JP2004088431A

JP2004088431A - Class D amplifier

Info

Publication number: JP2004088431A
Application number: JP2002246957A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Taura; 田浦　賢一; Masayuki Tsuji; 辻　雅之; Masayuki Ishida; 石田　雅之
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP3801118B2

Abstract

【課題】従来のＤ級増幅器では電力スイッチ手段の供給電圧に変動がある場合、これに起因する音声出力の歪みが避けられないという問題があった。
【解決手段】デジタル音声信号をデルタシグマ変調手段１に入力し、この出力をＰＷＭ変換手段２によりＰＷＭ信号に変換し、このＰＷＭ信号を電力増幅する電力スイッチ手段３と第１の低域フィルタ４によりＰＷＭ復調を行うＤ級増幅器において、電力スイッチ手段３への供給電圧の変動に起因する出力歪みを、その供給電圧の変動をＡＤ変換手段７により検出し、ＡＤ変換手段７の検出結果に基づきデジタル音声信号を補償する電源変動補償手段６により、デジタル音声信号を予め補償した後、デルタシグマ変調手段１に入力する。
【選択図】　　　　図１A conventional class D amplifier has a problem in that when a supply voltage of a power switch means fluctuates, distortion of audio output due to the fluctuation is unavoidable.
A digital audio signal is input to a delta-sigma modulator, an output of which is converted into a PWM signal by a PWM converter, and a power switch and a first low-pass filter for power-amplifying the PWM signal. In the class D amplifier that performs PWM demodulation, the output distortion caused by the fluctuation of the supply voltage to the power switch means 3 is detected by the AD conversion means 7, and the output distortion is detected based on the detection result of the AD conversion means 7. After the digital audio signal is compensated in advance by the power supply fluctuation compensating means 6 for compensating the digital audio signal, the digital audio signal is input to the delta-sigma modulation means 1.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は音声信号の電力増幅を主目的とするＤ級増幅器の電源変動除去に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より音声信号の電力増幅を高効率・低損失に行うことで機器の小型化を可能とする方式としてＤ級増幅が用いられてきた。また特開平１１−２６１３４７号公報および特開２００１−２９２０４０号公報に示される通り、デジタル化された音声信号を直接パルス幅変調（ＰＷＭ）信号に変換して電力スイッチに導く構成が知られている。更に、このＰＷＭ変換を行うために必要となる再量子化手段による丸め誤差をデルタシグマ変調を用いて低減する手法が知られている。
【０００３】
図１０に従来のＤ級増幅器の構成を示す。図において１はデルタシグマ変調器、２はＰＷＭ変換手段、３は電力スイッチ手段、４は低域フィルタ、５はスピーカ、１０は遅延手段、１１は減算手段、１２は積分手段、１３は再量子化手段である。
【０００４】
以上のように構成された増幅器において、デジタル音声信号は減算手段１１の一方の入力として与えられる。減算手段１１の他の入力には再量子化手段１３からの出力が１サンプル周期の遅延を与える遅延手段１０を通して与えられる。なおここでデジタル音声信号はデルタシグマ変調動作に適するよう予めオーバーサンプルされる。
【０００５】
こうして減算手段１１の出力にはデジタル音声信号入力と１サンプル周期前の再量子化手段１３との誤差が与えられる、積分手段１２ではこの誤差を積分し、これを再量子化手段１３に出力する。
再量子化手段１３では、その出力信号をＰＷＭ変調手段２に与えるに適当な精度、例えば６ビット程度に打ち切る操作を行うものである。このため再量子化手段１３の出力には入力信号と比較した場合、瞬時的には比較的大きな誤差が含まれることとなるが、この誤差は積分手段１２での累積を伴いながら帰還し補償されることにより比較的低周波数の音声信号領域では十分に低減されることとなる。
【０００６】
ＰＷＭ変調手段２では再量子化手段１３の出力に対し、その数値に対応するデューティ比率をもつ波形、即ちＰＷＭ信号を出力する。図１１は入力が６ビットの場合の出力波形の例を示すものである。この例は６ビットで表せる正負対称の数値範囲である−３１から３１までに範囲を限り、波形の１周期を６４分割して、この単位で出力のデューディ比を入力数値に対応して変えるものである。図は数値−３１に対し最小のデューティ比、数値０に対し５０％のデューティ比、数値３１に対し最大のデューティ比の波形をそれぞれ出力する様子を示している。
【０００７】
図１２は電力スイッチ手段３および低域フィルタ４の構成例を示すものであり、３０はタイミング制御手段、３１は電源側スイッチ素子、３２はグラウンド側スイッチ素子、３３はダイオード、３４はダイオード、４０はインダクタ、４１はコンデンサである。ここにタイミング制御手段３０はＰＷＭ変換手段２からの信号を受けて２つのスイッチ素子３１、３２の一方がオンとなる場合他方をオフとするための信号を生成するものであり、またスイッチ素子のターンオン、ターンオフ遅延により２つの素子が同時にオンとなることが無いよう、各スイッチ素子の駆動信号のタイミングを適当に制御するものである。
【０００８】
２つのスイッチ素子３１、３２は効率の良い増幅を行うためＭＯＳ−ＦＥＴなど内部インピーダンスの低いスイッチ素子で構成されるものである。また２つのダイオード３３、３４は低域フィルタ４が誘導性であるために発生する起電力に基づく電流を還流させるためのものである。なおスイッチ素子がＭＯＳ−ＦＥＴである場合、素子内部に寄生的にダイオードが形成されるため図のように外部にダイオードを設けない場合もある。
こうして電力スイッチ手段３は例えばＰＷＭ変換手段２出力が高レベルの期間、電源側スイッチ素子３２をオン、グラウンド側スイッチ素子３３をオフとして出力端子電圧をほぼ電源電位とし、ＰＷＭ信号が低レベルの期間、電源側スイッチ素子３２をオフ、グラウンド側スイッチ素子３３をオンとして出力端子電圧をほぼグラウンド電位とする。
【０００９】
低域フィルタ４は、電力スイッチ手段３の出力を平滑して、その低域成分のみを通過してスピーカ５に与えるものであり、簡便には、図１１に示すようにインダクタ４０およびコンデンサ４１による２次の低域フィルタとすることができる。ＰＷＭ信号はその低域成分を取り出すことで復調可能であるためスピーカ５により元の音声信号が再生されることとなる。
【００１０】
入力ｖｉが−１〜１の範囲でＰＷＭ信号のデューティ比ｄが０〜１となる。即ち、
ｄ＝０．５＋０．５・ｖｉ　　　　　　　　・・・（１）
の関係にあるとする。
このとき、ＰＷＭ信号のデューティ比をｄとし電力スイッチ手段３の電源電圧をＶｓｕｐとするとき低域フィルタの出力電圧Ｖｏは、

