JP7814735B2 - Audio Output Circuit - Google Patents
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Description
本発明は、音声出力回路に関する。 The present invention relates to an audio output circuit.
ガイド音声や効果音などの音声を出力する機器に搭載される音声出力装置がある。このような音声出力装置として、音声データをPWM信号(PWM:Pulse Width Modulation、パルス幅変調)に変換し、PWM信号に基づいてスピーカを駆動することで、所定音量の音声を出力する装置が知られている。例えば、下記特許文献1には、安価なマイクロコンピュータ(以下、マイクロコンピュータをマイコンと略す。)と、Hブリッジ回路(駆動回路)とを備えた音声再生装置(音声出力装置)が開示されている(特許文献1の図1(B)参照)。 There are audio output devices installed in devices that output audio such as guide voices and sound effects. One such audio output device known is one that converts audio data into a PWM signal (Pulse Width Modulation) and drives a speaker based on the PWM signal to output audio at a predetermined volume. For example, Patent Document 1 below discloses an audio playback device (audio output device) that includes an inexpensive microcomputer (hereinafter, "microcomputer" is abbreviated as "micon") and an H-bridge circuit (drive circuit) (see Figure 1(B) of Patent Document 1).
上記の音声再生装置において、マイコンのメモリには、音声出力デバイス(Hブリッジ回路、スピーカ)を駆動するためのミドルウェアであるドライバーが記憶されている。マイコン(CPU)は、圧縮された音声データをPCM形式のデジタルデータの音声信号に変換し、メモリに記憶されたドライバーに基づいてPCM形式の音声信号をパルス幅が信号レベルに比例するPWM信号に変換する。 In the above audio playback device, the microcomputer's memory stores a driver, which is middleware for driving the audio output devices (H-bridge circuit, speaker). The microcomputer (CPU) converts compressed audio data into a PCM format digital audio signal, and then, based on the driver stored in memory, converts the PCM format audio signal into a PWM signal whose pulse width is proportional to the signal level.
また、上記の音声再生装置において、Hブリッジ回路は4つの電界効果トランジスタ(FET、Field effect transistor)で構成されている。このHブリッジ回路は、マイコンからのPWM信号に基づいて4つのFETがスイッチング動作することで電力増幅を行い、スピーカを駆動する。これにより、決まった音量で音声が再生される。 In addition, in the above audio playback device, the H-bridge circuit is composed of four field effect transistors (FETs). This H-bridge circuit amplifies power by switching the four FETs based on a PWM signal from the microcontroller, driving the speaker. This allows audio to be played at a set volume.
上記の音声再生装置では、フルデジタル方式を採用し、デジタルデータである音声信号の入力からスピーカを駆動するPWM信号の生成までを全てデジタル領域で行う。このようなフルデジタル方式の音声再生装置によれば、信号を一旦アナログ変換するものと比較して、発熱量が少なく低消費電力であると共に、ノイズの混入による信号の劣化を回避することができ、しかも部品コストを大幅に削減することができる。 The above audio playback device uses a fully digital system, with all processes from inputting the digital audio signal to generating the PWM signal that drives the speaker being carried out digitally. Compared to devices that first convert the signal to analog, this type of fully digital audio playback device generates less heat and consumes less power, avoids signal degradation due to noise contamination, and also significantly reduces component costs.
上記の音声再生装置については、入力された音声信号に基づいて予め決められた音量で音声を再生するので、機器への搭載後に音量を調整することは想定されていない。この点、上記の音声再生装置について、音声出力機器への搭載後であっても音声の音量を自由にコントロール可能な構成とすれば、ユーザ毎に所望の音量に調整可能となり、用途を広げることができる。そこで、このようなフルデジタル方式を採用する音声再生装置において、デジタルボリュームを用いてボリュームコントロールする構成が考えられる。例えば、音声の音量を絞るときには、PWM信号により出力するデジタルデータの振幅を符号付きの割り算処理を用いて小さくしPWM信号の変調度を下げることで出力する音声信号の振幅を小さくする。 The above-mentioned audio playback device plays audio at a predetermined volume based on the input audio signal, so it is not expected that the volume will be adjusted after installation in the device. In this regard, if the above-mentioned audio playback device were configured to allow free control of the audio volume even after installation in an audio output device, each user would be able to adjust the volume to their desired level, thereby expanding its applications. Therefore, in such fully digital audio playback devices, a configuration using a digital volume control is conceivable. For example, when lowering the audio volume, the amplitude of the digital data output by the PWM signal is reduced using signed division processing, thereby lowering the modulation degree of the PWM signal and thereby reducing the amplitude of the output audio signal.
