Q4の直流電流増幅率、hieは入力インピーダンス、RLは負荷抵抗RLの抵抗値である。
As shown in FIG. 1, when the differential input to the
Av2=V2/(Vout1−Vout2)
=(hfe×RL)/hie
=正の定数 …(2)
ドライバ部202は、入力回路部201の出力に対して、一定の増幅率Av2で増幅した出力を得る。入力回路部201の出力は、入力パルス信号の符号を反転したものであったので、入力パルス信号に対して符号を反転したまま、一定の増幅率Av2を乗じた出力となる。
Av2 = V2 / (Vout1-Vout2)
= (Hfe × RL) / hie
= Positive constant (2)
The
アナログバッファ部203は、ローパスフィルタ部103側の電流変化に対して出力電位の変化を抑えると共に、正負両方向の電圧を出力できるようにするために設けられた電力増幅段であり、図2では、コンプリメンタリシングルエンドプッシュプル回路で構成されているものを示している。NチャネルMOS型電界効果トランジスタ(FET)Q7及びPチャネルMOS型電界効果トランジスタQ8は増幅素子として設けられており、互いのソースは接続されている。トランジスタQ7のドレインは高電源電圧Vccのラインに接続されており、トランジスタQ7のゲートは第1のバイアス回路Vb1を介してドライバ部202の出力端(トランジスタQ4のコレクタとトランジスタQ6のコレクタとの接続点)に接続されている。第1のバイアス回路Vb1は、トランジスタQ7の動作点を決定するものであり、ドライバ部202からの出力信号を所定電圧(トランジスタQ7のゲート閾値電圧程度)だけ持ち上げてトランジスタQ7のゲートに印加させ、リニア増幅ができるようにしたものである。トランジスタQ8のドレインは低電源電圧Vddのラインに接続されており、トランジスタQ8のゲートは第2のバイアス回路Vb2を介してドライバ部202の出力端に接続されている。第2のバイアス回路Vb2は、トランジスタQ8の動作点を決定するものであり、ドライバ部202からの出力信号を所定電圧(トランジスタQ8のゲート閾値電圧程度)だけ低下させてトランジスタQ8のゲートに印加させ、リニア増幅ができるようにしたものである。トランジスタQ7及びQ8のソース間の接続点が、ローパスフィルタ部103の入力端に接続されている。
The
プッシュプル回路であるので、入力パルス信号の正の振幅部分をトランジスタQ7が増幅し、入力パルス信号の負の振幅部分をトランジスタQ8が増幅し、これらの出力を足し合わせることで増幅している。コンプリメンタリシングルエンドプッシュプル回路(すなわちアナログバッファ部203)の増幅率Av3はおよそ1倍(正確にはAv3<1である)。 Since it is a push-pull circuit, the transistor Q7 amplifies the positive amplitude portion of the input pulse signal, the transistor Q8 amplifies the negative amplitude portion of the input pulse signal, and amplifies them by adding these outputs. The amplification factor Av3 of the complementary single-end push-pull circuit (that is, the analog buffer unit 203) is about 1 time (precisely, Av3 <1).
なお、トランジスタQ7及びQ8として、バイポーラトランジスタを適用して同様な機能を発揮させるようにしても良い。 Note that bipolar transistors may be used as the transistors Q7 and Q8 to exhibit the same function.