である。このとき出力される音声信号成分はｖｏｔとなる。
ここでｖｏｔは、
ｖｏｔ＝Ｖｓｕｐ・ｖｉ／２　　　　　　　　・・・（３）
となり、入力信号ｖｉと電力スイッチ手段３の電源電圧Ｖｓｕｐに比例するものとなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明のようにＤ級増幅器の音声信号出力は電力スイッチ手段の電源電圧に直接比例するものとなるため、Ｄ級増幅器で歪み無く増幅動作を行うためには電源電圧の変動を厳しく抑制する必要があった。このために電源の安定化を行おうとする場合、この部分での電力損失が避けられず、Ｄ級増幅器の利点である高効率・小型という特長を損なうものであった。また、これは電源電圧の変動が大きく、他の機器からの可聴周波数帯ノイズが重畳しやすい、自動車用の音響機器に適用する場合には特に大きな問題であった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる請求項１のＤ級増幅器は、デジタル音声信号を入力とする電源変動補償手段と、この電源変動補償手段出力に接続されるデルタシグマ変調手段と、このデルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段とを備え、前記電源変動補償手段がＡＤ変換手段の出力を受けて電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２のＤ級増幅器は、請求項１に記載のＤ級増幅器において、電源変動補償手段が、遅延補償手段と、補償係数演算手段と、補償係数演算手段の出力をデジタル音声信号に乗ずる第１の乗算手段とを備えて構成されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３のＤ級増幅器は、請求項２に記載のＤ級増幅器において、遅延補償手段が入力信号に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段とを備えて構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４のＤ級増幅器は、請求項１乃至３に記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、第１および第２のＡＤ変換器の出力を加算する加算器を備えて構成されることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５のＤ級増幅器は、請求項２および３に記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、加算器を備え、第１のＡＤ変換器出力が遅延補償手段に与えられ、遅延補償手段の出力と第２のＡＤ変換器出力が加算器にて加算され、その出力が補償係数演算手段に与えられるよう構成されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６のＤ級増幅器は、請求項２、４および５に記載のＤ級増幅器において、遅延補償手段が入力信号のサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段と、この出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段とを備えて構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７のＤ級増幅器は、デジタル音声信号を入力とするデルタシグマ変調手段と、デルタシグマ変調手段出力に接続されるＰＷＭ変換手段と、このＰＷＭ変換手段出力を電力増幅する電力スイッチ手段と、電力スイッチ手段に接続されＰＷＭ復調を行う第１の低域フィルタと、電力スイッチ手段への供給電圧を検出するＡＤ変換手段と、遅延補償手段と、正規化演算手段とを備え、前記デルタシグマ変調手段が減算手段と、積分手段と、再量子化手段と、遅延手段と、第２の乗算手段とを備えて構成され、第２の乗算手段が遅延手段から出力される帰還信号に対し前記正規化係数演算手段の出力を乗算して減算手段に与えることで電力スイッチ手段への供給電圧の変動に起因して第１の低域フィルタの出力音声信号に発生する歪みを補償するものであることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８のＤ級増幅器は、請求項７に記載のＤ級増幅器において、遅延補償手段が入力信号に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を備えて構成されることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９のＤ級増幅器は、請求項７および８に記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、第１および第２のＡＤ変換器の出力を加算する加算器を備えて構成されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１０のＤ級増幅器は、請求項７乃至９に記載のＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段が高域フィルタと、これに接続される第１のＡＤ変換器と、第２の低域フィルタと、これに接続される第２のＡＤ変換器と、加算器を備え、第１のＡＤ変換器出力が遅延補償手段に与えられ、遅延補償手段の出力と第２のＡＤ変換器出力が加算器にて加算され、その出力が補償係数演算手段に与えられるよう構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１１のＤ級増幅器は、請求項７、９および１０に記載のＤ級増幅器において、遅延補償手段が入力信号のサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段と、この出力に対し１階もしくは複数階の差分信号を形成する１つもしくは複数の差分形成手段と、この差分形成手段の出力にそれぞれ定係数を乗ずる１つもしくは複数の係数乗算手段と、奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を備えて構成されることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
先に説明のとおり、音声信号出力ｖｏｕｔは電力スイッチ手段３の電源電圧Ｖｓｕｐに直接比例することとなる。いまＶｓｕｐを電源の定格電圧Ｖｎｏｍと変動成分Ｖｒｐｌとに分けて考える。つまり
Ｖｓｕｐ＝Ｖｎｏｍ＋Ｖｒｐｌ　　　　　　・・・（４）
とするとき、