しかし、かかる構成では、音声再生装置において再生可能なビット深度が比較的小さいと(例えば16ビット)、上記したボリュームコントロールの方法により音量を下げたときに、デジタルデータ中の信号成分の有効ビット数が減少し(例えば16ビット-3ビット=13ビットに減少)、その分量子化ノイズとなってノイズフロアを押し上げ、音声の音質が下がる(つまり音が悪くなる)という問題がある。 However, with this configuration, if the bit depth that can be reproduced by the audio playback device is relatively small (for example, 16 bits), lowering the volume using the volume control method described above reduces the number of effective bits of the signal components in the digital data (for example, to 16 bits - 3 bits = 13 bits), which results in quantization noise, raising the noise floor, and reducing the quality of the audio (i.e., the sound quality becomes poor).
なお、デジタルボリュームを用いて音量を小さくしたときの音質劣化を回避するには、出力するデジタルデータにおいて16ビット程度の有効ビット数を確保するようにすればよい。しかし、かかる場合、ボリュームコントロールされる分のビット数を4~8ビットとすると、音声再生装置の再生可能なビット深度(ND)として24ビット程度が必要となる。そうすると、サンプリングレート(fS)を48キロヘルツ(kHz)とすると、PWM信号を生成するタイマクロック信号の周波数(2のND乗×fS)は800ギガヘルツ(GHz)以上となってしまい、現時点の技術ではその実現は極めて困難である。 To avoid sound quality degradation when the volume is turned down using a digital volume control, it is sufficient to ensure an effective bit depth of about 16 bits in the output digital data. However, in this case, if the number of bits controlled by the volume is 4 to 8 bits, the reproducible bit depth (N D ) of the audio playback device must be about 24 bits. If the sampling rate (f S ) is then 48 kilohertz (kHz), the frequency of the timer clock signal that generates the PWM signal (2 to the power of N D × f S ) will be 800 gigahertz (GHz) or more, which is extremely difficult to achieve with current technology.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、音量を調整することができると共に、フルデジタル方式を採用しつつ低音量時でも音質のよい(つまり音の良い)音声を出力することができる音声出力回路を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide an audio output circuit that can adjust the volume and output good-quality (i.e., high-quality) audio even at low volumes while employing a fully digital system.
上記目的を達成するため、本発明では、音声データに基づき差動のPWM信号を生成するマイコンと、差動のPWM信号に従いHブリッジ回路をスイッチング動作させてスピーカに駆動電圧を出力する駆動回路と、を備える音声出力回路であって、駆動回路に対して可変電圧を印加して駆動回路から可変電圧に応じた駆動電圧を出力させる電圧可変電源をさらに備え、駆動回路は、マイコンの電源及び電圧可変電源の電圧に応じて、入力されたPWM信号の電圧をこの電圧と異なる電圧レベルに変換し、変換した電圧をHブリッジ回路のPMOSFETのゲート端子に入力するロジックレベル電圧変換回路を備え、PMOSFETは、電圧可変電源と接続されたソース端子と、抵抗を介して電圧可変電源と接続されたゲート端子と、を有し、ロジックレベル電圧変換回路は、PMOSFETのゲート端子と電圧可変電源との間に接続されたショットキーバリアダイオードと、ショットキーバリアダイオードのアノード端子とPWM信号入力端子との間に接続されたコンデンサと、を有し、電圧可変電源の電圧を変化させることでHブリッジ回路の出力電圧を制御しスピーカの出力音量を可変としたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides an audio output circuit comprising: a microcomputer that generates a differential PWM signal based on audio data; and a drive circuit that switches an H-bridge circuit in accordance with the differential PWM signal to output a drive voltage to a speaker, the audio output circuit further comprising a variable voltage power supply that applies a variable voltage to the drive circuit and causes the drive circuit to output a drive voltage corresponding to the variable voltage, the drive circuit comprising a logic level voltage conversion circuit that converts the voltage of an input PWM signal to a voltage level different from this voltage according to the voltages of the microcomputer power supply and the variable voltage power supply, and inputs the converted voltage to the gate terminals of PMOSFETs in the H-bridge circuit, the PMOSFETs having a source terminal connected to the variable voltage power supply and a gate terminal connected to the variable voltage power supply via a resistor, the logic level voltage conversion circuit having a Schottky barrier diode connected between the gate terminal of the PMOSFET and the variable voltage power supply, and a capacitor connected between the anode terminal of the Schottky barrier diode and the PWM signal input terminal, the output voltage of the H-bridge circuit being controlled by changing the voltage of the variable voltage power supply, thereby making it possible to vary the output volume of the speakers.
