JP2019180044A - Audio amplifier, audio output device and electronic equipment using the same, and protection method of audio amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スピーカやヘッドホンを駆動する増幅器に関する。 The present invention relates to an amplifier that drives a speaker or headphones.
オーディオ信号を増幅し、スピーカやヘッドホンなどの電気音響変換素子を駆動するために、オーディオアンプ(パワーアンプともいう)が用いられる。図1は、オーディオアンプ100Rを備えるオーディオ出力装置200Rの回路図である。オーディオアンプ100Rの出力には、負荷である電気音響変換素子202がDCブロック用の出力キャパシタCOUTを介して接続される。
An audio amplifier (also referred to as a power amplifier) is used to amplify an audio signal and drive an electroacoustic transducer such as a speaker or headphones. FIG. 1 is a circuit diagram of an
説明の簡潔化のため、非反転型のオーディオアンプ100Rを例とすると、オペアンプ110の非反転入力端子(+)に入力信号VIN’が、反転入力端子(−)には、出力信号VOUTを分圧したフィードバック信号VFBが入力される。
For simplification of description, taking the
バイアス回路120は、電源電圧VDDと接地電圧VGND(0V)の中点付近のバイアス電圧VBIASを生成し、オペアンプ110の非反転入力端子に供給する。オーディオアンプ100には、入力キャパシタ(DCブロックキャパシタ)CINを介して交流のオーディオ信号VINが入力され、バイアス電圧VBIASに重畳される。オペアンプ110の入力電圧VIN’は、バイアス電圧VBIASを中心に、オーディオ信号VINの交流成分に応じてスイングする。
The
オーディオアンプ100Rは過電流保護(OCP:Over Current Protection)回路130を備える。OCP回路130は、オーディオ再生中にオペアンプ110の出力電流IOUTを監視し、過電流保護のしきい値(過電流しきい値)IOCPを超えると過電流保護(出力段のラッチ停止)をかける。過電流しきい値IOCPは、電気音響変換素子202の定格電流や、オペアンプ110の出力段のトランジスタの絶対最大定格電流を考慮して規定される。
The
オーディオアンプ100Rの起動前のシャットダウン状態(スタンバイ状態)において、出力電圧VOUTは0Vである。オーディオアンプ100Rの電源が投入されたときに、ポップノイズを抑制するために、バイアス回路120はバイアス電圧VBIASを緩やかに増大させる。これにより、出力電圧VOUTはバイアス電圧VBIASに比例して緩やかに増大し、ポップノイズが抑制される。
In the shutdown state (standby state) before starting up the
図2は、図1のオーディオアンプ100Rの起動シーケンスを説明するタイムチャートである。なお本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。時刻t0に電源電圧VDDが立ち上がる。時刻t1にオーディオアンプ100Rのシャットダウン状態が解除されると、バイアス電圧VBIASが上昇し、入力信号VIN’もそれに追従して増大する。そして時刻t2にバイアス電圧VBIASが所定のレベル(たとえばVDD/2)に達すると、オーディオアンプ100Rは、オーディオ信号を増幅可能な状態となる。時刻t2以降、オーディオ信号VINが入力され、出力端子OUTには、オーディオ信号VINを増幅した出力電圧VOUTが発生する。
FIG. 2 is a time chart for explaining a startup sequence of the
起動完了後すなわち通常状態における過電流保護は時刻t3以降に示される。時刻t3に出力端子OUTが地絡すると、オーディオアンプ100Rの出力電流IOUTが増大する。そして時刻t4に出力電流IOUTが過電流しきい値IOCPを超えると過電流保護がかかり、オーディオアンプ100Rの動作が停止する。
Activation completion after That overcurrent protection in the normal state is indicated at time t 3 or later. Output when the terminal OUT is ground at time t 3, the output current I OUT of the
本発明者は、図1のオーディオアンプ100Rについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
As a result of studying the
図3は、オーディオアンプ100Rの地絡時の等価回路図である。オペアンプ110はプッシュプル形式の出力段112を有する。RLOADは電気音響変換素子202の抵抗値を、ROUTは、出力段112と出力端子OUTの間の抵抗値を、そしてRSHORTは短絡時の出力端子OUTと接地GNDの間の抵抗値を表す。ROUTにはたとえばボンディングワイヤの寄生抵抗などが含まれる。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the
図4は、起動シーケンス中の過電流保護を説明する図である。ここではシャットダウン解除の時刻t1より前において出力端子OUTが地絡しているケースを説明する。RSHORT≪RLOADが成り立つとき、出力段112に流れる出力電流IOUTは、IOUT=VOUT’/(ROUT+RSHORT)となる。シャットダウン解除後、バイアス電圧VBIASは時間とともに緩やかに増加し、オーディオ信号VINが入力されるまでの期間、VOUT’≒VBIASが成り立ち、このときの出力電流IOUTは、IOUT≒VBIAS/(ROUT+RSHORT)で与えられる。したがって、VBIAS/(ROUT+RSHORT)>IOCPとなると過電流保護が有効となる。
FIG. 4 is a diagram for explaining overcurrent protection during the startup sequence. Here will be described a case where the output terminal OUT at before time t 1 of the shutdown release is grounded. When R SHORT << R LOAD holds, the output current I OUT flowing through the
たとえばROUT=10mΩ、RSHORT=40mΩ、IOCP=3.5Aとすると、バイアス電圧VBIASが175mVを超えると、過電流保護がかかる。逆に言えば、シャットダウン解除の時刻t1からバイアス電圧VBIASが175mVに達する時刻t2までは、3.5Aよりは小さいが、熱的な問題を引き起こしうる大電流がハイサイドトランジスタMHに定常的、直流的に流れ続ける。出力地絡時においてハイサイドトランジスタMHのドレインソース間の電位差は電源電圧VDD−VOUT’=VDD−VBIASであり、仮にVDD=5.0V、VBIAS=0.1Vとすれば、ハイサイドトランジスタMHの消費電力は(0.1V÷50mΩ)×(5.0V−0.1V)=9.8Wとなる。過電流状態が長く持続すると、ハイサイドトランジスタMHの信頼性を低下させる。 For example, when R OUT = 10 mΩ, R SHORT = 40 mΩ, and I OCP = 3.5 A, overcurrent protection is applied when the bias voltage V BIAS exceeds 175 mV. Conversely, from time t 1 of the shutdown release until time t 2 when the bias voltage V BIAS reaches 175 mV, is less than 3.5A, the large current that can cause thermal problems for the high-side transistor M H Continues to flow in a steady and direct manner. The potential difference between the drain and the source of the high side transistor M H at the output ground fault is a power supply voltage V DD -V OUT '= V DD -V BIAS, them if V DD = 5.0V, and V BIAS = 0.1 V For example, the power consumption of the high-side transistor MH is (0.1 V ÷ 50 mΩ) × (5.0 V−0.1 V) = 9.8 W. If the overcurrent state continues for a long time, the reliability of the high-side transistor MH is lowered.