となる。ここにｖｏｎは電力スイッチ手段３の電源電圧がＶｎｏｍに固定されており変動が無い場合の理想的な出力である。
【００２４】
従って、入力音声信号ｖｉに対する補償によりｖｏｎを得るためには、式（５）の括弧内の値を打ち消す、即ちｖｉに（Ｖｎｏｍ／Ｖｓｕｐ）の値を掛けてやれば良いことが分かる。
【００２５】
実施の形態１．
図１にこの発明の第一の実施形態に係る装置のブロック図を示す。図において１はデルタシグマ変調手段、２はＰＷＭ変換手段、３は電力スイッチ手段、４は第１の低域フィルタ、５はスピーカ、６は補償手段、７はＡＤ変換手段、２０は遅延補償手段、２１は補償係数演算手段、２２は第１の乗算手段である。ここに１〜５および１０〜１３は従来と同等のものであり、従来と同様の動作を行うものである。
【００２６】
このように構成されたＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段７は電力スイッチ手段３に与えられる電源電圧をデジタル信号に変換して、補償手段６に対し出力する。補償手段６では先ず遅延補償手段２０により、電源変動情報のＡＤ変換手段７やＰＷＭ変換手段における時間的な遅延を補償した後、補償係数演算手段２１にてＶｎｏｍ／Ｖｓｕｐの補償係数を求め、これを第１の乗算手段２２にて入力信号に乗ずる。
【００２７】
先に説明のとおり、以上により理想的には電源変動Ｖｒｐｌによる影響を完全に排除することができるはずである。しかしながら、このためには、電力スイッチ手段３の電源電圧の変動に対し同じタイミングで電力スイッチ手段３の入力信号が補償されなければならない。実際にはＡＤ変換手段７での一定の時間遅延があり、ＰＷＭ変換手段でもデータ変換のための一定の時間遅延がある。
【００２８】
このため、これらの遅延時間に対する補償なしに、電源変動の補償を行っても効果は限定されたものとなる。よって本発明構成は、遅延補償手段２０を備えることにより、時間遅延の影響を排除して効果的に歪み補償を行うものである。図２は遅延補償手段２０の処理内容の例を示すブロック図であり、２００、２０４、２０８、２１２および２１６は１サンプル遅延、２０１、２０３、２０５、２０７、２０９、２１１、２１３、２１５、２１７および２１９は減算処理、２０２、２０６、２１０、２１４および２１８は係数乗算処理である。
【００２９】
ここに２００と２０１は１階の差分形成手段を、２０４と２０５は２階の差分形成手段を、２０８と２０９は３階の差分形成手段を、２１２と２１３は４階の差分形成手段を、２１６と２１７は５階の差分形成手段を構成し、２０３、２０７、２１１、２１５および２１９は奇数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号から減算し、偶数階差分信号に対する係数乗算手段出力を入力信号に加算するよう構成される総和形成手段を構成する。
【００３０】
図３は、図２に示す遅延補償手段２０の効果を示すグラフであり、図４に示す遅延補償モデルによりその動作シミュレーションを行ったものである。図４において、５００はサンプリング周波数を７００ｋＨｚとして任意の周波数の正弦波データを出力するテスト信号発生処理、５０１は３サンプル遅延処理、２０は図２に示す遅延補償処理であり、５０２は元のテスト信号と遅延補償手段２０の出力との差を求める減算処理である。
【００３１】
こうして図３は、テスト信号の周波数を横軸に、減算処理５０２出力ｖｅｒｒと元の信号ｖｔｅｓｔとのレベル比をデシベル（ｄＢ）表記にて縦軸にとっている。図中１０００は比較のため遅延補償を行わない場合、即ち係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８に与える係数をすべて０とした場合の特性である。この特性から３サンプル遅延処理５０１の影響により誤差が大きく、電源変動の補償を遅延補償なしで行おうとしても、その効果が小さいことが分かる。
【００３２】
また特性１００１〜１００５は係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８に与える有効な係数の数を変えた場合のものである。特性１００５は係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８の各係数を３、６、１０、１５および２１とした例を示す。特性１００４では前記係数の内、係数乗算処理２１８の係数を０とし、特性１００３では係数乗算処理２１４および２１８の係数を０とした例である。同様に１００２および１００１も順次有効な係数を減らしテストしたものである。
【００３３】
この結果より、遅延補償処理２０を用いることにより、遅延に伴う誤差を効果的に補償でき、各種モータの駆動やパッシングランプ駆動などに伴う比較的高い周波数の電源変動成分がある場合にもその効果除去効果を保ち得ることが明かである。
【００３４】
また図２では、入力信号に対し５階までの差分を求め処理を行う構成を示したが必要とされる電源変動補償の精度に応じて、その構成を変化することができる。例えば３階までの差分を用いる構成では図中２１１〜２１８の構成要素は不要となる。また更に構成要素を増して６階以上の差分を用いる構成とすることもできる。
【００３５】
以上説明において、電源変動の検出から、これに基づきデジタル音声信号に対して行う補償の効果が電力スイッチ手段３の入力に現れるまでの時間、つまり図１においては、ＡＤ変換手段７、補償係数演算手段２１、第１の乗算手段２２、デルタシグマ変調手段１およびＰＷＭ変換手段２の各信号処理に伴う遅延の総量を３サンプル期間と想定し、その遅延を補償する場合の例を示したが、補償する遅延時間が異なる場合にも同様に補償が可能である。但しこの場合、係数乗算処理２０２、２０６、２１０、２１４および２１８の各係数を、その遅延時間に応じて変更する必要がある。また遅延時間が大きくなる場合、図３の特性は周波数軸に対し左にシフトするため、同じ遅延補償の効果を得ようとする場合、使用する差分の階数を増してゆくことが必要となり、構成が複雑化するとともに、補正誤差としての高周波成分が出力に大きく現れることとなる。
【００３６】
よって、前記各信号処理に伴う遅延の総量をできる限り小さく抑えることが効果的な補償を行う上で望ましい。
【００３７】
図５は、補償係数演算手段２１の処理内容を示すブロック図であり、２１０は除算処理である。補償係数演算処理はＶｎｏｍ　／　Ｖｓｕｐの演算を行うものであり、遅延補償手段２０からは、その情報が電力スイッチに達する時点でＶｓｕｐと一致するよう補償されたデータが与えられるから、ここでの処理は定数Ｖｎｏｍを被除数とする除算処理となる。
【００３８】
こうして、この補償係数演算手段２１の出力を、乗算手段２２により音声信号データに乗ずることにより、電力スイッチ手段３の電源電圧に含まれる変動成分Ｖｒｐｌの影響を除くことで、電源の安定化を簡易化することが可能となり、構成が簡易、高効率・小型、且つ低歪みの増幅器を構成することが可能となる。
【００３９】
実施の形態２．
実施の形態１においては、ＡＤ変換手段７の変換速度と変換精度は必要な性能を満足することを前提に特に言及していない。しかしながら、実際には補償すべき遅延時間をできる限り小さくし、数サンプル時間以内にしないと遅延補償処理２０の実現が実際上困難となる。そのためには、ＡＤ変換手段７の変換速度は３００キロサンプル毎秒〜１．４メガサンプル毎秒程度が、また、変換精度は電源変動に対する補償精度を誤差０．１％以下とする場合、少なくとも誤差０．１％以下、分解能１０ｂｉｔ以上が必要となる。これらの仕様は、現在実現困難なものではないが、その回路規模が大きなものとなるため経済的ではない。
【００４０】
図６は、ＡＤ変換手段７をより経済的に実現するための構成を示すものであり、７０は高域フィルタ、７１は第１のＡＤ変換器、７２は第２の低域フィルタ、７３は第２のＡＤ変換器、７４は加算手段である。
【００４１】
図６では、入力に与えられる電力スイッチ手段３の電源電圧は、高域フィルタ７０および第２の低域フィルタ７３により、可聴周波数以下の周波数を境として、可聴周波電源変動成分と、超低周波成分を含む直流成分とに分離され、第１のＡＤ変換器７１および第２のＡＤ変換器７３とにより別個にＡＤ変換され、その結果の出力が加算手段７４にて加算出力される。
【００４２】
以上の構成において、例えば第１のＡＤ変換器７１に入力される可聴周波電源変動成分を定格電圧の＋／−１０％とする。これはＤ級増幅器の使用される多くの場合に無理のない仮定である。この条件において第１のＡＤ変換器７１の変換入力範囲は、ＡＤ変換を１個のＡＤ変換器で行う場合の変換入力範囲に対し、約０．１８（＝０．２　／　１．１）倍となる。このため所要の変換精度（または分解能）は約２ｂｉｔ以上低減されることとなる。
【００４３】
一方、第２の低域フィルタ７２を通過する超低周波成分を含む直流成分は、図３の遅延補償なしの特性１０００からも明らかなとおり、信号の周波数が低くなるほど遅延の影響を受けにくくなる。そのため、第２のＡＤ変換器７３については変換遅延時間に関する要求は、ＡＤ変換を１個のＡＤ変換器で行う場合に比べ緩くすることができる。
【００４４】
なお図６の構成では、第１のＡＤ変換器７１および第２のＡＤ変換器７３の出力の和を遅延補償手段２０に与えて遅延補償を行うようにしたが、低速ＡＤ変換手段７３の出力は超低周波成分を含む直流成分であるので、元来遅延補償の必要性は小さい。
【００４５】
このため図７は遅延補償を第１のＡＤ変換器７１の出力についてのみ行う構成を示すものである。図において７０〜７３の動作は既に説明のとおりであり、遅延補償手段２０に対し第１のＡＤ変換器７１の出力のみが与えられ、加算手段７４ではこの遅延補償手段２０の出力と第２のＡＤ変換器７３の出力が加算されて補償係数演算手段２１に対し出力される。
【００４６】
以上のように、第１のＡＤ変換器７１の分解能、即ち出力のビット幅を２ビット強程度小さくでき、遅延補償手段２０に要求される演算の精度もこれに伴い小さくなるので、その実現が容易となる。そのため、Ｄ級増幅器の経済的な構成に寄与するものとなる。
【００４７】
実施の形態３．
図８は遅延補償手段２０の別の実現形態を示すものである。図において２３０は図２をもって先に説明した遅延補償を行う遅延補償処理部であり、２４０は、遅延補償処理において強調されるノイズを予め低減するノイズ低減フィルタである。この様な構成を採る理由は、遅延補償処理部２３０が、図のとおり基本構造として信号の１サンプル期間の差分をとり、これに１を越える係数を掛けて元の信号に加えるものであるため、入力信号に不要なノイズがある場合、その高域成分ほど強調されて出力に現れることとなり、目的とする電源変動の補償に悪影響を与えるためである。
【００４８】
特にサンプリング周波数ｆｓの１／２周波数付近のノイズ成分については差分の階数が上がる毎にそのレベルがほぼ２倍となるため、その影響が深刻である。このためノイズ低域フィルタ２４０はｆｓ／２に伝送零点を持つようなフィルタであることが望まれる。またこのフィルタによる群遅延時間はやはり、遅延補償手段２０において補償すべき時間に加算されることとなる。この時間が大きくなる程、補償は困難となるためノイズ低域フィルタ２４０における遅延はできる限り小さいことが望まれる。
【００４９】
図８にはノイズ低域フィルタ２４０の構成例を同時に示している。図において２４１は１サンプル遅延処理、２４２および２４３は定係数乗算処理、２４４は加算処理である。なお定係数乗算処理２４２および２４３はいずれも入力に対し０．５の係数を乗算するものである。この構成のノイズ低減フィルタ２４０はｆｓ／２に伝送零点をもち、１／２サンプル時間の遅延を与えるものであり、前記の条件に合致するものとなる。
【００５０】
実施の形態４．
図９は本発明の実施の形態４を示すブロック構成図である。図において、１はデルタシグマ変調手段、２はＰＷＭ変換手段、３は電力スイッチ手段、４は第１の低域フィルタ、５はスピーカ、７はＡＤ変換手段、１０は遅延手段、１１は減算手段、１２は積分手段、１３は再量子化手段、１４は第２の乗算手段、２０は遅延補償手段、３０は正規化手段である。ここに１〜５および１０〜１３は従来と同等のものであり、従来と同様の動作を行うものである。
【００５１】
このように構成されたＤ級増幅器において、ＡＤ変換手段７により検出された電力スイッチ手段３への供給電圧は、遅延補償手段２０および正規化手段３０を通して、第２の乗算手段１４の一方の入力に与えられる。正規化手段３０は電力スイッチ手段３への供給電圧Ｖｓｕｐを表す入力データに対し、電力スイッチ手段３への供給電圧の定格値もしくは平均値Ｖｎｏｍを表す値の逆数を乗じて、Ｖｓｕｐ　／　Ｖｎｏｍを表す数値データを出力するものである。
【００５２】
ここで第２の乗算手段１４はデルタシグマ変調手段１の帰還路に組み込まれており、そのもう一方の入力には再量子化手段１３からの帰還信号が遅延手段１０を通して与えられる。このように変形されたデルタシグマ変調手段１では、第２の乗算手段１４の出力の低周波音声信号成分がデジタル音声信号入力と実質的に等しくなるよう帰還動作が行われ、ノイズ低減作用が行われることとなる。
【００５３】
ここで第２の乗算手段１４は遅延手段１０からの帰還信号に対し、Ｖｓｕｐ　／　Ｖｎｏｍを乗ずるものであるから、このデルタシグマ変調手段１の作用は、これが乗算された結果をデジタル音声信号入力と実質的に等しくなるようにするものとなる。これは遅延手段１０の出力、従って再量子化手段１３の出力が元のデジタル音声信号に対し実質的にＶｎｏｍ　／　Ｖｓｕｐを乗じたものとなることを意味する。
【００５４】
電力スイッチ手段３における電源変動の作用は式（５）で示すとおり、電源変動の無い理想的な出力ｖｏｎに対しＶｓｕｐ　／　Ｖｎｏｍを乗ずるものであるから、デルタシグマ変調手段１において実質的にＶｎｏｍ　／　Ｖｓｕｐを乗算する作用は予め電力スイッチ手段３における電源変動の影響を補償するものとなる。