また、上記構成において、Hブリッジ回路を構成するFETは、2つのPMOSFETと2つのNMOSFETであり、2つのNMOSFETのドレイン端子は、それぞれ異なるPMOSFETのドレイン端子と接続され、NMOSFETのゲート端子は、PWM信号入力端子と接続されると共に、抵抗を介してグランドと接続され、NMOSFETのソース端子は、グランドと接続されてもよい。さらに、上記構成において、ロジックレベル電圧変換回路は、NMOSFETのゲート端子にPWM信号の信号電圧と等しい電圧レベルの電圧を印加すると共に、所定の場合、PMOSFETのゲート端子に、マイコンの電源電圧の電圧値から電圧可変電源の電圧値を引いた電圧レベルの電圧を印加してもよい。 In the above configuration , the FETs constituting the H -bridge circuit may be two PMOSFETs and two NMOSFETs, the drain terminals of the two NMOSFETs may be connected to the drain terminals of different PMOSFETs, the gate terminals of the NMOSFETs may be connected to the PWM signal input terminal and to ground via a resistor, and the source terminals of the NMOSFETs may be connected to ground. Furthermore, in the above configuration, the logic level voltage conversion circuit may apply a voltage of a level equal to the signal voltage of the PWM signal to the gate terminals of the NMOSFETs, and in certain cases, apply a voltage of a level obtained by subtracting the voltage value of the variable voltage power supply from the voltage value of the power supply voltage of the microcomputer to the gate terminal of the PMOSFET.
本発明によれば、電圧可変電源の電圧を変化させることで音量を調整することができると共に、フルデジタル方式を採用しつつ低音量時でも音質のよい音声を出力することができる。 This invention allows the volume to be adjusted by changing the voltage of the variable voltage power supply, and employs a fully digital system to output high-quality audio even at low volumes.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、図面においては、実施形態を説明するため、一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現することがある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these. In addition, in order to explain the embodiments, the drawings may be drawn to a different scale, such as by enlarging or emphasizing certain parts.
図1は、音声出力回路100の概略構成の一例を示すブロック図である。図1では、音声出力回路100について、スピーカSPと共に音声出力装置1を構成した状態を示している。図1の音声出力装置1は、音声出力回路100とスピーカSPとを含んで構成され、音声データから生成したPWM信号に基づいてスピーカSPを駆動させることで、スピーカSPから音声を出力する。音声出力回路100は、図1に示すように、マイコン10と、電圧可変電源20と、ロジックレベル電圧変換回路30と、Hブリッジ回路40とを備える。音声出力回路100は、フルデジタル方式を採用し、後述するように、デジタルデータである音声信号の入力からスピーカを駆動するPWM信号の生成までを全てデジタル領域で行う。 Figure 1 is a block diagram showing an example of the schematic configuration of an audio output circuit 100. Figure 1 shows the audio output circuit 100 configured together with a speaker SP to form an audio output device 1. The audio output device 1 in Figure 1 is configured to include the audio output circuit 100 and the speaker SP, and outputs audio from the speaker SP by driving the speaker SP based on a PWM signal generated from audio data. As shown in Figure 1, the audio output circuit 100 includes a microcontroller 10, a voltage variable power supply 20, a logic level voltage conversion circuit 30, and an H-bridge circuit 40. The audio output circuit 100 employs a fully digital system, and as described below, all processes from the input of the audio signal (digital data) to the generation of the PWM signal that drives the speaker are performed digitally.
マイコン10は、CPU11、メモリ12、及びタイマ13,14を有する。マイコン10は、これらCPU11、メモリ12、及びタイマ13,14などを1つのLSIチップ(LSI:Large Scale Integration Circuit)に集積した回路である。 The microcomputer 10 has a CPU 11, memory 12, and timers 13 and 14. The microcomputer 10 is a circuit in which the CPU 11, memory 12, and timers 13 and 14 are integrated into a single LSI chip (Large Scale Integration Circuit).
CPU11は、後述する音声再生ミドルウェア15に基づいて、メモリ12の圧縮された音声データをデコードしてPCM形式の音声信号に変換する。なお、PCM形式の音声信号は、所定のサンプリング周波数の離散的なデジタルデータである。 The CPU 11 decodes the compressed audio data in the memory 12 and converts it into a PCM format audio signal based on the audio playback middleware 15 described below. Note that a PCM format audio signal is discrete digital data with a predetermined sampling frequency.
また、CPU11は、メモリ12に記憶された音声再生ミドルウェア15に基づいてマイコン10に内蔵されたタイマ13,14を制御することにより、PCM形式の音声信号の信号レベルの大きさに基づいたPWM信号を生成する。PWM信号は、出力パルスの周期は一定である。一方、PWM信号は、音声信号の大きさに応じて、パルスの「H」(ハイレベル)と「L」(ロウレベル)の時間(幅)が異なる。ここで、PWM信号において1周期の中で信号レベルが「H」である割合をデューティ比という。 The CPU 11 also controls the timers 13 and 14 built into the microcomputer 10 based on the audio playback middleware 15 stored in memory 12 to generate a PWM signal based on the signal level of the PCM audio signal. The PWM signal has a constant output pulse period. However, the PWM signal has different pulse "H" (high level) and "L" (low level) times (widths) depending on the audio signal level. Here, the percentage of the PWM signal that has an "H" signal level within one period is called the duty ratio.