過電流状態の長さt1〜t2は、バイアス電圧VBIASの時定数に応じている。したがってバイアス電圧VBIASの時定数を短くすることでこの問題は解決しうるが、その場合、ポップノイズが発生しやすくなるという別の問題を引き起こす。 The overcurrent state lengths t 1 to t 2 depend on the time constant of the bias voltage V BIAS . Therefore, this problem can be solved by shortening the time constant of the bias voltage V BIAS , but in this case, another problem that pop noise is likely to occur is caused.
あるいは過電流しきい値IOCPを出力段のトランジスタの最大定格電流よりも大幅に低くすることでも解決しうるが、その場合、通常のオーディオ再生時の最大出力パワーが小さくなってしまう。 Alternatively, the overcurrent threshold I OCP can be solved by making it much lower than the maximum rated current of the transistor in the output stage, but in that case, the maximum output power during normal audio reproduction is reduced.
ここでは、オーディオアンプ100Rが非反転型の場合を例としたが、同様の問題は、反転増幅型、あるいはボルテージフォロアにおいても生じうる。またBTL(Bridged Tied Load)のオーディオアンプにおいても生じうる。
Here, the case where the
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、信頼性を改善したオーディオアンプの提供にある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and one of exemplary purposes of an aspect thereof is to provide an audio amplifier with improved reliability.
本発明のある態様は、オーディオアンプあるいは保護方法に関する。オーディオアンプは、プッシュプル形式の出力段を有するオペアンプを備える。オーディオアンプの起動時に、ハイサイドトランジスタに流れるソース電流は、第1しきい値と比較される。起動時にはソース電流が第1しきい値を超えないように制限される。オーディオアンプの起動完了後に、ソース電流が第1しきい値より大きい第2しきい値を超えると、出力段を停止させる。 One embodiment of the present invention relates to an audio amplifier or a protection method. The audio amplifier includes an operational amplifier having a push-pull type output stage. When the audio amplifier is activated, the source current flowing through the high-side transistor is compared with the first threshold value. During startup, the source current is limited so as not to exceed the first threshold value. If the source current exceeds a second threshold value greater than the first threshold value after the start-up of the audio amplifier, the output stage is stopped.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a conversion of the expression of the present invention between methods, apparatuses, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、オーディオアンプの信頼性を改善できる。 According to the present invention, the reliability of an audio amplifier can be improved.
(実施の形態の概要)
本明細書に開示される一実施の形態は、オーディオアンプに関する。オーディオアンプは、第1モードと第2モードが切り替え可能である。オーディオアンプは、プッシュプル形式の出力段を有するオペアンプと、第1モードにおいて過電流しきい値が第1値、第2モードにおいて過電流しきい値が第1値より大きい第2値となり、出力段のハイサイドトランジスタに流れるソース電流を過電流しきい値と比較し、ソース電流が過電流しきい値を超えると検出信号をアサートする検出回路と、第1モードにおいて検出信号がアサートされると第1保護状態となり、第2モードにおいて検出信号がアサートされると第2保護状態となる保護回路と、を備える。
(Outline of the embodiment)
One embodiment disclosed herein relates to an audio amplifier. The audio amplifier can be switched between the first mode and the second mode. The audio amplifier has an operational amplifier having a push-pull type output stage, an overcurrent threshold value in the first mode is a first value, and an overcurrent threshold value is a second value larger than the first value in the second mode, A detection circuit that compares a source current flowing through the high-side transistor of the stage with an overcurrent threshold and asserts a detection signal when the source current exceeds the overcurrent threshold; and when the detection signal is asserted in the first mode A protection circuit that enters a first protection state and enters a second protection state when a detection signal is asserted in the second mode.
バイアス電圧が低い状態では、第1モードに設定して過電流しきい値を低下させることで、熱的な問題から出力段を保護できる。またバイアス電圧が高い状態では、第2モードに設定して過電流しきい値を高くすることで、出力段の最大出力パワーを犠牲にすることなく、出力段のトランジスタに絶対最大定格電流を超える過電流が流れるのを防止できる。 When the bias voltage is low, the output stage can be protected from thermal problems by setting the first mode and lowering the overcurrent threshold. Also, when the bias voltage is high, the absolute maximum rated current is exceeded in the output stage transistor without sacrificing the maximum output power of the output stage by setting the second mode and increasing the overcurrent threshold. Overcurrent can be prevented from flowing.