(A−2)第1の実施形態の動作
次に、第1の実施形態に係る電力増幅器100の増幅動作を、図1及び図2に加えて、図3及び図4をも参照しながら説明する。
(A-2) Operation of the First Embodiment Next, the amplification operation of the
入力アナログ信号は、オペアンプ141を中心として構成されたアナログアンプによって正相増幅され、図3(A)に示す増幅後の入力アナログ信号Vsがコンパレータ144の比較対象入力端子に入力される。コンパレータ144の基準入力端子には、三角波発生回路145が発生した、図3(A)に示す三角波信号Vcが入力される。
The input analog signal is positive-phase amplified by an analog amplifier configured around the
これにより、コンパレータ144の反転出力端子からは、図3(B)に示すようなパルス信号Vpwmが出力され、アナログ増幅部102に与えられる。アナログ増幅部102においては、このパルス信号Vpwmが、3段の増幅段201、202、203を介して増幅される(図3(C)〜(E)参照)。アナログ増幅部102によって増幅されたパルス信号V3は、ローパスフィルタ部103に与えられて積分され、入力アナログ信号Vsを増幅した出力アナログ信号Voutに変換され、負荷104に供給される。なお、図3(C)〜(E)に示す各増幅段の出力パルス信号はそれぞれ、フィードバックを掛けていない裸ゲインでその増幅段を用いたときの動作波形を示した説明のための概念図となっている。
As a result, a pulse signal Vpwm as shown in FIG. 3B is output from the inverting output terminal of the
フィードバック回路151を有するアナログ増幅部102の縦続接続された各増幅段201、202、203の裸ゲインをそれぞれ、図4に示すように、また、上述したように、Av1〜Av3とすると(上述した(1)式、(2)式参照)、フィードバック回路151を考慮しない縦続接続部分の裸ゲインAvは、Av1・Av2・Av3となる。フィードバック回路151の帰還率をβとすると、アナログ増幅部102からの出力パルス信号Poutが、この帰還率βが反映された分だけ、アナログ増幅部102の入力側にフィードバックされる。コンパレータ144の反転出力端子から出力されたアナログ増幅部102への入力パルス信号をPinとすると、フィードバック回路151を伴うアナログ増幅部102全体のゲインGは、(3)式で表すことができ、(3)式におけるAv・βが1より十分に大きいとすると、(3)式を(4)式によって近似することができる。
As shown in FIG. 4, the naked gains of the cascaded amplification stages 201, 202, and 203 of the
G=Pout/Pin=Av/(1+Av・β) …(3)
G≒1/β …(4)
(4)式からは、フィードバック回路151を伴うアナログ増幅部102全体のゲインGは、帰還率βだけによって定まることが分かる。アナログバッファ部203の出力素子であるトランジスタQ7及びQ8を飽和(すなわち、スイッチング動作)させずに利用できる条件の一つは、出力が電源電圧未満であることである。従って、重要な設計条件として、アナログ増幅部102の増幅率を、入力パルス信号の振幅が最大値をとるときにも、出力を電源電圧未満とすることが挙げられる。アナログ増幅部102の増幅率の設定は、(4)式に示すように、帰還率βで一意に決まるので、帰還率βを上述した重要な設計条件を満たすうように設定する。すなわち、帰還率βを、アナログ増幅部102への動作電源Vcc及びVddの絶対値|Vcc|及び|Vdd|(=|Vcc|)に対し、(5)式の関係を満たすように設定する。また、アナログ増幅部102の出力パルス信号の振幅が電源電圧に対して低すぎると効率が悪いので、出力パルス信号の振幅を電源電圧に極力近付けることが望ましい。
G = Pout / Pin = Av / (1 + Av · β) (3)
G≈1 / β (4)
From the equation (4), it can be seen that the gain G of the entire
|Pout|=|Pin|/β≪|Vcc| …(5)
(A−3)第1の実施形態の効果
第1の実施形態の電力増幅器によれば、アナログ増幅部102からの出力パルス信号として、図5(B)に示すようなリンギングのない綺麗なパルス波形が得られ、その結果、ローパスフィルタ部103や負荷104も供給される出力にも、リンギングに起因するノイズやEMIも発生しない。
| Pout | = | Pin | / β << | Vcc | (5)
(A-3) Effect of First Embodiment According to the power amplifier of the first embodiment, a beautiful pulse without ringing as shown in FIG. 5B is used as an output pulse signal from the
そのため、第1の実施形態の電力増幅器100を適用した装置やシステムにおいて、ノイズやEMIに対する対策をなくすか軽微なものにできる。例えば、自身に低域フィルタ特性を持つスピーカやモータのような負荷においては、出力のローパスフィルタ部103を省略することができる場合があり、その場合、大幅なコスト削減や小型化を達成することができる。また例えば、リンキングに伴うノイズがなくなるので、スピーカ向けに適用した場合には、S/Nや歪率などのオーディオ性能が向上する。さらに例えば、ノイズに敏感な環境であるために、従来、スイッチングアンプの適用例が少なかった自動車や船舶、航空機などでの利用も可能となる。
Therefore, in the apparatus and system to which the
また、第1の実施形態の電力増幅器100によれば、アナログ増幅部102におけるアナログバッファ部203の出力素子をプッシュプル回路としてスイッチングせずに用いているため、貫通電流も発生せず、スイッチング損失も発生しない。スイッチング損失が存在しないため、特に、入力信号がない場合や、小振幅時の効率を大幅に改善することができる。負荷電力を取り出される機会の少ない適用例、例えば、非常用放送設備や、停止時間の非常に長い移動装置のモータドライバなどに、第1の実施形態の電力増幅器を適用すると、大幅に待機電力を削減することができる。
Further, according to the
従来のディジタル電力増幅機の構成に必須であった、スイッチング素子を駆動するためのドライバが不要になるので、実装が簡単になり小型化に貢献する。 Since the driver for driving the switching element, which is essential for the configuration of the conventional digital power amplifier, is unnecessary, the mounting is simplified and the size is reduced.