メモリ12には、音声再生ミドルウェア15が記憶されている。音声再生ミドルウェア15は、スピーカSPを駆動するためのドライバーである。また、メモリ12には、圧縮された音声データや、圧縮された音声データをデコードしながら再生するためのミドルウェアなども記憶されている。 Memory 12 stores audio playback middleware 15. Audio playback middleware 15 is a driver for driving speaker SP. Memory 12 also stores compressed audio data and middleware for decoding and playing compressed audio data.
タイマ13等は、音声再生ミドルウェア15の制御に従って、PCM形式の音声信号の信号レベルの大きさに応じたパルス幅のPWM信号に変換する。ここで生成されるPWM信号は、Hブリッジ回路40を駆動する駆動信号(Hブリッジ回路40の信号入力端子に入力される信号)であり、PWM信号(PWM0)とPWM信号(PWM1)からなる一対の差動信号である。この差動のPWM信号は、PCM形式の音声信号に基づいて、例えば次のように生成される。 The timer 13 and other components, under the control of the audio playback middleware 15, convert the PCM audio signal into a PWM signal with a pulse width that corresponds to the signal level. The PWM signal generated here is a drive signal (a signal input to the signal input terminal of the H-bridge circuit 40) that drives the H-bridge circuit 40, and is a pair of differential signals consisting of a PWM signal (PWM0) and a PWM signal (PWM1). This differential PWM signal is generated, for example, as follows based on the PCM audio signal.
即ち、プラス出力のPWM信号(例えばPWM0)とマイナス出力のPWM信号(例えばPWM1)を同位相とする。そして、プラス出力のPWM信号とマイナス出力のPWM信号のパルス幅の変更方向を互いに逆にすることで、差動信号が生成される。差動信号の出力の範囲は+100%~0%~-100%である。例えば、プラス出力のPWM信号のデューティ比が40%のとき、マイナス出力のPWM信号のデューティ比を60%とすると、その差動成分(差動による出力)は+20%となる。反対に、プラス出力のPWM信号のデューティ比が60%のとき、マイナス出力のPWM信号のデューティ比を40%とすると、その差動成分は-20%となる。また、プラス出力のPWM信号のデューティ比が30%のとき、マイナス出力のPWM信号のデューティ比を70%とすると、その差動成分は+40%となる。差動による出力が0%のときは、プラス出力及びマイナス出力のPWM信号のデューティ比はそれぞれ50%となる。 That is, the positive output PWM signal (e.g., PWM0) and the negative output PWM signal (e.g., PWM1) are in phase. Then, a differential signal is generated by reversing the direction of pulse width changes for the positive output PWM signal and the negative output PWM signal. The output range of the differential signal is +100% to 0% to -100%. For example, if the duty ratio of the positive output PWM signal is 40% and the duty ratio of the negative output PWM signal is 60%, the differential component (differential output) will be +20%. Conversely, if the duty ratio of the positive output PWM signal is 60% and the duty ratio of the negative output PWM signal is 40%, the differential component will be -20%. Furthermore, if the duty ratio of the positive output PWM signal is 30% and the duty ratio of the negative output PWM signal is 70%, the differential component will be +40%. When the differential output is 0%, the duty ratio of the positive output and negative output PWM signals is 50%.
マイコン10は、タイマ13等が生成した2つのPWM信号(PWM0,PWM1)を2つの出力ピンからロジックレベル電圧変換回路30を介してHブリッジ回路40に出力する。 The microcontroller 10 outputs two PWM signals (PWM0, PWM1) generated by the timer 13 etc. from two output pins to the H-bridge circuit 40 via the logic level voltage conversion circuit 30.
電圧可変電源20は、ロジックレベル電圧変換回路30及びHブリッジ回路40に電源電圧Vddを出力すると共に、出力電圧Vddの電圧値を変更可能な構成となっている。電圧可変電源20は、電圧源と、電圧源の出力する電源電圧Vddの大きさを変化させる電圧可変装置とを備える。電圧可変装置は、外部からの操作や信号受信などに応じて電源電圧Vddの電圧値を変化させる。このような電圧可変装置の具体的構成の一例として、図1では、電源に接続された可変抵抗器VRを示している。可変抵抗器VRは、不図示の操作部(例えばボリュームコントロール用つまみ)を有し、操作部の操作量(例えばつまみの回転量)に応じて抵抗値が変化することにより電源電圧Vddの電圧値を変化させる。 The variable voltage power supply 20 outputs a power supply voltage Vdd to the logic level voltage conversion circuit 30 and the H-bridge circuit 40, and is configured to be able to change the voltage value of the output voltage Vdd. The variable voltage power supply 20 includes a voltage source and a voltage variable device that changes the magnitude of the power supply voltage Vdd output by the voltage source. The voltage variable device changes the voltage value of the power supply voltage Vdd in response to external operations, signal reception, etc. As an example of the specific configuration of such a voltage variable device, Figure 1 shows a variable resistor VR connected to the power supply. The variable resistor VR has an operating unit (not shown) (e.g., a volume control knob), and changes the voltage value of the power supply voltage Vdd by changing its resistance value in response to the amount of operation of the operating unit (e.g., the amount of rotation of the knob).