保護回路は、第1保護状態において、第1値である過電流しきい値を超えないようにソース電流を制限し、第2保護状態において、ハイサイドトランジスタをターンオフしてもよい。これにより第1保護状態では、ソース電流を制限しつつ、バイアス電圧の上昇にともなって、出力電圧を上昇させ、第1保護状態の間に、地絡等の異常の原因がなくなれば、通常の状態に復帰させることができる。地絡等の異常の原因が消滅しなかった場合には、第2保護状態に移行したのちに、ハイサイドトランジスタがターンオフし、回路を保護できる。 The protection circuit may limit the source current so as not to exceed the first value overcurrent threshold in the first protection state, and turn off the high-side transistor in the second protection state. As a result, in the first protection state, the source current is limited, the output voltage is increased as the bias voltage increases, and if there is no cause of an abnormality such as a ground fault during the first protection state, It can be returned to the state. When the cause of abnormality such as ground fault does not disappear, the high side transistor is turned off after the transition to the second protection state, and the circuit can be protected.
保護回路は、ハイサイドトランジスタのゲートソース間またはベースエミッタ間に設けられた保護トランジスタを含んでもよい。第1保護状態では、保護トランジスタのオンの程度(ゲートソース間電圧/ベースエミッタ間電圧)を調節することにより、ハイサイドトランジスタに流れるソース電流をリミット電流に制限できる。また第2保護状態では、保護トランジスタをターンオンすることで、ハイサイドトランジスタをターンオフできる。 The protection circuit may include a protection transistor provided between the gate source and the base emitter of the high side transistor. In the first protection state, the source current flowing through the high-side transistor can be limited to the limit current by adjusting the degree of ON of the protection transistor (gate-source voltage / base-emitter voltage). In the second protection state, the high-side transistor can be turned off by turning on the protection transistor.
保護回路は、第1保護状態において検出信号の信号レベルに応じて保護トランジスタのゲート電圧を変化させてもよい。これによりソース電流がリミット電流を超えないように帰還をかけることができる。 The protection circuit may change the gate voltage of the protection transistor in accordance with the signal level of the detection signal in the first protection state. As a result, feedback can be applied so that the source current does not exceed the limit current.
保護回路は、第2保護状態において保護トランジスタをフルオンしてもよい。保護回路は、第2保護状態において、検出信号のアサートをラッチし、第2保護状態を維持してもよい。 The protection circuit may fully turn on the protection transistor in the second protection state. The protection circuit may latch assertion of the detection signal in the second protection state and maintain the second protection state.
オーディオアンプは、起動時(起動シーケンス中)において第1モード、オーディオアンプの通常動作時(起動シーケンス完了後)において第2モードとなってもよい。 The audio amplifier may be in the first mode at startup (during the startup sequence) and in the second mode during normal operation of the audio amplifier (after completion of the startup sequence).
オーディオアンプは、オペアンプのバイアス電圧を生成するバイアス回路をさらに備えてもよい。オーディオアンプは、バイアス電圧がしきい値電圧より低いとき第1モードとなり、バイアス電圧がしきい値電圧より高いとき第2モードとなってもよい。 The audio amplifier may further include a bias circuit that generates a bias voltage of the operational amplifier. The audio amplifier may be in the first mode when the bias voltage is lower than the threshold voltage, and may be in the second mode when the bias voltage is higher than the threshold voltage.
オーディオアンプは、オーディオアンプの起動から所定時間の経過前において第1モードとなり、所定時間の経過後において第2モードとなってもよい。 The audio amplifier may be in the first mode before the elapse of a predetermined time from the activation of the audio amplifier, and may be in the second mode after the elapse of the predetermined time.
オーディオアンプは、外部からの制御信号を受ける制御ピンをさらに備えてもよい。オーディオアンプは、制御信号が第1レベルのとき第1モードとなり、制御信号が第2レベルのとき第2モードとなってもよい。 The audio amplifier may further include a control pin that receives a control signal from the outside. The audio amplifier may be in the first mode when the control signal is at the first level, and may be in the second mode when the control signal is at the second level.
検出回路は、ハイサイドトランジスタとゲートまたはベースが共通に接続されたレプリカトランジスタと、レプリカトランジスタに流れる電流を、第1モードにおいて第1しきい値電流、第2モードにおいて第1しきい値電流より大きい第2しきい値電流と比較する比較回路と、を含んでもよい。 The detection circuit includes a replica transistor having a gate or base connected in common to a high-side transistor, and a current flowing through the replica transistor based on a first threshold current in the first mode and a first threshold current in the second mode. And a comparison circuit for comparing with a large second threshold current.
比較回路は、レプリカトランジスタと電源ラインの間に設けられる第1抵抗と、第1モードにおいて第1抵抗値、第2モードにおいて第2抵抗値を有する第2抵抗と、第1抵抗および第2抵抗をソース/エミッタ負荷とするカレントミラー回路と、カレントミラー回路の入力と接続される第1電流源と、カレントミラー回路の出力と接続される第2電流源と、を含み、検出信号は、カレントミラー回路と第2電流源の接続ノードの状態に応じていてもよい。第2抵抗の抵抗値を切りかえることにより、しきい値電流を切り替えることができる。 The comparison circuit includes a first resistor provided between the replica transistor and the power supply line, a second resistor having a first resistance value in the first mode and a second resistance value in the second mode, and a first resistor and a second resistor. A source / emitter load current mirror circuit, a first current source connected to the input of the current mirror circuit, and a second current source connected to the output of the current mirror circuit. You may respond | correspond according to the state of the connection node of a mirror circuit and a 2nd current source. The threshold current can be switched by switching the resistance value of the second resistor.