また、従来のディジタル電力増幅器では、配線パターンのインダクタンスによりリンギングの大きさが変わってしまうので、パターンの設計が増幅器の性能に直接影響を与えたが、第1の実施形態では、パターン実装による性能への影響が極めて小さ<なるので設計が簡単になる。さらに、従来のディジタル電力増幅器では、リンキング対策として、スナパ回路を負荷するなどして、大きな実装面積が必要であったが、そのような対策回路が不要になるので、実装面積が小さくでき、コストの低減が望まれる。 Further, in the conventional digital power amplifier, the ringing size changes due to the inductance of the wiring pattern, so that the pattern design directly affects the performance of the amplifier. In the first embodiment, the performance by the pattern mounting is used. The design is simple because the impact on the product is extremely small. In addition, conventional digital power amplifiers require a large mounting area, such as by loading a snapper circuit, as a countermeasure against linking. However, since such a countermeasure circuit is not required, the mounting area can be reduced and the cost can be reduced. Reduction is desired.
入力アナログ信号をパルス信号に変換することなくアナログ増幅して負荷に供給する場合と比較すると、アナログ増幅部102からのパルス信号は電源電圧近くの電圧をとる期間が長く、効率良く増幅できている。
Compared to the case where the input analog signal is analog amplified without being converted to a pulse signal and supplied to the load, the pulse signal from the
(B)第2の実施形態
次に、本発明による電力増幅器の第2の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
(B) Second Embodiment Next, a second embodiment of the power amplifier according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図6は、第2の実施形態に係る電力増幅器100Aの全体構成を示すブロック図であり、上述した第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
FIG. 6 is a block diagram showing the overall configuration of the
第2の実施形態に係る電力増幅器100Aも、信号処理部101、アナログ増幅部102A、ローパスフィルタ部103、負荷104及び電源部105を有するが、アナログ増幅部102Aの内部構成だけが第1の実施形態のものと異なっている。
The
第2の実施形態のアナログ増幅部102Aも、入力回路部201、ドライバ部202Aアナログバッファ部203A、及び、フィードバック回路151を有する。入力回路部201及びフィードバック回路151は、第1の実施形態のものと同様である。
The
第2の実施形態のドライバ部202Aは、第1の実施形態の単一信号を出力するものとは異なり、差動出力する構成のものである。
The
第2の実施形態のアナログバッファ部203Aは、差動入力を受け付ける同一素子を用いたシングルエンドプッシュプル回路である。すなわち、第2の実施形態では、コンプリメンタリシングルエンドプッシュプル回路を適用していない。 The analog buffer unit 203A of the second embodiment is a single-end push-pull circuit using the same element that accepts a differential input. That is, the complementary single-end push-pull circuit is not applied in the second embodiment.
アナログバッファ部203Aにおいて、高低の電源電圧Vcc及びVddのライン間には、NチャネルMOS型電界効果トランジスタQ9のドレイン、ソース、NチャネルMOS型電界効果トランジスタQ10のドレイン、ソースがこの順序で直列に接続されている。トランジスタQ9のゲートには、トランジスタQ9のソースとトランジスタQ10のドレインとの接続点の電位からバイアスbias1が加えられ、このゲートに、ドライバ部202Aからの正相のパルス信号が印加されるようになされている。トランジスタQ10のゲートには、低電源電圧Vddからバイアスbias2が加えられ、このゲートに、ドライバ部202Aからの逆相のパルス信号が印加されるようになされている。
In the analog buffer unit 203A, the drain and source of the N-channel MOS field effect transistor Q9 and the drain and source of the N-channel MOS field effect transistor Q10 are connected in series in this order between the lines of the high and low power supply voltages Vcc and Vdd. It is connected. A bias bias1 is applied to the gate of the transistor Q9 from the potential at the connection point between the source of the transistor Q9 and the drain of the transistor Q10, and a positive-phase pulse signal from the
アナログバッファ部203Aの具体的回路は、第1の実施形態と異なるが、アナログバッファ部203Aの機能自体は第1の実施形態と同様であり、ドライバ部202Aの出力電圧波形を約1倍の電圧増幅率で大きな電流を流せるように増幅し、ローパスフィルタ部103に供給する。
The specific circuit of the analog buffer unit 203A is different from that of the first embodiment, but the function of the analog buffer unit 203A is the same as that of the first embodiment, and the output voltage waveform of the
第2の実施形態に係る電力増幅器によっても、第1の実施形態と同様な効果を奏することができる。 The power amplifier according to the second embodiment can achieve the same effects as those of the first embodiment.