【００５５】
なお以上の説明では便宜上、電源変動のタイミングの一致については述べていないが電力スイッチ手段３における電源変動の影響が、ＡＤ変換手段７、ＰＷＭ変換手段２などの時間遅延に先行して第２の乗算処理１４において補償されるべきことは、実施の形態１にて説明のとおりであり、このために遅延補償手段２０を備えることが効果を発揮する。
【００５６】
ここで本実施の形態４ではＡＤ変換手段７で検出されたＶｓｕｐデータに対する補償のための演算、即ち正規化手段３０での処理が単に１／Ｖｎｏｍを乗ずるという乗算処理となる。Ｖｎｏｍは通常、固定値であるため１／Ｖｎｏｍもまた固定値となる。このため実施の形態１の補償係数演算手段２１の処理、つまりＶｎｏｍを変数Ｖｓｕｐで除することに比べ実現が容易となる利点がある。
【００５７】
なお本実施の形態をとる場合においても、図６および図７に示すＡＤ変換手段７および遅延補償手段２０の異なる構成方法を採ることができる。更に図２および図８に示す遅延補償手段２０の異なる構成方法をそれぞれ採ることができることは明らかである。
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５８】
この発明の請求項１のＤ級増幅器は、電源の供給電圧変動に起因して電力スイッチ手段において発生する音声信号歪みを低減するため、電源変動補償手段により予め入力音声信号に対し電源変動分を補償するようにしたので、電力損失の少ない電源を使用することができ、小型、高効率、低歪み、且つ安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【００５９】
また、請求項２のＤ級増幅器は、電源変動補償手段において、電源変動の検出および増幅器動作に伴う時間遅延を補償するようにしたので、電力スイッチ手段の電源変動に起因する音声信号歪みを効果的に低減することができる。
【００６０】
また、請求項３のＤ級増幅器は、時間遅延を効果的に補償する遅延補償手段を簡便な構成で実現できる。
【００６１】
また、請求項４のＤ級増幅器は、電力スイッチ手段の供給電圧を検出するＡＤ変換手段を可聴周波数電源変動成分検出用の第１のＡＤ変換器と超低周波成分を含む直流成分検出用第２のＡＤ変換器に分離したので、高速サンプルが要求される第１のＡＤ変換器の分解能を下げることができ、安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【００６２】
また、請求項５のＤ級増幅器は、電力スイッチ手段の供給電圧を検出するＡＤ変換手段を可聴周波数電源変動成分検出用の第１のＡＤ変換器と超低周波成分を含む直流成分検出用第２のＡＤ変換器に分離したので、高速サンプルが要求される第１のＡＤ変換器の分解能を下げることができ、また、第１のＡＤ変換器の出力だけを遅延補償手段で補償するようにしたので、更に安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【００６３】
また、請求項６のＤ級増幅器は、遅延補償手段において、差分形成手段の差分階数が上がるたびに約２倍になるサンプリング周波数の１／２周波数付近のノイズ成分をサンプリング周波数の１／２周波数に伝送零点をもつノイズ低減フィルタ手段により除去するようにしたので、時間遅延を効果的に補償すると同時に、これによるノイズ発生を抑えるための簡便な構成を与えるため電力スイッチ手段の電源変動に起因する音声信号歪みを効果的に低減したＤ級増幅器を提供することができる。
【００６４】
また、請求項７乃至１１のＤ級増幅器は、電力スイッチ手段の供給電圧変動に対する補償手段をデルタシグマ変調手段の帰還路に入れることで信号処理の負荷を軽減し、安価なＤ級増幅器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１乃至３のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１および２の遅延補償手段の構成例を示すブロック図である。
【図３】遅延補償手段の効果の一例を示す図である。
【図４】遅延補償手段の動作シミュレーションブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１乃至３の補償係数演算手段の構成例を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態２のＡＤ変換手段の構成例を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２のＡＤ変換手段および遅延補償手段の構成例を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態３の遅延補償手段の構成例を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態４のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図１０】従来のＤ級増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図１１】ＰＷＭ変換手段の動作を説明するための図である。
【図１２】電力スイッチ手段および低域フィルタの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　デルタシグマ変調手段、２　ＰＷＭ変換手段、３　電力スイッチ手段、４低域フィルタ、５　スピーカ、６　補償手段、７　ＡＤ変換手段、１０　遅延手段、１１　減算手段、１２　積分手段、１３　再量子化手段、１４　第２の乗算手段、２０　遅延補償手段、２１　補償係数演算手段、２２　第１の乗算手段。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to power supply fluctuation removal of a class D amplifier whose main purpose is to amplify power of an audio signal.
[0002]
[Prior art]
Hitherto, class D amplification has been used as a method for performing power amplification of audio signals with high efficiency and low loss, thereby enabling downsizing of devices. Further, as disclosed in JP-A-11-261347 and JP-A-2001-292040, a configuration is known in which a digitized audio signal is directly converted into a pulse width modulation (PWM) signal and guided to a power switch. . Further, there is known a method of reducing the rounding error due to the requantization means required for performing the PWM conversion by using delta-sigma modulation.
[0003]
FIG. 10 shows a configuration of a conventional class D amplifier. In the figure, 1 is a delta-sigma modulator, 2 is a PWM converter, 3 is a power switch, 4 is a low-pass filter, 5 is a speaker, 10 is a delay, 11 is a subtractor, 12 is an integrator, and 13 is a requantizer. Means.
[0004]
In the amplifier configured as described above, the digital audio signal is provided as one input of the subtraction means 11. The other input of the subtraction means 11 receives the output from the requantization means 13 through the delay means 10 which gives a delay of one sample period. Here, the digital audio signal is oversampled in advance so as to be suitable for the delta-sigma modulation operation.
[0005]
In this way, an error between the digital audio signal input and the requantization means 13 one sample cycle earlier is given to the output of the subtraction means 11. The integration means 12 integrates this error and outputs it to the requantization means 13. .
The requantization means 13 performs an operation of truncating the output signal to an appropriate precision, for example, about 6 bits so as to be given to the PWM modulation means 2. For this reason, when compared with the input signal, the output of the requantization means 13 instantaneously contains a relatively large error. This error is fed back while being accumulated by the integration means 12 and compensated. As a result, the signal is sufficiently reduced in the audio signal region of a relatively low frequency.
[0006]
The PWM modulator 2 outputs a waveform having a duty ratio corresponding to the numerical value, that is, a PWM signal, in response to the output of the requantizer 13. FIG. 11 shows an example of an output waveform when the input is 6 bits. This example limits the range from -31 to 31, which is a positive / negative symmetric numerical value range that can be represented by 6 bits, divides one cycle of the waveform into 64, and changes the output duty ratio in this unit according to the input numerical value. It is. The figure shows how to output a waveform with a minimum duty ratio for a numerical value of -31, a duty ratio of 50% for a numerical value of 0, and a maximum duty ratio for a numerical value of 31.
[0007]
FIG. 12 shows a configuration example of the power switch means 3 and the low-pass filter 4. Reference numeral 30 denotes timing control means, 31 denotes a power supply side switch element, 32 denotes a ground side switch element, 33 denotes a diode, 34 denotes a diode, and Is an inductor, and 41 is a capacitor. Here, the timing control means 30 receives the signal from the PWM conversion means 2 and generates a signal for turning off one of the two