オーディオアンプは、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。 The audio amplifier may be integrated on a single semiconductor substrate. “Integrated integration” includes the case where all of the circuit components are formed on a semiconductor substrate and the case where the main components of the circuit are integrated. A resistor, a capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate. By integrating the circuit on one chip, the circuit area can be reduced and the characteristics of the circuit elements can be kept uniform.
本明細書に開示される一実施の形態は、オーディオ出力装置である。オーディオ出力装置は、電気音響変換素子と、電気音響変換素子を駆動するオーディオアンプと、を備える。オーディオアンプは、ハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタを含むプッシュプル形式の出力段と、オーディオ信号に応じて出力段を制御する差動増幅段と、第1モードにおいて過電流しきい値が第1値、第2モードにおいて過電流しきい値が第1値より大きい第2値となり、出力段のハイサイドトランジスタに流れるソース電流を過電流しきい値と比較し、ソース電流が過電流しきい値を超えると検出信号をアサートする検出回路と、第1モードにおいて検出信号がアサートされると第1保護状態となり、第2モードにおいて検出信号がアサートされると第2保護状態となる保護回路と、を備える。 One embodiment disclosed herein is an audio output device. The audio output device includes an electroacoustic transducer and an audio amplifier that drives the electroacoustic transducer. The audio amplifier includes a push-pull type output stage including a high-side transistor and a low-side transistor, a differential amplifier stage that controls the output stage according to an audio signal, and an overcurrent threshold value having a first value in the first mode, In the second mode, the overcurrent threshold becomes a second value larger than the first value, the source current flowing through the high-side transistor in the output stage is compared with the overcurrent threshold, and the source current exceeds the overcurrent threshold. And a detection circuit that asserts the detection signal, and a protection circuit that enters the first protection state when the detection signal is asserted in the first mode and enters the second protection state when the detection signal is asserted in the second mode. .
(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさず、あるいは機能を阻害しない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさず、あるいは機能を阻害しない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are physically directly connected, or the member A and the member B are electrically connected. The case where it is indirectly connected through other members that do not affect the state or inhibit the function is also included.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as an electrical condition. This includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not affect the connection state or inhibit the function.
図5は、実施の形態に係るオーディオアンプ100を備えるオーディオ出力装置200のブロック図である。オーディオ出力装置200は、電気音響変換素子202およびオーディオアンプ100を備える。
FIG. 5 is a block diagram of an
オーディオアンプ100は、主として、オペアンプ110、バイアス回路120、過電流検出回路150、保護回路170、モードセレクタ180を備え、ひとつの半導体基板(ダイ)に集積化された機能IC(Integrated Circuit)である。
The
オペアンプ110は、複数の抵抗R11〜R14とともにアンプ102を形成する。図5では、非反転型のアンプ102を示すがその限りでなく、反転型であってもよい。
The
オーディオアンプ100のシャットダウン(SDB)ピンには、シャットダウン(SDB)信号が入力される。オーディオアンプ100は、SDB信号が第1レベル(たとえばロー)のときシャットダウン状態となり、第2レベル(たとえばハイ)のときシャットダウン解除となる。
A shutdown (SDB) signal is input to the shutdown (SDB) pin of the
バイアス回路120は、アンプ102のバイアス電圧VBIASを生成する。バイアス回路120には、バイアス(BIAS)ピンを介してキャパシタC11が外付けされる。バイアス回路120は、シャットダウン解除に応答してバイアス電圧VBIASの生成を開始する。バイアス電圧VBIASは、キャパシタC11で決まる時定数にしたがって緩やかに上昇する。バイアス電圧VBIASは、アンプ102に供給される。
The
オペアンプ110は、出力段112および差動増幅段114を含む。出力段112は、プッシュプル形式であり、ハイサイドトランジスタMHおよびローサイドトランジスタMLを含む。差動増幅段114は、非反転入力端子(+)と反転入力端子(−)の電圧が近づくように、出力段112を制御する。
The
