JP4875170B2 - スイッチング型増幅器に関するサンプリング周波数の低減 - Google Patents

Description

本出願は、２００７年２月１日に出願された米国仮出願第６０／８８７，６６２号の利益を主張する。先の出願による開示全体が、本出願による開示の一部をなすものと考慮されており、この開示は、引用により本明細書に組み入れる。

（本段落は前回のものと同一です。）
本発明は、スイッチング型増幅器及び方法に関連し、より詳細には、スイッチング型増幅器における電磁障害を低減させるシステム及び方法に関する。

主に、スイッチング型増幅器は、負荷への電圧をスイッチングするのに用いられるトランジスタが、トランジスタ両端電圧が相対的に低いＯＮ状態と、トランジスタを通る電流が相対的に低いＯＦＦ状態のいずれかになるので、非スイッチング型の従来品に比べて、きわめて良好な効率を有する。トランジスタにかかる低い電圧、若しくは、トランジスタを通過する低い電流により、トランジスタが浪費する電力は相対的に小さなる。

単一のＰＷＭストリームを用いるスイッチング型増幅器が、幅広く用いられている。これらのスイッチング型増幅器は、この増幅器の近くにある別の電子機器だけでなく、この増幅器の動作にも障害を与えることがある過度の電磁ラジオ周波数（“ＲＦ”）障害を、時として、発生させる。このＲＦ障害は、増幅器によって駆動される負荷をインダクタ及び／又はキャパシタによって形成されるフィルタに結合させることによって、ある程度弱められる。しかしながら、残存するＲＦ障害は、依然として、幾つかの応用例においては、大きすぎることがある。低コストの解決方法を用いてＲＦ障害を減少させる別の試みは、歪みを生じさせる結果となる。例えば、単一のＰＷＭストリームのサンプリングレートを低下させることは、ＲＦ障害を減少させるが、大幅な歪みも又、生じさせる結果になり、従って、実施するに値する選択肢ではなかった。その上、これらのスイッチング型増幅器は、正確に高帯域、高精度の信号を合理的な費用で増幅することはできない。

さらに最近の手法は、二つ若しくはそれより多いＰＷＭストリームを含む変調技術を利用できるスイッチング型増幅器、例えば多基準スイッチング型増幅器を用いることであった。多基準スイッチング型増幅器は、「多基準高精度スイッチング型増幅器」という名称の米国特許第６，５３５，０５８号に記載されており、その内容の全体を、引用により本明細書に組み入れる。多基準スイッチング型増幅器の一例として、あるストリームは、高電圧の粗ＰＷＭストリームであり、他方のストリームは、低電圧の微細ＰＷＭストリームである二つの別々のＰＷＭストリームを備えるものが挙げられる。多基準スイッチング型増幅器は、高帯域、高精度の信号を合理的な費用で増幅する問題を解決しているが、ＲＦ障害の低減といった多基準スイッチング型増幅器の性能改善の問題は、依然として存在する。

従来の方法によって、多基準スイッチング型増幅器のサンプリングレートを低下させることは又、出力信号の歪みの増加を招く結果となる。その上、サンプリングレートの周波数を低下させることは、増幅される音響信号の帯域幅若しくは周波数を制限することになる。従って、歪みを引き起こさないで、かつ、合理的な費用で出力信号の帯域幅若しくは周波数を制限しない電磁ＲＦ障害を低減させる方法でスイッチング型増幅器を動作させるシステム及び方法が必要である。

本発明は、スイッチング型増幅器において、出力信号に歪みを引き起こすことなくＲＦ障害を減少させるシステム及び方法に関する。本発明の一側面においては、スイッチングデバイスは、第一電圧に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第一の組と、第二電圧に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第二の組とを含む。スイッチング型増幅器はさらに、第一サンプリングレートで前記スイッチングデバイスの第一の組を制御し、かつ、第二サンプリングレートで前記スイッチングデバイスの第二の組を制御して、前記入力信号に応じて、第一及び第二電圧を負荷に与えるように攻勢された変調器を含み、この場合、前記第一サンプリングレートは、前記第二サンプリングレートより小さいものとする。