即ち、ユーザが操作部を操作すると、その操作レベルに応じて可変抵抗器VRの抵抗値が変化し、可変抵抗器VRの抵抗値が変化することで電圧可変電源20の出力する電源電圧Vddの電圧値が変化する。そして、電源電圧Vddの電圧値が変化すると、これに伴い、音声出力装置1の出力音声の音量が変化する。従って、音声出力回路100は、ユーザが操作部を操作することで電圧可変電源20の出力する電源電圧Vddの電圧値の大きさを制御して音声出力装置1の音量の大小を調節できるように構成されている。 In other words, when the user operates the operation unit, the resistance value of the variable resistor VR changes according to the operation level, and the change in the resistance value of the variable resistor VR changes the voltage value of the power supply voltage Vdd output by the voltage variable power supply 20. When the voltage value of the power supply voltage Vdd changes, the volume of the output sound from the audio output device 1 changes accordingly. Therefore, the audio output circuit 100 is configured so that the user can adjust the volume of the sound output device 1 by controlling the magnitude of the voltage value of the power supply voltage Vdd output by the voltage variable power supply 20 when operating the operation unit.
ロジックレベル電圧変換回路30は、マイコン10より出力された2つのPWM信号(PWM0,PWM1)が入力されると共に、電圧可変電源20より電源電圧Vddが印加される。そして、ロジックレベル電圧変換回路30は、入力された2つのPWM信号(PWM0,PWM1)の電圧(ロジックレベル電圧)の電圧レベルを変換し、変換したPWM信号(PWM0,PWM1)をHブリッジ回路40へ出力する。このロジックレベル電圧変換回路30の構成及び機能の詳細については後述する。 The logic level voltage conversion circuit 30 receives two PWM signals (PWM0, PWM1) output from the microcomputer 10 and also receives the power supply voltage Vdd from the variable voltage power supply 20. The logic level voltage conversion circuit 30 then converts the voltage levels (logic level voltages) of the two input PWM signals (PWM0, PWM1) and outputs the converted PWM signals (PWM0, PWM1) to the H-bridge circuit 40. The configuration and function of this logic level voltage conversion circuit 30 will be described in detail below.
Hブリッジ回路40は、マイコン10より出力された2つのPWM信号(PWM0,PWM1)が入力される。Hブリッジ回路40は、マイコン10からのPWM信号(PWM0,PWM1)に基づいて4つの電界効果トランジスタ(FET1~FET4)(図2参照)がスイッチング(開閉)動作することでスピーカSPに信号(駆動信号)を出力し、スピーカSPを駆動する。このとき、Hブリッジ回路40は、2つのPWM信号(PWM0,PWM1)のパルス幅の差の時間だけ、負荷となるスピーカSPに電流を流しスピーカSPを駆動する。 The H-bridge circuit 40 receives two PWM signals (PWM0, PWM1) output from the microcomputer 10. The H-bridge circuit 40 outputs a signal (drive signal) to the speaker SP by switching (opening and closing) four field-effect transistors (FET1 to FET4) (see Figure 2) based on the PWM signals (PWM0, PWM1) from the microcomputer 10, thereby driving the speaker SP. At this time, the H-bridge circuit 40 passes current through the speaker SP (which serves as a load) for the duration of the difference in pulse width between the two PWM signals (PWM0, PWM1), thereby driving the speaker SP.
スピーカSPは、ダイナミックスピーカであり、磁界中に配した可動コイル及び振動板(ともに不図示)を備える。スピーカSPは、可動コイルに電流が流れると可動コイルが振動してこの振動が振動板を伝わることで音声を出力する。スピーカSPは、Hブリッジ回路40に接続され、Hブリッジ回路40を介して印加された電圧に応じて音声を出力する。なお、スピーカSPについては、ダイナミックスピーカに限定されず、例えば、圧電素子を有する圧電スピーカ(ピエゾスピーカや圧電サウンダなどと呼ばれることがある)であってもよい。この場合、スピーカSPは、圧電素子に電圧が印加されることで駆動し、音声を出力する。 The speaker SP is a dynamic speaker, and includes a moving coil and a diaphragm (both not shown) arranged in a magnetic field. When a current flows through the moving coil, the moving coil vibrates, and this vibration is transmitted to the diaphragm, thereby outputting sound. The speaker SP is connected to an H-bridge circuit 40, and outputs sound according to the voltage applied via the H-bridge circuit 40. Note that the speaker SP is not limited to a dynamic speaker, and may be, for example, a piezoelectric speaker (sometimes called a piezo speaker or piezoelectric sounder) that has a piezoelectric element. In this case, the speaker SP is driven by applying a voltage to the piezoelectric element, and outputs sound.