オーディオアンプ100は、第1モードφ1と第2モードφ2が切り替え可能に構成される。モードセレクタ180は、第1モードφ1と第2モードφ2を指示するモード信号MODEを生成する。たとえばモード信号MODEは、第1モードφ1においてロー、第2モードφ2においてハイである。モードセレクタ180は、オーディオアンプ100の電源投入直後の起動時において第1モードφ1、その後の通常動作時に第2モードφ2を選択する。本実施の形態において、モードセレクタ180は、バイアス電圧VBIASを監視し、バイアス電圧VBIASが所定のしきい値電圧VMODEより低い状態を第1モードφ1とし、バイアス電圧VBIASがしきい値電圧VMODEより高い状態を第2モードφ2とする。たとえばしきい値電圧VMODEは、バイアス電圧VBIASの目標電圧より数百mV程度低く規定される。たとえばバイアス電圧VBIASの目標電圧を2.5Vとするとき、しきい値電圧VMODEは2.2〜2.3V程度とするとよい。
過電流検出回路150は、出力段112のハイサイドトランジスタMHに流れるソース電流ISRCを過電流しきい値IOCPと比較し、ソース電流ISRCが過電流しきい値IOCPを超えると検出信号VDETをアサートする(たとえばロー)。第1モードφ1において過電流しきい値IOCPは第1値IOCP1となり、第2モードφ2において過電流しきい値IOCPは第1値IOCP1より大きい第2値IOCP2となる。
The
保護回路170は、第1モードφ1において検出信号VDETがアサートされると第1保護状態となり、第2モードφ2において検出信号VDETがアサートされると第2保護状態となる。
The
より詳しくは保護回路170は、第1保護状態において、第1値IOCP1である過電流しきい値IOCPを超えないようにソース電流ISRCを制限する(OCPリミッタ)。また第2モードφ2においてソース電流ISRCが第2値IOCP2である過電流しきい値IOCPを超えると第2保護状態となり、ハイサイドトランジスタMHをターンオフする(OCPラッチ)。
More specifically, the
以上がオーディオアンプ100の構成である。続いてその動作を説明する。図6は、図5のオーディオアンプ100の動作を説明する図である。図6には、シャットダウン解除時において、OUT端子が地絡しているときの動作を示す。図3と同様に、地絡経路の抵抗値をRSHORTとする。
The above is the configuration of the
時刻t0に電源電圧VDDが供給される。時刻t1にSDB信号がハイとなり、シャットダウン状態が解除されると、バイアス電圧VBIASが上昇し始める。バイアス電圧VBIASの上昇にともない、アンプ102の入力電圧VIN’および出力電圧VOUTも上昇する。OUT端子が地絡しているため、ハイサイドトランジスタMHには、ソース電流ISRC=VBIAS/(ROUT+RSHORT)が流れる。起動直後はVBIAS<VMODEであるから、第1モードφ1が選択されている。
The power supply voltage V DD is supplied to the time t 0. SDB signal becomes high at time t 1, when the shutdown state is released, the bias voltage V BIAS starts to rise. As the bias voltage V BIAS increases, the input voltage V IN ′ and the output voltage VOUT of the
時刻t2にソース電流ISRCが第1しきい値IOCP1に達すると、第1保護状態が有効となり、ソース電流ISRCが第1しきい値IOCP1をリミット電流として制限される。時刻t3に、バイアス電圧VBIASがしきい値VMODEに達すると、第2モードφ2に切り替わる。 When the source current I SRC at time t 2 reaches the first threshold I OCP1, first protection state is validated, the source current I SRC is limited to the first threshold I OCP1 as limit current. When the bias voltage V BIAS reaches the threshold value V MODE at time t 3 , the mode is switched to the second mode φ 2 .
時刻t3に第2モードφ2に切り替わると、過電流しきい値IOCPが第2値IOCP2に上昇する。その結果、その直後にISRC<IOCP2となり、検出信号VDETがネゲートされる。第1保護状態が解除された結果、ソース電流ISRCのリミットも解除され、ソース電流ISRCが増大し、時刻t4に第2値IOCP2に達する。その結果、検出信号VDETが再びアサートされ、第2保護状態となる。第2保護状態では、アンプ102がラッチ停止し、ソース電流ISRCがゼロとなる。
When the time t 3 is switched to the second mode phi 2, the overcurrent threshold I OCP is increased to a second value I OCP2. As a result, immediately after that, I SRC <I OCP2 and the detection signal V DET is negated. Result of the first protection state is released, the limit of the source current I SRC is also released, the source current I SRC increases, at time t 4 reaches a second value I OCP2. As a result, the detection signal V DET is asserted again, and the second protection state is entered. In the second protection state, the
以上がオーディオアンプ100の動作である。このオーディオアンプ100によれば、地絡状態で、シャットダウン状態が解除された場合において、起動直後のバイアス電圧VBIASが低い状態では、第1モードφ1に設定して過電流しきい値IOCPを低下させることで、熱的な問題から出力段112を保護できる。またバイアス電圧VBIASが高い状態では、第2モードφ2に設定して過電流しきい値IOCP2を高くすることで、出力段112の最大出力パワーを犠牲にすることなく、出力段112のトランジスタMHに絶対最大定格電流を超える過電流が流れるのを防止できる。
The above is the operation of the
本発明は、図5のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 The present invention is understood as the block diagram and circuit diagram of FIG. 5 or extends to various apparatuses and methods derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and examples will be described in order not to narrow the scope of the present invention but to help understanding and clarify the essence and operation of the present invention.