典型的なマルチリファレンススイッチング型増幅器のブロック図である。

従来技術における図１の回路に典型的に見られる電圧波形を示す。

本発明の一実施形態に対応した図１の電圧波形を示す。

本発明の実施形態は、性能を劣化させることなく、スイッチング型増幅器におけるＲＦ障害を小さくするシステム及び方法を提供することに向けられる。本発明を十分に理解できるようにするためにある程度の細部が以下に説明される。しかしながら、本分野における当業者には、これらの細部なしでも本発明実施できることが理解されるであろう。

図１は、二基準スイッチング型増幅器のブロック図である。図１は、二基準スイッチング型増幅器に向けられているが、本分野における通常の技術を有する者には、本発明を、いずれの多基準スイッチング増幅器にも適用できることが理解されるであろう。図１の二基準スイッチング型増幅器は、二つの基準、つまり、正の電源電圧Ｖ＋と、レギュレータ１１４によってＶ＋から供給される電圧とを持つ。正の電源電圧Ｖ＋は、制御スイッチ１０８、１１１を介して、負荷１１９にエネルギーを供給する。接地電位は、スイッチングデバイス１１０、１１３を介して負荷１１９に与えられる。幾つかの実施形態においては、Ｖ＋基準によって供給される電圧は、レギュレータ１１４によって供給される電圧よりも大幅に大きい。例えば、一実施形態においては、正の電力電圧Ｖ＋によって供給される電圧は、概ね１２Ｖであり、レギュレータ１１４によって供給される電圧は、４７ｍＶである。

入力データストリーム１００は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１０７への入力として与えられ、該変調器１０７は、ＰＷＭ制御信号１０１、１０２、１０３、１０４、１０５及び１０６を出力し、それぞれ、スイッチングデバイス１０８、１０９、１１０、１１１、１１２及び１１３を制御する。負荷１１９は、二つのインピーダンス出力ノードに対して、ブリッジ形態で接続される。第一出力ノードＡは、スイッチングデバイス１０８、１０９及び１１０に接続される。第二出力ノードＢは、スイッチングデバイス１１１、１１２及び１１３に接続される。従って、スイッチングデバイス１０８及び１１１は、正の電源Ｖ＋を負荷１１９に接続し、スイッチングデバイス１０９及び１１２は、レギュレータ１１４によってＶ＋から供給された参照電圧を負荷１１９に接続し、スイッチングデバイス１１０及び１１３は、接地電位を負荷１１９に接続する。図１の回路は、既に参照した米国特許第６，５３５，０５８においてより詳細に記載されている。

図１の回路は、負荷１１９のそれぞれの横側における二つの別々のＰＷＭデータストリームをもたらす。図１に示される実施形態においては、スイッチングデバイス１０８、１１１を介して負荷１１９に適用されることになるパルス幅変調されたＰＷＭデータストリームが、高電圧変調粗ストリームになる。スイッチングデバイス１０９、１１２を介して負荷１１９に適用されるパルス幅変調されたデータストリームが、低電圧変調微細ストリームになる。しかしながら、本分野において通常の技術を有する者にとっては、明らかであるように、粗電圧ストリーム及び微細電圧ストリームの形式は、スイッチングデバイスが高電圧源に接続されるか、低電圧源に接続されるかに依存する。

図２は、従来技術による図１の増幅器において典型的に見られる出力電圧及び電流の波形を示す。図形２００は、増幅されるべき図１のデータストリーム１００の波形を示す。図１における負荷１１９に対する出力の極性が変化するときに、電圧図形２０１、２０２、２０３、２０４、２０５及び２０６は、図１の制御信号１０１、１０２、１０３、１０４、１０５及び１０６の状態を、それぞれ反映している。電圧図形２０７は、第一入力ノードＡにおけるインダクタ１１５への入力として、スイッチングデバイス１０８、１０９及び１１０の総合出力を示す。電圧図形２０８は、第二入力ノードＢにおけるインダクタ１１７への入力としての、スイッチングデバイス１１１、１１２及び１１３の総合出力を示す。