switch elements

31 and 32 when the other is turned on. The timing of the drive signal of each switch element is appropriately controlled so that the two elements are not simultaneously turned on by the turn-on and turn-off delays.
[0008]
The two

switch elements

31 and 32 are composed of switch elements having a low internal impedance such as a MOS-FET for efficient amplification. The two

diodes

33 and 34 are for returning a current based on the electromotive force generated because the low-pass filter 4 is inductive. When the switch element is a MOS-FET, a diode is formed parasitically inside the element, so that an external diode may not be provided as shown in the figure.
In this way, the power switch means 3 turns on the power supply side switch element 32 and turns off the ground side switch element 33 during the period when the output of the PWM conversion means 2 is at a high level, and sets the output terminal voltage to approximately the power supply potential, while the PWM signal is at a low level. Then, the power supply-side switch element 32 is turned off and the ground-side switch element 33 is turned on, and the output terminal voltage is set to substantially the ground potential.
[0009]
The low-pass filter 4 smoothes the output of the power switch means 3 and passes only the low-frequency component to the loudspeaker 5. The low-pass filter 4 simply includes an inductor 40 and a capacitor 41 as shown in FIG. It can be a second-order low-pass filter. Since the PWM signal can be demodulated by extracting its low-frequency component, the original audio signal is reproduced by the speaker 5.
[0010]
When the input vi is in the range of -1 to 1, the duty ratio d of the PWM signal is 0 to 1. That is,
d = 0.5 + 0.5 · vi (1)
Let's say that
At this time, when the duty ratio of the PWM signal is d and the power supply voltage of the power switch means 3 is Vsup, the output voltage Vo of the low-pass filter is:

It is. The audio signal component output at this time is vot.
Where vot is
vot = Vsup · vi / 2 (3)
Which is proportional to the input signal vi and the power supply voltage Vsup of the power switch means 3.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, since the audio signal output of the class D amplifier is directly proportional to the power supply voltage of the power switch means, it is necessary to severely suppress the fluctuation of the power supply voltage in order to perform the amplification operation without distortion in the class D amplifier. was there. For this reason, when stabilizing the power supply, power loss in this part is unavoidable, which impairs the advantages of the class D amplifier such as high efficiency and small size. This is a particularly serious problem when applied to audio equipment for automobiles, in which the power supply voltage fluctuates greatly and audible frequency band noise from other equipment is likely to be superimposed.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a class D amplifier, wherein a power supply fluctuation compensating means for inputting a digital audio signal, a delta-sigma modulation means connected to an output of the power fluctuation compensation means, and a connection to the output of the delta-sigma modulation means. PWM converting means, power switching means for amplifying the power of the output of the PWM converting means, a first low-pass filter connected to the power switching means for performing PWM demodulation, and an AD for detecting a voltage supplied to the power switching means. Conversion means, wherein the power supply fluctuation compensation means receives the output of the A / D conversion means and compensates for distortion generated in the output audio signal of the first low-pass filter due to the fluctuation of the supply voltage to the power switch means. Characterized in that:
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the class D amplifier according to the first aspect, the power supply fluctuation compensating means converts the output of the delay compensating means, the compensation coefficient computing means, and the compensation coefficient computing means into a digital audio signal. And a first multiplying means for multiplication.
[0014]
A class D amplifier according to claim 3 is the class D amplifier according to claim 2, wherein the delay compensating means includes one or a plurality of difference forming means for forming a first-order or plural-order difference signal with respect to the input signal. One or more coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient, subtracting the output of the coefficient multiplying means for the odd-order difference signal from the input signal, and inputting the output of the coefficient multiplying means for the even-order difference signal And a sum forming means configured to be added to the signal.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the class D amplifier according to any one of the first to third aspects, the AD conversion means includes a high-pass filter, a first AD converter connected to the high-pass filter, and a second low-pass filter. It is characterized by comprising a bandpass filter, a second AD converter connected to the bandpass filter, and an adder for adding outputs of the first and second AD converters.
[0016]
A class D amplifier according to claim 5 is the class D amplifier according to

claims

2 and 3, wherein the AD conversion means is a high-pass filter, a first AD converter connected to the high-pass filter, and a second low-pass filter. And a second AD converter connected thereto, and an adder. An output of the first AD converter is provided to the delay compensator, and an output of the delay compensator and an output of the second AD converter are provided. Are added by an adder, and the output is provided to a compensation coefficient calculating means.
[0017]
A class D amplifier according to claim 6 is the class D amplifier according to

claims

2, 4 and 5, wherein the delay compensating means is a noise reduction filter means having a transmission zero at a half frequency of the sampling frequency of the input signal. One or more difference forming means for forming one or more order difference signals with respect to the output, one or more coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient, respectively, A summation means configured to subtract the output of the coefficient multiplication means for the difference signal from the input signal and to add the output of the coefficient multiplication means for the even-order difference signal to the input signal.
[0018]
Further, the class D amplifier according to claim 7 is a delta-sigma modulating means for inputting a digital audio signal, a PWM converting means connected to an output of the delta-sigma modulating means, and a power switch means for power-amplifying the output of the PWM converting means. A first low-pass filter connected to the power switch for performing PWM demodulation, an AD converter for detecting a supply voltage to the power switch, a delay compensator, and a normalization calculator; The sigma modulation means includes a subtraction means, an integration means, a requantization means, a delay means, and a second multiplication means, and the second multiplication means is adapted for a feedback signal output from the delay means. By multiplying the output of the normalization coefficient calculation means and providing the result to the subtraction means, distortion generated in the output sound signal of the first low-pass filter due to the fluctuation of the supply voltage to the power switch means can be reduced. Characterized in that it is intended to amortization.
[0019]
The class D amplifier according to claim 8 is the class D amplifier according to claim 7, wherein the delay compensating means includes one or more difference forming means for forming a first-order or plural-order difference signal with respect to the input signal. One or more coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient, subtracting the output of the coefficient multiplying means for the odd-order difference signal from the input signal, and inputting the output of the coefficient multiplying means for the even-order difference signal It is characterized in that it comprises a sum forming means configured to be added to the signal.
[0020]
The class D amplifier according to claim 9 is the class D amplifier according to claims 7 and 8, wherein the AD conversion means is a high-pass filter, a first AD converter connected to the high-pass filter, and a second low-pass filter. It is characterized by comprising a bandpass filter, a second AD converter connected to the bandpass filter, and an adder for adding outputs of the first and second AD converters.
[0021]
A class D amplifier according to claim 10 is the class D amplifier according to claims 7 to 9, wherein the AD conversion means is a high-pass filter, a first AD converter connected thereto, and a second low-pass filter. And a second AD converter connected thereto, and an adder. An output of the first AD converter is provided to the delay compensator, and an output of the delay compensator and an output of the second AD converter are provided. Are added by an adder, and the output is provided to a compensation coefficient calculating means.
[0022]
The class D amplifier according to claim 11 is the class D amplifier according to