図2は、音声出力回路100の要部の一例を示す概略図である。なお、図2に関する以下の説明において、上下左右の方向については、図2を符号の向きに見たときの方向をいう。音声出力回路100は、図2に示すように、Hブリッジ回路40を構成する2つのハーフブリッジ回路40A,40Bと、2つのロジックレベル電圧変換回路30A,30Bとを備える。そこで、次に、ロジックレベル電圧変換回路30及びHブリッジ回路40の具体的構成及び動作について説明する。 Figure 2 is a schematic diagram showing an example of the main components of the audio output circuit 100. Note that in the following description of Figure 2, up, down, left, and right refer to the directions when viewing Figure 2 in the direction of the symbols. As shown in Figure 2, the audio output circuit 100 includes two half-bridge circuits 40A and 40B that form an H-bridge circuit 40, and two logic-level voltage conversion circuits 30A and 30B. Next, the specific configurations and operations of the logic-level voltage conversion circuit 30 and the H-bridge circuit 40 will be described.
ロジックレベル電圧変換回路30Aは、PWM信号(PWM0)を入力する信号入力端子とハーフブリッジ回路40Aとの間に接続されている。ロジックレベル電圧変換回路30Bは、PWM信号(PWM1)を入力する信号入力端子とハーフブリッジ回路40Bとの間に接続されている。これらハーフブリッジ回路40A,40B及びロジックレベル電圧変換回路30A,30Bは、スピーカSPを駆動する駆動信号をスピーカSPに出力する駆動回路60を構成する。即ち、スピーカSPを駆動する駆動回路60は、ハーフブリッジ回路40Aとロジックレベル電圧変換回路30Aとからなる第1駆動回路50A(駆動回路60の左側部分)と、ハーフブリッジ回路40Bとロジックレベル電圧変換回路30Bとからなる第2駆動回路50B(駆動回路60の右側部分)と、から構成されている。 Logic level voltage conversion circuit 30A is connected between the signal input terminal that inputs the PWM signal (PWM0) and half-bridge circuit 40A. Logic level voltage conversion circuit 30B is connected between the signal input terminal that inputs the PWM signal (PWM1) and half-bridge circuit 40B. These half-bridge circuits 40A, 40B and logic level voltage conversion circuits 30A, 30B constitute a drive circuit 60 that outputs a drive signal to speaker SP. That is, drive circuit 60 that drives speaker SP is composed of a first drive circuit 50A (the left part of drive circuit 60) consisting of half-bridge circuit 40A and logic level voltage conversion circuit 30A, and a second drive circuit 50B (the right part of drive circuit 60) consisting of half-bridge circuit 40B and logic level voltage conversion circuit 30B.
駆動回路60は、4つの電界効果トランジスタFET1~FET4を備える。以下の説明において、電界効果トランジスタFET1~FET4を単にトランジスタFET1~FET4と記す。 The drive circuit 60 includes four field-effect transistors FET1 to FET4. In the following description, the field-effect transistors FET1 to FET4 will be referred to simply as transistors FET1 to FET4.
駆動回路60は、入力されたPWM信号(PWM0,PWM1)に応じてトランジスタFET1~FET4をスイッチング動作するように構成される。即ち、第1駆動回路50Aは、PWM信号(PWM0)が「H」のとき、左上のトランジスタFET1はオフ(開)、左下のトランジスタFET2はオン(開)となり、PWM信号(PWM0)が「L」のとき、トランジスタFET1はオン(閉)、トランジスタFET2はオフ(開)となる。このように、トランジスタFET1及びトランジスタFET2は、PWM信号(PWM0)の信号レベル(「H」,「L」)に基づき交互にオン・オフ(開閉)するように構成される。また、第2駆動回路50Bは、PWM信号(PWM1)が「H」のとき、右上のトランジスタFET3はオフ(開)、右下のトランジスタFET4はオン(閉)となり、PWM信号(PWM1)が「L」の場合に、トランジスタFET3はオン(閉)、トランジスタFET4はオフ(開)となる。このように、トランジスタFET3及びトランジスタFET4は、PWM信号(PWM1)の信号レベル(「H」,「L」)に基づき交互にオン・オフ(開閉)するように構成される。 The drive circuit 60 is configured to switch transistors FET1 to FET4 in response to the input PWM signals (PWM0, PWM1). That is, when the PWM signal (PWM0) is "H," the upper left transistor FET1 is off (open) and the lower left transistor FET2 is on (open). When the PWM signal (PWM0) is "L," the first drive circuit 50A turns transistor FET1 on (closed) and transistor FET2 off (open). In this way, transistors FET1 and FET2 are configured to alternately turn on and off (open and close) based on the signal level ("H," "L") of the PWM signal (PWM0). In addition, when the PWM signal (PWM1) of the second drive circuit 50B is "H," the upper right transistor FET3 is off (open) and the lower right transistor FET4 is on (closed); when the PWM signal (PWM1) is "L," the transistor FET3 is on (closed) and the transistor FET4 is off (open). In this way, the transistors FET3 and FET4 are configured to alternately turn on and off (open and closed) based on the signal level ("H," "L") of the PWM signal (PWM1).