図7は、保護回路170および過電流検出回路150の構成例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the
保護回路170は、保護トランジスタ172および保護実行部173を含む。保護トランジスタ172は、ハイサイドトランジスタMHのゲートソース間に設けられる。
The
検出信号VDETの信号レベルは、ソース電流ISRCに応じて変化する。保護回路170の保護実行部173は、第1保護状態において検出信号VDETの信号レベルに応じて保護トランジスタ172のゲート電圧VG1を変化させる。この負帰還によりソース電流ISRCが、IOCP1にもとづくリミット量に制限される。
The signal level of the detection signal V DET changes according to the source current I SRC . The
また保護実行部173は第2保護状態において保護トランジスタ172をフルオンする。より好ましくは保護実行部173は、第2保護状態において、検出信号VDETのアサートをラッチし、第2保護状態を維持する。これによりラッチ停止が提供される。
Further, the
過電流検出回路150は、出力段112のレプリカ回路151を含む。レプリカ回路151は、ハイサイドトランジスタMHのレプリカトランジスタ152と、ローサイドトランジスタMLのレプリカトランジスタ153を含む。レプリカトランジスタ152,153のゲートは、トランジスタMH,MLのゲートと共通に接続される。レプリカトランジスタ152にはハイサイドトランジスタMHに流れるソース電流に比例した検出電流ISRC’が流れる。
The
比較回路154は、レプリカトランジスタ152に流れる電流ISRC’を、第1モードφ1において第1しきい値電流IOCP1’、第2モードφ2において第1しきい値電流IOCP1’より大きい第2しきい値電流IOCP2’と比較し、比較結果に応じた検出信号VDETを出力する。
Comparator circuit 154 'a, in the first mode phi 1 first threshold current I OCP1' current I SRC flowing through the
図8は、保護回路170および過電流検出回路150のより具体的な構成例を示す図である。保護実行部173は、タイマーラッチ回路174、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2を含む。第1スイッチSW1は、比較回路154の出力と保護トランジスタ172のゲートの間に設けられ、第1モードφ1においてオンとなる。その結果、検出電圧VDETが直接、保護トランジスタ172のゲートに供給され、負帰還経路が形成され、第1保護状態となる。
FIG. 8 is a diagram illustrating a more specific configuration example of the
タイマーラッチ回路174は、検出信号VDETをラッチする。タイマーラッチ回路174の出力は、ハイレベル、ローレベルの2値の信号である。第2スイッチSW2は、タイマーラッチ回路174の出力と保護トランジスタ172のゲートの間に設けられ、第2モードφ2においてオンとなる。第2モードφ2において検出信号VDETがアサートされると、タイマーラッチ回路174の出力はローレベル電圧となり、保護トランジスタ172がフルオンし、ハイサイドトランジスタMHが完全にオフする。
The
比較回路154は、第1抵抗R21、第2抵抗R22、カレントミラー回路156、第1電流源CS1、第2電流源CS2を含む。第1抵抗R21はレプリカトランジスタ152と電源ラインの間に設けられる。第2抵抗R22は、第1モードφ1において第1抵抗値Ra、第2モードφ2において第1抵抗値より大きい第2抵抗値Rb(Rb>Ra)を有する可変抵抗である。カレントミラー回路156は、第1抵抗R21および第2抵抗R22をソース負荷(エミッタ負荷)とする。第1電流源CS1は、カレントミラー回路156の入力と接続され、第2電流源CS2は、カレントミラー回路156の出力と接続される。検出信号VDETの信号レベルは、カレントミラー回路156と第2電流源CS2の接続ノードの状態に応じている。
The
図9は、保護実行部173の構成例を示す回路図である。保護実行部173は、タイマーラッチ回路174を含む。タイマーラッチ回路174は、タイマー回路176およびラッチ回路178を含む。第2モードφ2において検出信号VDETがロー(アサート)となると、トランジスタTr31がオンとなり、キャパシタC31が抵抗R31を介して充電される。そしてキャパシタC31の電圧VC31がシュミットバッファ177のしきい値を超えると、シュミットバッファ177の出力はハイとなる。シュミットバッファ177の出力は、インバータINV1により反転され、ラッチ回路(フリップフロップ)178に入力される。ラッチ回路178のハイ出力は、インバータINV2により反転され、第2スイッチSW2を介して保護トランジスタ172のゲートにローレベル電圧が入力される。これにより保護トランジスタ172がフルオンする。
FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
図10は、バイアス回路120およびモードセレクタ180の構成例を示す回路図である。バイアス電圧VBIASは、電源電圧VDDと接地電圧VGND(0V)の中点付近(VDD/2)に設定される。バイアス回路120は、抵抗R41,R42を含む分圧回路と、トランジスタTr41を含む。トランジスタTr41は、SDB信号に応じて制御され、シャットダウン解除とともにオンとなる。2つの抵抗R41,R42の接続点は、バイアス(BIAS)ピンと接続される。BIASピンには、外付けのキャパシタC41が接続される。バイアス電圧VBIASの時定数は、キャパシタC41の容量に応じて定まる。
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
モードセレクタ180は、電圧コンパレータ182を含む。電圧コンパレータ182は、バイアス電圧VBIASをしきい値電圧VMODEと比較し、比較結果にもとづくモード信号MODEを出力する。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.
実施の形態では、バイアス電圧VBIASにもとづいてモードを切り替えたがその限りでない。図11(a)〜(d)は、変形例に係るモードセレクタ180を示す回路図である。
In the embodiment, the mode is switched based on the bias voltage V BIAS , but this is not the case. FIGS. 11A to 11D are circuit diagrams showing a
(変形例1)
図11(a)のモードセレクタ180は、タイマー回路184を含む。タイマー回路184は、SDB信号を監視し、スタンバイ解除から所定時間の経過するまでを第1モードφ1とし、経過後を第2モードφ2とする。これによりオーディオアンプ100の起動から所定時間の経過前を第1モードφ1、所定時間の経過後を第2モードφ2とすることができる。
(Modification 1)
The
図11(b)では、オーディオアンプ100は、モード制御ピンMODEを備え、モードセレクタ180の機能は、オーディオアンプ100の外部、たとえばマイコンの内部に実装される。オーディオアンプ100は、モード制御ピンMODEの状態に応じて、第1モードφ1と第2モードφ2が切り替わる。
In FIG. 11B, the
図11(c)では、モードセレクタ180は入力検出回路186を備える。入力検出回路186は、入力ピンINに入力されるオーディオ信号を監視し、オーディオ信号の未検出状態を第1モードφ1とし、オーディオ信号の入力を検出すると、第2モードφ2に切り替わる。
In FIG. 11C, the
図11(d)では、モードセレクタ180は電圧コンパレータ188を備える。電圧コンパレータ188は、アンプ102の出力信号VOUTをしきい値電圧VMODEと比較し、VOUT<VMODEのとき第1モードφ1、VOUT>VMODEのとき第2モードφ2を選択する。
In FIG. 11D, the
(変形例2)
実施の形態ではシングルエンドのオーディオアンプ100を説明したが、BTL形式のオーディオアンプにも本発明は適用可能である。図12は、BTL形式のオーディオアンプ100Aを示すブロック図である。オーディオアンプ100Aは、アンプ102P、102Nを備える。アンプ102P,102Nそれぞれの構成は、上述のアンプ102と同様であるが、抵抗R13が接地されずに互いの入力と接続されている。
(Modification 2)
Although the single-
(変形例3)