claims

7, 9 and 10, wherein the delay compensating means includes a noise reduction filter means having a transmission zero at a half frequency of the sampling frequency of the input signal. One or more difference forming means for forming one or more order difference signals with respect to the output, one or more coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient, respectively, It is characterized in that it comprises summation means configured to subtract the coefficient multiplication means output for the difference signal from the input signal and add the coefficient multiplication means output for the even-order difference signal to the input signal.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described above, the audio signal output vout is directly proportional to the power supply voltage Vsup of the power switch means 3. Consider now that Vsup is divided into a rated voltage Vnom of the power supply and a fluctuation component Vrpl. I mean
Vsup = Vnom + Vrpl (4)
When

It becomes. Here, von is an ideal output when the power supply voltage of the power switch means 3 is fixed at Vnom and there is no fluctuation.
[0024]
Therefore, in order to obtain von by compensating the input voice signal vi, it can be seen that the value in parentheses in Expression (5) should be canceled, that is, vi should be multiplied by the value of (Vnom / Vsup).
[0025]
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a block diagram of an apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a delta-sigma modulating means, 2 is a PWM converting means, 3 is a power switch means, 4 is a first low-pass filter, 5 is a speaker, 6 is a compensating means, 7 is an AD converting means, 20 is a delay compensating means. , 21 are compensation coefficient calculation means, and 22 is first multiplication means. Here, 1 to 5 and 10 to 13 are equivalent to those of the related art, and perform the same operation as the related art.
[0026]
In the class D amplifier configured as described above, the AD converter 7 converts the power supply voltage supplied to the power switch 3 into a digital signal and outputs the digital signal to the compensator 6. In the compensating means 6, first, the delay compensating means 20 compensates for the time delay of the power supply fluctuation information in the AD converting means 7 and the PWM converting means, and then the compensating coefficient calculating means 21 calculates the compensation coefficient of Vnom / Vsup. Is multiplied by the first multiplication means 22 with the input signal.
[0027]
As described above, the influence of the power supply fluctuation Vrpl should ideally be completely eliminated. However, for this purpose, the input signal of the power switch means 3 must be compensated for the fluctuation of the power supply voltage of the power switch means 3 at the same timing. Actually, there is a certain time delay in the AD conversion means 7, and the PWM conversion means also has a certain time delay for data conversion.
[0028]
For this reason, even if the power supply fluctuation is compensated without compensating for these delay times, the effect is limited. Therefore, in the configuration of the present invention, by providing the delay compensating means 20, the effect of the time delay is eliminated and the distortion is effectively compensated. FIG. 2 is a block diagram showing an example of the processing contents of the delay compensating means 20.

Reference numerals

200, 204, 208, 212 and 216 denote one sample delay, 201, 203, 205, 207, 209, 211, 213, 215 and 217. And 219 are subtraction processes, and 202, 206, 210, 214 and 218 are coefficient multiplication processes.
[0029]
Here, 200 and 201 are the difference forming means on the first floor, 204 and 205 are the difference forming means on the second floor, 208 and 209 are the difference forming means on the third floor, 212 and 213 are the difference forming means on the fourth floor, 216 and 217 constitute a fifth-order difference forming means, 203, 207, 211, 215 and 219 subtract the output of the coefficient multiplying means for the odd-order difference signal from the input signal, and produce the output of the coefficient multiplying means for the even-order difference signal. The sum forming means is configured to be added to the input signal.
[0030]
FIG. 3 is a graph showing the effect of the delay compensating means 20 shown in FIG. 2, in which an operation simulation has been performed using the delay compensation model shown in FIG. In FIG. 4, reference numeral 500 denotes a test signal generation process for outputting sine wave data of an arbitrary frequency with a sampling frequency of 700 kHz; 501, a 3-sample delay process; 20, a delay compensation process shown in FIG. This is a subtraction process for finding the difference between the signal and the output of the delay compensation unit 20.
[0031]
In FIG. 3, the frequency of the test signal is plotted on the horizontal axis, and the level ratio between the output verr of the subtraction process 502 and the original signal vtest is plotted in decibel (dB). In the figure, reference numeral 1000 denotes a characteristic when delay compensation is not performed for comparison, that is, when coefficients applied to coefficient multiplication processes 202, 206, 210, 214, and 218 are all set to 0. From this characteristic, it can be seen that the error is large due to the influence of the three-sample delay processing 501, and the effect of compensating the power supply fluctuation without delay compensation is small.
[0032]
Characteristics 1001 to 1005 are obtained when the number of effective coefficients to be given to the coefficient multiplication processes 202, 206, 210, 214 and 218 is changed. A characteristic 1005 shows an example in which the coefficients of the

coefficient multiplication processing

202, 206, 210, 214, and 218 are set to 3, 6, 10, 15, and 21, respectively. In the characteristic 1004, of the coefficients, the coefficient of the coefficient multiplication processing 218 is set to 0, and in the characteristic 1003, the coefficient of the

coefficient multiplication processing

214 and 218 is set to 0. Similarly, 1002 and 1001 are also tested by sequentially reducing effective coefficients.
[0033]
From this result, by using the delay compensation processing 20, the error due to the delay can be effectively compensated, and even when there is a power supply fluctuation component of a relatively high frequency due to driving of various motors or driving of a passing lamp, the effect can be obtained. It is clear that the removal effect can be maintained.
[0034]
Further, FIG. 2 shows a configuration in which a difference up to the fifth floor is obtained and processed for an input signal. However, the configuration can be changed according to the required accuracy of power supply fluctuation compensation. For example, in the configuration using the difference up to the third floor, the components 211 to 218 in the figure are not required. Further, it is also possible to increase the number of components and use a difference of 6 floors or more.
[0035]
In the above description, the time from the detection of the power supply fluctuation to the time when the effect of the compensation performed on the digital audio signal based on the fluctuation appears at the input of the power switch means 3, that is, in FIG. The example in which the total amount of delay associated with each signal processing of the unit 21, the first multiplication unit 22, the delta-sigma modulation unit 1 and the PWM conversion unit 2 is assumed to be three sample periods and the delay is compensated, Compensation is similarly possible when the delay time to be compensated is different. However, in this case, it is necessary to change each coefficient of the