図2に示す4つのトランジスタFET1等のうち、上側の2つのトランジスタFET1,FET3は、P型のMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)FETである。以下の説明において、P型のMOSFETをPMOSFETと記す。下側の2つのトランジスタFET2,FET4は、N型のMOSFETである。以下の説明において、N型のMOSFETをNMOSFETと記す。これら4つのトランジスタFET1~FET4は、いずれもエンハンスメント(Enhancement)型である。PMOSFET(FET1,FET3)は、ソースの電圧に対して所定の大きさかつ負(マイナス)の電圧がゲートに印加されたときにオンとなる。NMOSFET(FET2,FET4)は、ソースの電圧に対して所定の大きさかつ正(プラス)の電圧がゲートに印加されたときにオンとなる。このようにトランジスタFET1等は所定電圧が印加されることによりオンするが、このようなゲートとソースとの間の電圧(以下、単に「ゲート・ソース間電圧」ともいう。)であってトランジスタFET1等をスイッチングさせるのに必要な電圧をスレッショルド電圧(Threshold voltage)といい、閾値電圧ともいう。 Of the four transistors FET1 and others shown in Figure 2, the two upper transistors FET1 and FET3 are P-type MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) FETs. In the following explanation, P-type MOSFETs will be referred to as PMOSFETs. The two lower transistors FET2 and FET4 are N-type MOSFETs. In the following explanation, N-type MOSFETs will be referred to as NMOSFETs. All four of these transistors FET1 to FET4 are enhancement type. PMOSFETs (FET1 and FET3) turn on when a voltage of a predetermined magnitude and negative with respect to the source voltage is applied to their gates. NMOSFETs (FET2 and FET4) turn on when a voltage of a predetermined magnitude and positive with respect to the source voltage is applied to their gates. In this way, transistors such as FET1 turn on when a specific voltage is applied, and the voltage between the gate and source (hereinafter simply referred to as the "gate-source voltage") required to switch transistors such as FET1 is called the threshold voltage, also known as threshold voltage.
第1駆動回路50Aにおいて、トランジスタFET1のソース端子及びゲート端子は、それぞれ電圧可変電源20と接続されている。トランジスタFET1のドレイン端子は、トランジスタFET2のドレイン端子と接続されている。トランジスタFET1のゲート端子と電圧可変電源20との間に抵抗R11(例えば抵抗値10キロオーム(kΩ))が接続されている。トランジスタFET1のゲート端子と電圧可変電源20との間に、抵抗R12(例えば抵抗値100オーム(Ω))及びショットキーバリアダイオードSBD1が直列に接続されている。トランジスタFET2のゲート端子は、PWM信号(PWM0)を入力する信号入力端子と接続されている。トランジスタFET2のソース端子は、グランド(GND)と接続されている。トランジスタFET2のゲート端子とグランドとの間に抵抗R21(例えば抵抗値10キロオーム(kΩ))が接続されている。トランジスタFET2のゲート端子とPWM信号(PWM0)を入力する信号入力端子との間に抵抗R22(例えば抵抗値100オーム(Ω))が接続されている。トランジスタFET1のゲート端子側(ショットキーバリアダイオードSBD1のアノード端子と抵抗R12との接続点H1)とトランジスタFET2のゲート端子側(信号入力端子と抵抗R22との接続点L1)との間にコンデンサC1(例えば容量0.1マイクロファラド(μF))が接続されている。 In the first drive circuit 50A, the source terminal and gate terminal of transistor FET1 are each connected to the voltage variable power supply 20. The drain terminal of transistor FET1 is connected to the drain terminal of transistor FET2. A resistor R11 (e.g., resistance value 10 kilohms (kΩ)) is connected between the gate terminal of transistor FET1 and the voltage variable power supply 20. A resistor R12 (e.g., resistance value 100 ohms (Ω)) and a Schottky barrier diode SBD1 are connected in series between the gate terminal of transistor FET1 and the voltage variable power supply 20. The gate terminal of transistor FET2 is connected to a signal input terminal that inputs a PWM signal (PWM0). The source terminal of transistor FET2 is connected to ground (GND). A resistor R21 (e.g., resistance value 10 kilohms (kΩ)) is connected between the gate terminal of transistor FET2 and ground. Resistor R22 (e.g., resistance value 100 ohms (Ω)) is connected between the gate terminal of transistor FET2 and the signal input terminal for inputting the PWM signal (PWM0). Capacitor C1 (e.g., capacitance 0.1 microfarads (μF)) is connected between the gate terminal side of transistor FET1 (connection point H1 between the anode terminal of Schottky barrier diode SBD1 and resistor R12) and the gate terminal side of transistor FET2 (connection point L1 between the signal input terminal and resistor R22).