実施の形態では、ハイサイドトランジスタMHの保護について説明したが、ローサイドトランジスタMLについても同様に保護対象とすることができる。図13は、変形例に係るオーディオアンプの過電流保護に関連する部分の回路図である。図13において、ハイサイドトランジスタMHの保護に関する回路ブロックに添え字のHを、ローサイドトランジスタMLの保護に関する回路ブロックに添え字のLを付している。ハイサイドとローサイドとで対応する回路ブロックは、トランジスタの極性を入れ替えて、天地を反転した構成となっている。ローサイド用の過電流検出回路150Lは、ローサイドトランジスタMLに流れるシンク電流を過電流しきい値と比較し、第2検出信号を生成する。この過電流しきい値も、第1モードと第2モードとで切り替わる。ローサイド用の保護回路170Lは、第1モードにおいて第2検出信号がアサートされると第1保護状態となり、第2モードにおいて第2検出信号がアサートされると第2保護状態となる。タイマー回路176Lの入力には、インバータが追加される。また図9のインバータINV1は、NANDゲートに置換されている。その他は図9と同様である。
(Modification 3)
In the embodiment has described the protection of the high side transistor M H, it may be similarly protected also the low-side transistor M L. FIG. 13 is a circuit diagram of a portion related to overcurrent protection of an audio amplifier according to a modification. 13, the H of subscripts to the circuit block relating to the protection of the high side transistor M H, are denoted by the L subscripts to the circuit block relating to the protection of the low-side transistor M L. The circuit block corresponding to the high side and the low side has a configuration in which the polarity of the transistors is switched and the top and bottom are reversed.
(変形例4)
実施の形態ではMOSトランジスタで構成されるオーディオアンプを説明したが、一部あるいは全部のトランジスタをバイポーラトランジスタで構成してもよい。その場合、ゲート、ソース、ドレインを、ベース、エミッタ、コレクタと読み替えればよい。
(Modification 4)
In the embodiment, the audio amplifier composed of MOS transistors has been described. However, some or all of the transistors may be composed of bipolar transistors. In that case, the gate, the source, and the drain may be read as the base, the emitter, and the collector.
(変形例5)
図7などの構成例では、第1保護状態と第2保護状態とで、共通の保護トランジスタ172を利用したがその限りでなく、第1保護状態のための保護トランジスタと、第2保護状態のための保護トランジスタとを並列に2個、別々に設けてもよい。
(Modification 5)
In the configuration example of FIG. 7 and the like, the
(用途)
最後に、オーディオ出力装置200のアプリケーションを説明する。図14(a)〜(c)は、電子機器1の外観図である。図14(a)は電子機器1の一例であるディスプレイ装置600である。ディスプレイ装置600は、筐体602、スピーカ2を備える。オーディオ出力装置200は筐体に内蔵され、スピーカ2を駆動する。スピーカ2は、電気音響変換素子202に相当する。
(Use)
Finally, an application of the
図14(b)は電子機器1の一例であるオーディオコンポ700である。オーディオコンポ700は、筐体702、スピーカ2を備える。オーディオ出力装置200は筐体702に内蔵され、スピーカ2を駆動する。
FIG. 14B shows an
図14(c)は電子機器1の一例である小型情報端末800である。小型情報端末800は、スマートフォン、タブレットPC(Personal Computer)、オーディオプレイヤ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどである。小型情報端末800は、筐体802、スピーカ2、ディスプレイ804を備える。オーディオ出力装置200は筐体802に内蔵され、スピーカ2を駆動する。
FIG. 14C illustrates a
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show one aspect of the principle and application of the present invention. Many variations and modifications of the arrangement are allowed without departing from the spirit of the present invention defined in the scope.
100 オーディオアンプ
102 アンプ
110 オペアンプ
112 出力段
114 差動増幅段
MH ハイサイドトランジスタ
ML ローサイドトランジスタ
120 バイアス回路
150 過電流検出回路
152 レプリカトランジスタ
154 比較回路
156 カレントミラー回路
CS1 第1電流源
CS2 第2電流源
170 保護回路
172 保護トランジスタ
173 保護実行部
174 タイマーラッチ回路
176 タイマー回路
178 ラッチ回路
180 モードセレクタ
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
200 オーディオ出力装置
202 電気音響変換素子
DESCRIPTION OF
Claims (18)
第1モードにおいて過電流しきい値が第1値、第2モードにおいて前記過電流しきい値が前記第1値より大きい第2値となり、前記出力段のハイサイドトランジスタに流れるソース電流を前記過電流しきい値と比較し、前記ソース電流が前記過電流しきい値を超えると検出信号をアサートする過電流検出回路と、
前記第1モードにおいて前記検出信号がアサートされると第1保護状態となり、前記第2モードにおいて前記検出信号がアサートされると第2保護状態となる保護回路と、
を備えることを特徴とするオーディオアンプ。 An operational amplifier having a push-pull type output stage;
In the first mode, the overcurrent threshold is a first value, and in the second mode, the overcurrent threshold is a second value larger than the first value, and the source current flowing through the high-side transistor of the output stage is An overcurrent detection circuit that asserts a detection signal when the source current exceeds the overcurrent threshold compared to a current threshold;
A protection circuit that enters a first protection state when the detection signal is asserted in the first mode, and enters a second protection state when the detection signal is asserted in the second mode;
An audio amplifier comprising:
前記バイアス電圧がしきい値電圧より低いとき前記第1モードとなり、前記バイアス電圧が前記しきい値電圧より高いとき前記第2モードとなることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のオーディオアンプ。 A bias circuit for generating a bias voltage of the operational amplifier;
The first mode is set when the bias voltage is lower than a threshold voltage, and the second mode is set when the bias voltage is higher than the threshold voltage. Audio amplifier.