coefficient multiplication processing

202, 206, 210, 214, and 218 according to the delay time. When the delay time increases, the characteristic shown in FIG. 3 shifts to the left with respect to the frequency axis. Therefore, when trying to obtain the same delay compensation effect, it is necessary to increase the order of the difference used. Becomes complicated, and a high-frequency component as a correction error largely appears in the output.
[0036]
Therefore, it is desirable to suppress the total amount of delay associated with each signal processing as small as possible for effective compensation.
[0037]
FIG. 5 is a block diagram showing the processing contents of the compensation coefficient calculating means 21, and 210 is division processing. The compensation coefficient calculation process is to calculate Vnom / Vsup. Data compensated so as to match Vsup when the information reaches the power switch is given from the delay compensation means 20. Is a division process using the constant Vnom as the dividend.
[0038]
In this way, the output of the compensation coefficient calculating means 21 is multiplied by the audio signal data by the multiplying means 22 to eliminate the influence of the fluctuation component Vrpl contained in the power supply voltage of the power switch means 3, thereby simplifying the stabilization of the power supply. It is possible to configure an amplifier having a simple configuration, high efficiency, small size, and low distortion.
[0039]
Embodiment 2 FIG.
In the first embodiment, the conversion speed and conversion accuracy of the AD converter 7 are not particularly described on the assumption that the required performance is satisfied. However, in practice, it is practically difficult to implement the delay compensation process 20 unless the delay time to be compensated is made as small as possible and within a few sample times. For this purpose, the conversion speed of the AD conversion means 7 is about 300 kilosamples per second to about 1.4 megasamples per second, and the conversion accuracy is at least 0 when the compensation accuracy for power supply fluctuation is 0.1% or less. 0.1% or less and a resolution of 10 bits or more are required. These specifications are not difficult to realize at present, but are not economical due to the large circuit scale.
[0040]
FIG. 6 shows a configuration for realizing the AD conversion means 7 more economically. 70 is a high-pass filter, 71 is a first AD converter, 72 is a second low-pass filter, and 73 is The second AD converter 74 is an adding means.
[0041]
In FIG. 6, the power supply voltage of the power switch means 3 applied to the input is changed by the high-pass filter 70 and the second low-pass filter 73 from the audio frequency power fluctuation component to the ultra-low frequency The first AD converter 71 and the second AD converter 73 separately separate the DC component into a DC component including the DC component, and the resulting output is added and output by the adding means 74.
[0042]
In the above configuration, for example, the audio power supply fluctuation component input to the first AD converter 71 is +/− 10% of the rated voltage. This is a reasonable assumption in many cases where class D amplifiers are used. Under this condition, the conversion input range of the first AD converter 71 is about 0.18 (= 0.2 / 1.1) times the conversion input range when AD conversion is performed by one AD converter. It becomes. Therefore, the required conversion accuracy (or resolution) is reduced by about 2 bits or more.
[0043]
On the other hand, the DC component including the very low frequency component passing through the second low-pass filter 72 becomes less affected by the delay as the frequency of the signal decreases, as is clear from the characteristic 1000 without delay compensation in FIG. . Therefore, the requirement for the conversion delay time of the second AD converter 73 can be made less strict than when the AD conversion is performed by one AD converter.
[0044]
In the configuration of FIG. 6, the sum of the outputs of the first AD converter 71 and the second AD converter 73 is given to the delay compensator 20 to perform the delay compensation. Is a DC component including an ultra-low frequency component, so that the necessity of delay compensation is originally small.
[0045]
FIG. 7 shows a configuration in which delay compensation is performed only on the output of the first AD converter 71. In the figure, the operations of 70 to 73 are as already described, and only the output of the first AD converter 71 is given to the delay compensating means 20, and the output of the delay compensating means 20 and the second The outputs of the AD converters 73 are added and output to the compensation coefficient calculation means 21.
[0046]
As described above, the resolution of the first AD converter 71, that is, the bit width of the output can be reduced by a little over 2 bits, and the accuracy of the operation required for the delay compensating means 20 also decreases accordingly. It will be easier. This contributes to an economical configuration of the class D amplifier.
[0047]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 shows another embodiment of the delay compensating means 20. In the figure, reference numeral 230 denotes a delay compensation processing unit that performs the delay compensation described above with reference to FIG. 2, and reference numeral 240 denotes a noise reduction filter that previously reduces noise emphasized in the delay compensation processing. The reason for adopting such a configuration is that the delay compensation processing section 230 takes a difference of one sample period of the signal as a basic structure as shown in the figure, multiplies the difference by a coefficient exceeding 1, and adds it to the original signal. This is because, when there is unnecessary noise in the input signal, the higher frequency components are emphasized and appear in the output, which adversely affects the target power supply fluctuation compensation.
[0048]
In particular, as for the noise component near the half frequency of the sampling frequency fs, the level is almost doubled every time the order of the difference is increased, so that the influence is serious. Therefore, it is desired that the noise low-pass filter 240 be a filter having a transmission zero at fs / 2. Also, the group delay time by this filter is added to the time to be compensated by the delay compensation means 20. The longer this time is, the more difficult the compensation is. Therefore, it is desirable that the delay in the noise low-pass filter 240 be as small as possible.
[0049]
FIG. 8 shows a configuration example of the noise low-pass filter 240 at the same time. In the figure, 241 is a one-sample delay process, 242 and 243 are constant coefficient multiplication processes, and 244 is an addition process. The constant coefficient multiplication processes 242 and 243 both multiply the input by a coefficient of 0.5. The noise reduction filter 240 having this configuration has a transmission zero point at fs / 2 and gives a delay of 1/2 sample time, which satisfies the above condition.
[0050]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a delta-sigma modulation means, 2 is a PWM conversion means, 3 is a power switch means, 4 is a first low-pass filter, 5 is a speaker, 7 is an AD conversion means, 10 is a delay means, and 11 is a subtraction means. , 12 are integration means, 13 is requantization means, 14 is second multiplication means, 20 is delay compensation means, and 30 is normalization means. Here, 1 to 5 and 10 to 13 are equivalent to those of the related art, and perform the same operation as the related art.
[0051]
In the class D amplifier configured as described above, the supply voltage to the power switch means 3 detected by the AD conversion means 7 passes through the delay compensation means 20 and the normalization means 30 to one input of the second multiplication means 14. Given to. The normalizing means 30 multiplies the input data representing the supply voltage Vsup to the power switch means 3 by the reciprocal of the rated value of the supply voltage to the power switch means 3 or the reciprocal of the value representing the average value Vnom to represent Vsup / Vnom. Outputs numerical data.
[0052]
Here, the second multiplication means 14 is incorporated in the feedback path of the delta-sigma modulation means 1, and a feedback signal from the requantization means 13 is supplied to the other input through the delay means 10. In the delta-sigma modulating means 1 modified in this way, a feedback operation is performed so that the low-frequency sound signal component output from the second multiplying means 14 becomes substantially equal to the digital sound signal input, and the noise reduction action is performed. Will be done.
[0053]
Since the second multiplying means 14 multiplies the feedback signal from the delay means 10 by Vsup / Vnom, the effect of the delta-sigma modulation means 1 is that the result of the multiplication is converted to the digital audio signal input. It should be substantially equal. This means that the output of the delay means 10, and hence the output of the requantization means 13, is substantially the original digital audio signal multiplied by Vnom / Vsup.
[0054]
As shown in the equation (5), the action of the power supply variation in the power switch means 3 is to multiply the ideal output von without power supply variation by Vsup / Vnom, so that the delta-sigma modulation means 1 substantially has Vnom / Vnom. The effect of multiplying by Vsup compensates for the influence of power supply fluctuations in the power switch means 3 in advance.
[0055]
In the above description, for the sake of convenience, the coincidence of the timings of the power supply fluctuations is not described, but the influence of the power supply fluctuations in the power switch means 3 precedes the time delay of the A / D conversion means 7, the PWM conversion means 2, etc. What should be compensated in the multiplication process 14 is as described in the first embodiment, and therefore, the provision of the delay compensation means 20 is effective.
[0056]
Here, in the fourth embodiment, an operation for compensating the Vsup data detected by the AD conversion means 7, that is, the processing in the normalization means 30 is a multiplication processing of simply multiplying by 1 / Vnom. Since Vnom is usually a fixed value, 1 / Vnom also has a fixed value. For this reason, there is an advantage that the realization is easier as compared with the processing of the compensation coefficient calculating means 21 of the first embodiment, that is, dividing Vnom by the variable Vsup.
[0057]
Also in the case of adopting the present embodiment, different configurations of the AD converter 7 and the delay compensator 20 shown in FIGS. 6 and 7 can be adopted. It is clear that different configurations of the delay compensating means 20 shown in FIGS. 2 and 8 can be respectively adopted.
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.
[0058]
According to the class D amplifier of the present invention, in order to reduce the distortion of the audio signal generated in the power switch means due to the fluctuation of the supply voltage of the power supply, the power supply fluctuation compensating means preliminarily calculates the power supply fluctuation for the input audio signal. Since the compensation is performed, a power supply with small power loss can be used, and a small-sized, high-efficiency, low-distortion, and inexpensive class D amplifier can be provided.
[0059]
Further, in the class D amplifier according to the second aspect, the power supply fluctuation compensating means compensates for the time delay caused by the detection of the power fluctuation and the operation of the amplifier. Can be effectively reduced.
[0060]
Further, the class D amplifier according to claim 3 can realize a delay compensating means for effectively compensating a time delay with a simple configuration.
[0061]
Further, the class D amplifier according to claim 4 includes an A / D converter for detecting a supply voltage of the power switch means, a first A / D converter for detecting an audible frequency power supply fluctuation component and a D / A converter for detecting a DC component including an ultra-low frequency component. Since the two A / D converters are separated, the resolution of the first A / D converter requiring high-speed sampling can be reduced, and an inexpensive class D amplifier can be provided.
[0062]
According to a fifth aspect of the present invention, in the class D amplifier, the A / D conversion means for detecting the supply voltage of the power switch means includes a first A / D converter for detecting an audible frequency power supply fluctuation component and a first A / D converter for detecting a DC component including an extremely low frequency component. Since it is separated into two A / D converters, the resolution of the first A / D converter requiring high-speed sampling can be reduced, and only the output of the first A / D converter is compensated by the delay compensation means. Therefore, a more inexpensive class D amplifier can be provided.
[0063]
Further, in the class D amplifier according to claim 6, in the delay compensation means, a noise component near a half frequency of the sampling frequency, which becomes about double each time the difference order of the difference forming means increases, is reduced to a half frequency of the sampling frequency. The noise is removed by the noise reduction filter means having a transmission zero point, so that the time delay is effectively compensated for, and at the same time, a simple configuration for suppressing the noise generation is provided to cause the power switch means power fluctuation. It is possible to provide a class D amplifier that effectively reduces audio signal distortion.
[0064]
The class D amplifier according to claims 7 to 11 reduces the signal processing load by providing a compensation means for the supply voltage fluctuation of the power switch means in the feedback path of the delta sigma modulation means, and provides an inexpensive class D amplifier. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a class D amplifier according to first to third embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of a delay compensation unit according to the first and second embodiments of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an effect of a delay compensation unit.
FIG. 4 is an operation simulation block diagram of a delay compensation unit.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of a compensation coefficient calculation unit according to the first to third embodiments of the present invention;
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of an AD converter according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of an AD conversion unit and a delay compensation unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of a delay compensation unit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of a class D amplifier according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of a conventional class D amplifier.
FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of the PWM conversion means.
FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration example of a power switch unit and a low-pass filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Delta-sigma modulation means, 2 PWM conversion means, 3 power switch means, 4 low-pass filters, 5 speakers, 6 compensation means, 7 AD conversion means, 10 delay means, 11 subtraction means, 12 integration means, 13 requantization means , 14 second multiplying means, 20 delay compensating means, 21 compensation coefficient calculating means, 22 first multiplying means.