上記において参照した特許に教示されるように、図形２０７及び２０８における粗データによって変調される高電圧Ｖ＋パルスは、図形２００において示される相対的な正負符号に追従し、図形２０７及び２０８における微細データによって変調される参照電圧パルスは、図形２００において示されるＶ＋と相対的に反対の符号に追従することがわかっている。電圧図形２０７及び２０８は、粗データによって変調されたＶ＋パルスが、負荷１１９の一方の側に加えられたとき、微細データによって変調された参照電圧パルスを負荷１１９の他方の側に与えられることを示している。例えば、スイッチングデバイス１０８が、Ｖ＋パルスを第一入力ノードＡに加えるとき、スイッチングデバイス１１２は、参照電圧パルスを第２入力ノードＢに加える。同じ電圧を負荷１１９の両側に保つ従来技術において典型的に行われるように、図形２０７及び２０８に示されるＶ＋の粗変調されたパルスと参照電圧の微細変調されたパルスとが、共通の固定出力サンプリングレートで発生する。

本発明の一実施形態においては、図１のスイッチング型増幅器は、図３に示されるように動作する。図形３００は、図１の増幅されるべきデータストリーム１００の波形を示す。図形３０１、３０２、３０３、３０４、３０５及び３０６は、それぞれ、スイッチングデバイス１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３を制御する信号１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６を示す。図形３０７は、インダクタ１１５への入力としての、スイッチングデバイス１０８、１０９、１１０の総合出力を示す。図形３０８は、インダクタ１１７への入力としての、スイッチングデバイス１１１、１１２、１１３の総合出力を示す。図２のものと同様に、図形３０７、３０８では、Ｖ＋の粗変調したパルス、及び、参照電圧の微細変調したパルスが、入力波形３００の相対する符号に追従する。

上述のように、サンプリングレート周波数を低下させることによって、ＲＦ障害を低減させる結果になる。従って、Ｖ＋の粗変調パルス及び参照電圧の微細変調パルスの周波数を低下させることによって、ＲＦ障害を減少させる結果となるが、粗変調パルスの周波数を低下させることは、微細変調パルスの周波数を低下させるよりも、ＲＦ障害を減少させることに関して、大きな効果を発揮する。粗変調パルスを減少させることによって、ＲＦ障害を減少させる結果となるが、出力信号に対して、歪みも生じさせる。しかしながら、従来技術で用いられる周波数のような、微細変調パルスを受け入れられる周波数に維持することによって、微細変調パルスは、粗変調パルスの低下した周波数によって引き起こされる歪みに対する影響を小さくする。その上、微細変調パルスは、予測可能な歪みを緩和することができるメカニズムを提供する。この状態は、図３の図形３０７及び３０８において見ることができ、ここでは、Ｖ＋の粗変調パルスの周波数が低下させられて、ＲＦ障害を減少させ、微細変調パルスは、図２におけるパルスと同一周波数を保っている。要約すると、ＲＦ障害を減少させることが、性能について妥協することにはなってはいない。さらに、ＲＦ障害を低減させるために、粗信号のサンプリングレートを低下させることは、スイッチング型増幅器に、多くの場合に用いられるような高価な出力フィルタを要求しないので、低費用のスイッチング型増幅器を実現する結果となる。本分野において通常の技術を有するものにとって明らかなように、図１の変調器１０７は、参照電圧パルスのサンプリングレートに対するＶ＋のサンプリングレートを調節するために、幾分複雑さが増加する傾向にある。

本発明の一実施形態においては、周波数を低下させることによって、粗パルスのデューティ比が、乱されない。図３において、粗変調パルスのサンプリングレートは減少しているが、デューティ比は、図２における粗変調パルスに比例した状態に維持されている。例えば、図形３０７、３０８のＶ＋の粗変調パルスは、結果として、図２の図形２０７、２０８におけるＶ＋の粗変調パルスの２倍の長さで半分の周波数になる。従って、図３の図形３０７、３０８を積算した結果は、図２の図形２０７、２０８を積算した結果に等しいが、出力周波数は半分に減少する。図２は、Ｖ＋の粗変調パルスが２倍の長さで、半分の周波数であることを示すが、本分野において通常の技術を有する者にとって明らかなように、パルスは、別の値だけ長くし、パルスの周波数を別のレートだけ、減少させてもよい。しかしながら、一実施形態においては、粗変調信号の長さ及び周波数は、負荷１１９に同一の出力信号を与える。図形３０７、３０８において見られるように、参照電圧の微細変調パルスの出力サンプリング周波数は、図２に示されるように乱されない。従って、参照電圧の微細変調パルスは、上述したようにサンプリングレートを減少させることによる歪みを補償することができる。