(C)第3の実施形態
次に、本発明による電力増幅器の第3の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
(C) Third Embodiment Next, a power amplifier according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図7は、第3の実施形態に係る電力増幅器100Bの全体構成を示すブロック図であり、上述した第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
FIG. 7 is a block diagram showing the overall configuration of the
第3の実施形態に係る電力増幅器100Bは、第1の実施形態に係る電力増幅器100の構成に加え、信号振幅制限部106、電源リップル振幅下限検出回路107及び電源リップル振幅上限検出回路108を有するものである。電源部105は第1の実施形態と同様なもので良いが、この第3の実施形態では、リップル成分を問題としているため、図7にリップル成分の発生源をも図示している。電源部105の構成によっては、リップル成分を生じることを避け得ないことがある。
The
アナログ増幅部102は、一定の振幅のパルス信号である入力信号を電源電圧の間隔近くまで増幅するものであるが、電源電圧がリップルなどの影響により大きく変動すると、帰還率βで定めた増幅率で増幅された出力の振幅よりも割り込んでしまうことがある。出力パルス信号が電源電圧に達した状態は、出力素子が飽和状態(スイッチング動作)であるのと等価であるために、出力に大きなリンギングが現れてしまうことになる。
The
この第3の実施形態は、この問題を解決するために、図7に示すように、信号処理部101とアナログ増幅部102との間に信号振幅制限部106を挿入し、高電源電圧Vccライン上の電源電圧のリップル下限値を検出する電源リップル振幅下限検出回路107と、
低電源電圧Vddライン上の電源電圧のリップル上限値を検出する電源リップル振幅上限検出回路108とから、振幅の制御量を信号振幅制限部106に与え、入力パルス信号Vpwmの振幅を制限して、アナログ増幅部102への出力パルス信号Vpwm’を出力することとした。すなわち、電源電圧にリップルが混入されていても、アナログ増幅部102の出力素子を飽和させないで用いるためには、アナログ増幅部102の出力振幅が電源電圧より低くなるように保てば良く、第3の実施形態で追加した構成要素はこの目的のために機能する。
In the third embodiment, in order to solve this problem, as shown in FIG. 7, a signal
From the power supply ripple amplitude upper
電源電圧が所定電圧Vcc、Vddのときに、最適な電源電圧間隔近くの振幅のパルス信号出力が得られるように設定されているので、高電源電圧が所定電圧Vccから下回ったとき、及び、低電源電圧が所定電圧Vddから上回ったときに、その差分と等しい電圧が出力に現れるように、入力信号の振幅に補正を加えれば良い。アナログ増幅部102は、ゲイン1/β一定の増幅器であり、出力にリップルVrippleに相当する出力補正を加えたいので、入力にはβ・Vripple分だけ振幅制限を加えれば良い。入力パルス信号の振幅を、電源電圧のリップルに比例した振幅制限の補正を加えることで、アナログ増幅部102を飽和させない出力に保つことができる。
When the power supply voltage is the predetermined voltage Vcc, Vdd, the pulse signal output having an amplitude close to the optimum power supply voltage interval is set so that the high power supply voltage falls below the predetermined voltage Vcc, and low When the power supply voltage exceeds the predetermined voltage Vdd, the amplitude of the input signal may be corrected so that a voltage equal to the difference appears in the output. The
しかしながら、パルス信号の振幅を単純に制限すると、負荷104に供給されるエネルギーが減りその分が歪みとして現れることになる。この歪みは、オーバーオールフィードバック回路152により負帰還されて、パルス信号の時間方向への補正量が加えられることで、低減され解決することができる。
However, if the amplitude of the pulse signal is simply limited, the energy supplied to the
第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な効果に加え、電源電圧にリップルが混入されても、その効果を有効に発揮できるという効果を奏することができる。 According to the third embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, even if ripples are mixed in the power supply voltage, it is possible to achieve the effect that the effects can be effectively exhibited.