Claims

A power supply fluctuation compensating means which receives a digital audio signal as input, a delta-sigma modulating means connected to the output of the power fluctuation compensating means, a PWM converting means connected to the output of the delta-sigma modulating means, and an output of the PWM converting means. Power switch means for amplifying power, a first low-pass filter connected to the power switch means for performing PWM demodulation, and AD conversion means for detecting a supply voltage to the power switch means; A class-D amplifier for compensating for distortion generated in an audio signal output from a first low-pass filter due to a change in a supply voltage to a power switch unit in response to an output of a conversion unit.

2. The power supply fluctuation compensating means comprises a delay compensating means, a compensation coefficient calculating means, and a first multiplying means for multiplying an output of the compensation coefficient calculating means by a digital audio signal. Class D amplifier.

One or a plurality of difference forming means, wherein the delay compensating means forms a first- or multiple-order difference signal with respect to the input signal; one or a plurality of coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient; Sum subtraction means configured to subtract the coefficient multiplication means output for the odd-order difference signal from the input signal and to add the coefficient multiplication means output for the even-order difference signal to the input signal. The class D amplifier according to claim 2, wherein

A / D conversion means includes a high-pass filter, a first A / D converter connected thereto, a second low-pass filter, a second A / D converter connected thereto, and first and second A / D converters. 4. The class D amplifier according to claim 1, further comprising an adder for adding an output of the converter.

The AD converter includes a high-pass filter, a first AD converter connected thereto, a second low-pass filter, a second AD converter connected thereto, and an adder. Is provided to the delay compensating means, the output of the delay compensating means and the output of the second AD converter are added by the adder, and the output is provided to the compensation coefficient calculating means. The class D amplifier according to claim 2 or 3, wherein:

A noise reduction filter means in which the delay compensation means has a transmission zero at a half frequency of the sampling frequency of the input signal, one or more difference formation means for forming a first- or multiple-order difference signal with respect to the output; One or more coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient, and subtracting the output of the coefficient multiplying means for the odd-order difference signal from the input signal, and outputting the output of the coefficient multiplying means for the even-order difference signal to the input signal 6. The class D amplifier according to claim 2, further comprising: a sum forming means configured to add the sum to the class D amplifier.

Delta-sigma modulation means having a digital audio signal as input, PWM conversion means connected to the output of the delta-sigma modulation means, power switch means for power-amplifying the output of the PWM conversion means, and PWM demodulation connected to the power switch means for performing PWM demodulation. A first low-pass filter to be performed, an A / D converter for detecting a supply voltage to the power switch, a delay compensator, and a normalization calculator, wherein the delta-sigma modulator is a subtractor, an integrator, , A re-quantization unit, a delay unit, and a second multiplication unit. The second multiplication unit multiplies the feedback signal output from the delay unit by the output of the normalization coefficient calculation unit. To compensate the distortion generated in the audio signal output from the first low-pass filter due to the fluctuation of the supply voltage to the power switch means. That class-D amplifier.

One or a plurality of difference forming means, wherein the delay compensating means forms a first- or multiple-order difference signal with respect to the input signal; one or a plurality of coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient; Summation means configured to subtract the output of the coefficient multiplication means for the odd-order difference signal from the input signal and to add the output of the coefficient multiplication means for the even-order difference signal to the input signal. The class D amplifier according to claim 7.

A / D conversion means includes a high-pass filter, a first A / D converter connected thereto, a second low-pass filter, a second A / D converter connected thereto, and first and second A / D converters. 9. The class D amplifier according to claim 7, further comprising an adder for adding an output of the converter.

The AD converter includes a high-pass filter, a first AD converter connected thereto, a second low-pass filter, a second AD converter connected thereto, and an adder. Is provided to the delay compensating means, the output of the delay compensating means and the output of the second AD converter are added by the adder, and the output is provided to the compensation coefficient calculating means. 10. The class D amplifier according to claim 7, wherein:

A noise reduction filter means in which the delay compensation means has a transmission zero at a half frequency of the sampling frequency of the input signal, one or more difference formation means for forming a first- or multiple-order difference signal with respect to the output; One or more coefficient multiplying means for multiplying the output of the difference forming means by a constant coefficient, and subtracting the output of the coefficient multiplying means for the odd-order difference signal from the input signal, and outputting the output of the coefficient multiplying means for the even-order difference signal to the input signal 11. The class-D amplifier according to claim 7, further comprising a sum forming means configured to add the sum to the sum.