本分野における通常の技術を有するものにとって明らかなように、図１における電圧の構成は、他の構成としてもよい。例えば、一実施形態においては、Ｖ＋電源を接地し、図１に示される接地電位を負の電圧にしてもよい。しかしながら、別の実施形態は、図１のＶ＋を負の電圧としてもよい。

本明細書に記載される方法によって、多基準スイッチング型増幅器におけるＲＦ障害を、帯域内性能について妥協することなく、減少させ得ることが理解されるであろう。

本発明は、開示した実施形態を参照して説明したが、本分野における当業者は、本発明の精神及び範囲から外れることなく形態と細部を変化させることができることを認識するであろう。そのような変更は、本分野における通常の知識を有する者の熟練の範囲に含まれる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲による場合を除いて、制限されることはない。

Claims (23)

1. 第一電圧に接続されるように動作し、かつ、負荷に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第一の組と、
   第二電圧に接続されるように動作し、かつ、負荷に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第二の組と、
   第三電圧に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第三の組と、
   入力信号を受ける入力端と、前記スイッチングデバイスのそれぞれに接続された、それぞれの出力端とを持つ変調器と、
   を備え、
   前記変調器は、第一サンプリングレートで前記スイッチングデバイスの第一の組を制御し、第二サンプリングレートで前記スイッチングデバイスの第二の組を制御して、前記入力信号に従って、第一及び第二電圧を前記負荷に与えるように構成され、
   前記第一サンプリングレートは、前記第二サンプリングレートより小さい、
   ことを特徴とするスイッチング型増幅器。
2. 前記スイッチングデバイスの第一の組は、粗電力制御を前記負荷に提供し、前記スイッチングデバイスの第二の組は、微細電力制御を前記負荷に提供することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング型増幅器。
3. 前記スイッチングデバイスの第一の組における第一スイッチングデバイスは、前記負荷の第一端に直接接続されるように動作し、前記スイッチングデバイスの第二の組における第一スイッチングデバイスは、前記負荷の第二端に直接接続されるように動作することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング型増幅器。
4. 前記第一電圧は、前記第二電圧より高い電圧を与えるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング型増幅器。
5. 前記変調器は、前記スイッチングデバイスの第一の組を、前記スイッチングデバイスの第二の組の前記第二サンプリングレートの半分である第一サンプリングレートで制御するように構成されることを特徴とする請求項３に記載のスイッチング型増幅器。
6. 前記スイッチングデバイスの第一及び第二の組のデューティ比は、前記入力信号の前記粗特性及び微細特性によって決定されることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング型増幅器。
7. 前記スイッチングデバイスの第三の組は、初期電圧状態を前記負荷に与えることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング型増幅器。
8. 第一、第二及び第三の参照電圧と、
   各々の制御スイッチが、前記参照電圧の一つに接続され、かつ、第一出力ノードに接続されている制御スイッチの第一の組と、
   各々の制御スイッチが、前記参照電圧の一つに接続され、かつ、第二出力ノードに接続されている制御スイッチの第二の組と、
   入力信号を受ける入力端と、前記制御スイッチの第一の組のそれぞれに各々が接続される第一の複数の出力段と、前記制御スイッチの第二の組のそれぞれに各々が接続される第二の複数の出力段とを持つ変調器と、
   を備え、
   前記変調器は、前記入力信号に応答して、前記制御スイッチの前記第一及び第二の組のための複数の制御信号を生成するように動作し、
   前記複数の制御信号は、前記制御スイッチを作動させ、前記第一出力ノード及び第二出力ノードに、変調したパルス幅を持つ参照電圧のパルスを与えるように動作し、
   前記第一参照電圧に接続された前記制御スイッチは、前記第二参照電圧に接続された前記制御スイッチよりも低い周波数で前記パルス幅を変調する、
   ことを特徴とするスイッチング型増幅器。
9. 前記第一参照電圧に接続される前記制御スイッチは、粗電力制御を前記第一出力ノード及び前記第二出力ノードに提供し、前記第二参照電圧に接続される前記制御スイッチは、微細電力制御を前記第一出力ノード及び前記第二出力ノードに提供することを特徴とする請求項８に記載のスイッチング型増幅器。