前記制御信号が第1レベルのとき前記第1モードとなり、前記制御信号が第2レベルのとき前記第2モードとなることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のオーディオアンプ。 It further includes a control pin that receives an external control signal,
8. The audio amplifier according to claim 1, wherein the first mode is set when the control signal is at a first level, and the second mode is set when the control signal is at a second level.
前記ハイサイドトランジスタとゲートまたはベースが共通に接続されたレプリカトランジスタと、
前記レプリカトランジスタに流れる電流を、前記第1モードにおいて第1しきい値電流、前記第2モードにおいて前記第1しきい値電流より大きい第2しきい値電流と比較する比較回路と、
を含むことを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載のオーディオアンプ。 The overcurrent detection circuit includes:
A replica transistor having a gate or base commonly connected to the high-side transistor;
A comparison circuit for comparing a current flowing through the replica transistor with a first threshold current in the first mode and a second threshold current larger than the first threshold current in the second mode;
The audio amplifier according to claim 1, comprising:
前記レプリカトランジスタと電源ラインの間に設けられる第1抵抗と、
前記第1モードにおいて第1抵抗値、前記第2モードにおいて第2抵抗値を有する第2抵抗と、
前記第1抵抗および前記第2抵抗をソース/エミッタ負荷とするカレントミラー回路と、
前記カレントミラー回路の入力と接続される第1電流源と、
前記カレントミラー回路の出力と接続される第2電流源と、
を含み、前記検出信号は、前記カレントミラー回路と前記第2電流源の接続ノードの状態に応じていることを特徴とする請求項12に記載のオーディオアンプ。 The comparison circuit is
A first resistor provided between the replica transistor and a power supply line;
A second resistance having a first resistance value in the first mode and a second resistance value in the second mode;
A current mirror circuit using the first resistor and the second resistor as source / emitter loads;
A first current source connected to an input of the current mirror circuit;
A second current source connected to the output of the current mirror circuit;
The audio amplifier according to claim 12, wherein the detection signal depends on a state of a connection node between the current mirror circuit and the second current source.
前記第1モードにおいて前記第2検出信号がアサートされると第1保護状態となり、前記第2モードにおいて前記第2検出信号がアサートされると第2保護状態となるローサイド用の保護回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載のオーディオアンプ。 In the first mode, the overcurrent threshold is a first value, and in the second mode, the overcurrent threshold is a second value larger than the first value, and the sink current flowing through the low-side transistor of the output stage is reduced. A low-side overcurrent detection circuit that asserts a second detection signal when the sink current exceeds the overcurrent threshold compared to a current threshold;
A low-side protection circuit that enters a first protection state when the second detection signal is asserted in the first mode, and enters a second protection state when the second detection signal is asserted in the second mode;
The audio amplifier according to claim 1, further comprising:
電気音響変換素子を駆動するオーディオアンプと、
を備え、
前記オーディオアンプは、
ハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタを含むプッシュプル形式の出力段と、
オーディオ信号に応じて前記出力段を制御する差動増幅段と、
第1モードにおいて過電流しきい値が第1値、第2モードにおいて前記過電流しきい値が前記第1値より大きい第2値となり、前記出力段のハイサイドトランジスタに流れるソース電流を前記過電流しきい値と比較し、前記ソース電流が前記過電流しきい値を超えると検出信号をアサートする過電流検出回路と、
前記第1モードにおいて前記検出信号がアサートされると第1保護状態となり、前記第2モードにおいて前記検出信号がアサートされると第2保護状態となる保護回路と、
を備えることを特徴とするオーディオ出力装置。 An electroacoustic transducer;
An audio amplifier that drives the electroacoustic transducer;
With
The audio amplifier is
A push-pull type output stage including a high-side transistor and a low-side transistor;
A differential amplification stage for controlling the output stage according to an audio signal;
In the first mode, the overcurrent threshold is a first value, and in the second mode, the overcurrent threshold is a second value larger than the first value, and the source current flowing through the high-side transistor of the output stage is An overcurrent detection circuit that asserts a detection signal when the source current exceeds the overcurrent threshold compared to a current threshold;
A protection circuit that enters a first protection state when the detection signal is asserted in the first mode, and enters a second protection state when the detection signal is asserted in the second mode;
An audio output device comprising:
前記オーディオアンプは、ハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタを含むプッシュプル形式の出力段を備え、
前記保護方法は、
前記オーディオアンプの起動時に、前記ハイサイドトランジスタに流れるソース電流を第1しきい値を超えないように制限するステップと、
前記オーディオアンプの起動完了後に、前記ソース電流が前記第1しきい値より大きい第2しきい値を超えると、前記出力段を停止するステップと、
を備えることを特徴とする保護方法。 An audio amplifier protection method,
The audio amplifier includes a push-pull type output stage including a high-side transistor and a low-side transistor,
The protection method is:
Limiting the source current flowing through the high-side transistor so as not to exceed a first threshold when the audio amplifier is activated;
Stopping the output stage when the source current exceeds a second threshold value greater than the first threshold value after completion of startup of the audio amplifier;
A protection method comprising:
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