(D)他の実施形態
本発明の電力増幅器の用途は限定されるものではない。例えば、オーディオアンプに適用できる。また、コンピュータ機器や放送設備などの、スイッチングノイズの影響を嫌う電気設備の電力増幅器に適用して好適である。また、無信号時の電力消費を極力抑えたので、停止時間の非常に長い移動装置のモータドライバや非常用放送設備などの、上記電源が投入されたまま待機時間が長い電力機器の電力増幅器に適用して好適である。
(D) Other Embodiments The use of the power amplifier of the present invention is not limited. For example, it can be applied to an audio amplifier. In addition, the present invention is suitable for application to power amplifiers for electrical equipment that does not like the effects of switching noise, such as computer equipment and broadcasting equipment. In addition, since power consumption during no signal is minimized, it can be used as a power amplifier for power equipment with a long standby time while the power is on, such as motor drivers and emergency broadcasting equipment for mobile devices with very long downtime. It is suitable to apply.
上記第3の実施形態は第1の実施形態の構成にリップルによる悪影響を除去する構成を追加したものであったが、第2の実施形態の構成にリップルによる悪影響を除去する構成を追加するようにしても良い。他の観点でも、各実施形態の技術思想を適宜組み合わせるようにしても良い。 In the third embodiment, the configuration for removing the adverse effect due to the ripple is added to the configuration of the first embodiment. However, the configuration for removing the adverse effect due to the ripple is added to the configuration of the second embodiment. Anyway. From other viewpoints, the technical ideas of the embodiments may be appropriately combined.
上記各実施形態では、信号処理部101から単一のパルス信号を出力するものを示したが、信号処理部101から差動出力のパルス信号を出力すると共に、アナログ増幅部102の入力回路部201として差動入力を取り扱うことができるものを適用しても良い。また、信号処理部101から差動出力のパルス信号を出力する場合には、入力回路部201を省略するようにしても良い。
In each of the above embodiments, the single pulse signal is output from the
特許請求の範囲における「ローパスフィルタ」の用語は、各実施形態のローパスフィルタ部に対応するだけでなく、ローパスフィルタ部が省略され、負荷が有するローパスフィルタの機能に処理を委ねる場合をも該当するものである。 The term “low-pass filter” in the claims corresponds not only to the low-pass filter part of each embodiment, but also to the case where the low-pass filter part is omitted and the processing is left to the function of the low-pass filter of the load. Is.
100、100A、100B…電力増幅器、101…信号処理部、102、102A…アナログ増幅部、103…ローパスフィルタ部(LPF部)、104…負荷、105…電源部、106…信号振幅制限部、107…電源リップル振幅下限検出回路、108…電源リップル振幅上限検出回路、201…入力回路部、202、202A…ドライバ部、203、203A…アナログバッファ部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記信号処理部から出力されたパルス信号を、高低の電源電圧間の電位差近くまで拡大するようにアナログ増幅するアナログ増幅部と、
上記アナログ増幅部から出力されたパルス信号の低域成分を通過させ、上記入力アナログ信号の波形を再現した出力アナログ信号を得るローパスフィルタと
を有すること特徴とする電力増幅器。 A signal processing unit for converting an input analog signal into a pulse signal;
An analog amplifying unit for amplifying the pulse signal output from the signal processing unit so as to expand to near the potential difference between the high and low power supply voltages;
A power amplifier comprising: a low-pass filter that passes through a low-frequency component of the pulse signal output from the analog amplifier and obtains an output analog signal that reproduces the waveform of the input analog signal.
上記電源電圧変動検出部が検出した電源電圧の変動に応じ、上記信号処理部から出力されたパルス信号の振幅を制御して、上記アナログ増幅部へ入力させる信号振幅制限部と
をさらに有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電力増幅器。 A power supply voltage fluctuation detecting section for detecting fluctuations in the power supply voltage to the analog amplification section;
A signal amplitude limiting unit that controls the amplitude of the pulse signal output from the signal processing unit according to the variation in the power supply voltage detected by the power supply voltage variation detection unit and inputs the pulse signal to the analog amplification unit. The power amplifier according to any one of claims 1 to 5.
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