10. より低い周波数の前記第一参照電圧の変調したパルス幅に接続した前記制御スイッチは、大幅な歪みを前記出力信号に生じさせることなく電磁障害を減少させる結果をもたらす請求項９に記載のスイッチング型増幅器。
11. 前記制御スイッチの第一の組における、第一制御スイッチ及び第二制御スイッチは、前記第一出力ノードに接続され、前記制御スイッチの第二の組における、第一制御スイッチ及び第二制御スイッチは、前記第二出力ノードに接続されることを特徴とする請求項８に記載のスイッチング型増幅器。
12. 微細変調は、減少した周波数によって生じた歪みの予測的歪み除去を提供することを特徴とする請求項８に記載のスイッチング型増幅器。
13. 前記スイッチングデバイスの第一及び第二の組のデューティ比は、前記入力信号の粗特性及び微細特性によって決定されることを特徴とする請求項８に記載のスイッチング型増幅器。
14. スイッチング型増幅器を動作させる方法であって、
    入力信号を前記スイッチング型増幅器の入力端に与えることと、
    第一期間において、複数の第一パルス幅変調した電圧パルスを前記スイッチング型増幅器の第一出力に与えることと、
    前記第一期間において、複数の第二パルス幅変調した電圧パルスを前記スイッチング型増幅器の第二出力に与えることと、
    を含み、
    前記第一パルス幅変調した電圧パルスの電圧は、前記第二パルス幅変調したパルスの電圧より大きく、前記第一パルス幅変調した電圧パルスは、前記第二出力に接続した前記第二パルス幅変調したパルスよりも低い周波数で前記第一出力に接続される、
    ことを特徴とする方法。
15. 第二期間において、複数の第三パルス幅変調した電圧パルスを前記スイッチング型増幅器の前記第一出力に与えること、
    及び
    前記第二期間において、複数の第四パルス幅変調した電圧パルスを前記スイッチング型増幅器の前記第二出力に与えること、
    をさらに含み、
    前記第四パルス幅変調した電圧パルスの電圧は、前記第三パルス幅変調した電圧パルスの電圧より高く、
    前記第四パルス幅変調した電圧パルスは、前記第三パルス幅変調した電圧パルスが前記第一出力に接続される場合より低い周波数で前記第二出力に接続されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記第一パルス幅変調した電圧パルスは、粗電力制御を前記増幅器の出力に提供し、前記第二パルス幅変調した電圧パルスは、微細電力制御を前記増幅器の出力に提供することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記第二パルス幅変調した電圧パルスは、減少した周波数によって、生じた歪みの予測的歪み除去を提供することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記スイッチングデバイスの第一及び第二の組のデューティ比は、前記信号の粗特性及び微細特性によって決定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記負荷は、スピーカであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. 負荷と、
    スイッチング型増幅器と、
    を備えるシステムであって、
    前記スイッチング増幅器は、
    第一電圧に接続されるように動作し、かつ、負荷に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第一の組と、
    第二電圧に接続されるように動作し、かつ、負荷に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第二の組と、
    第三電圧に接続されるように動作するスイッチングデバイスの第三の組と、
    入力信号を受ける入力端と、前記スイッチングデバイスそれぞれに各々が接続されたそれぞれの出力端とを持つ変調器と、
    を備え、
    前記変調器は、第一サンプリングレートで前記スイッチングデバイスの第一の組を制御し、第二サンプリングレートで前記スイッチングデバイスの第二の組を制御して、前記入力信号に従って、第一及び第二電圧を前記負荷に与えるように構成され、
    前記第一サンプリングレートは、前記第二サンプリングレートより小さい、
    ことを特徴とするシステム。
21. 前記負荷は、スピーカであることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. 前記スイッチングデバイスの第一の組は、粗電力制御を負荷に対して行い、前記スイッチングデバイスの第二の組は、微細電力制御を負荷に対して行うことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
23. 前記変調器は、前記スイッチングデバイスの第一の組を、前記スイッチングデバイスの第二の組の前記第二サンプリングレートの半分である第一サンプリングレートで制御するように構成されることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。

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