トランジスタFET3,FET4、抵抗R31,R32,R41,R42、ショットキーバリアダイオードSBD2、及びコンデンサC2を有する第2駆動回路50Bの構成は、トランジスタFET1,FET2、抵抗R11,R12,R21,R22、ショットキーバリアダイオードSBD1、及びコンデンサC1を有する第1駆動回路50Aの構成と同様である。即ち、トランジスタFET3のソース端子及びゲート端子は、それぞれ電圧可変電源20と接続されている。トランジスタFET3のドレイン端子は、トランジスタFET4のドレイン端子と接続されている。トランジスタFET3のゲート端子と電圧可変電源20との間に抵抗R31(例えば抵抗値10キロオーム(kΩ))が接続されている。トランジスタFET3のゲート端子と電圧可変電源20との間に、抵抗R32(例えば抵抗値100オーム(Ω))及びショットキーバリアダイオードSBD2が直列に接続されている。トランジスタFET4のゲート端子は、PWM信号(PWM1)を入力する信号入力端子と接続されている。トランジスタFET4のソース端子は、グランドと接続されている。トランジスタFET4のゲート端子とグランドとの間に抵抗R41(例えば抵抗値10キロオーム(kΩ))が接続されている。トランジスタFET4のゲート端子とPWM信号(PWM1)を入力する信号入力端子との間に抵抗R42(例えば抵抗値100オーム(Ω))が接続されている。トランジスタFET3のゲート端子側(ショットキーバリアダイオードSBD2のアノード端子と抵抗R32との接続点H2)とトランジスタFET4のゲート端子側(信号入力端子と抵抗R22との接続点L2)との間にコンデンサC2(例えば容量0.1マイクロファラド(μF))が接続されている。 The second drive circuit 50B, which includes transistors FET3 and FET4, resistors R31, R32, R41, and R42, a Schottky barrier diode SBD2, and a capacitor C2, is configured similarly to the first drive circuit 50A, which includes transistors FET1 and FET2, resistors R11, R12, R21, and R22, a Schottky barrier diode SBD1, and a capacitor C1. Specifically, the source and gate terminals of transistor FET3 are each connected to the variable voltage power supply 20. The drain terminal of transistor FET3 is connected to the drain terminal of transistor FET4. Resistor R31 (e.g., resistance value 10 kilohms (kΩ)) is connected between the gate terminal of transistor FET3 and the variable voltage power supply 20. Resistor R32 (e.g., resistance value 100 ohms (Ω)) and Schottky barrier diode SBD2 are connected in series between the gate terminal of transistor FET3 and the variable voltage power supply 20. The gate terminal of transistor FET4 is connected to a signal input terminal that inputs a PWM signal (PWM1). The source terminal of transistor FET4 is connected to ground. A resistor R41 (e.g., resistance value 10 kilohms (kΩ)) is connected between the gate terminal of transistor FET4 and ground. A resistor R42 (e.g., resistance value 100 ohms (Ω)) is connected between the gate terminal of transistor FET4 and the signal input terminal that inputs the PWM signal (PWM1). A capacitor C2 (e.g., capacitance 0.1 microfarads (μF)) is connected between the gate terminal of transistor FET3 (connection point H2 between the anode terminal of Schottky barrier diode SBD2 and resistor R32) and the gate terminal of transistor FET4 (connection point L2 between the signal input terminal and resistor R22).
トランジスタFET1のドレイン端子とトランジスタFET2のドレイン端子との接続点O1と、トランジスタFET3のドレイン端子とトランジスタFET4のドレイン端子との接続点O2との間には、スピーカSPが接続される。なお、接続点O1は第1駆動回路50Aの出力端子でもあり、接続点O2は第2駆動回路50Bの出力端子でもある。 A speaker SP is connected between a connection point O1 between the drain terminals of transistors FET1 and FET2, and a connection point O2 between the drain terminals of transistors FET3 and FET4. Note that connection point O1 is also the output terminal of the first drive circuit 50A, and connection point O2 is also the output terminal of the second drive circuit 50B.
駆動回路60において、4つのトランジスタFET1~FET4がすべてオフの場合、スピーカSPには電圧は印加されない。トランジスタFET1及びトランジスタFET4がオンであり、トランジスタFET2及びトランジスタFET3がオフのとき、図2中の(1)の経路(電圧可変電源20、トランジスタFET1、スピーカSP、トランジスタFET4、グランド)で電流が流れる。このとき、スピーカSPには所定方向に電流が流れ、スピーカSPには電圧可変電源20の電源電圧Vddが印加される。逆に、トランジスタFET2及びトランジスタFET3がオンであり、トランジスタFET1及びトランジスタFET4がオフのとき、図2中の(2)の経路(電圧可変電源20、トランジスタFET3、スピーカSP、トランジスタFET2、グランド)で電流が流れる。このとき、スピーカSPには所定方向と逆方向に電流が流れ、スピーカSPには電圧可変電源20の電源電圧Vddが印加される。 In the drive circuit 60, when all four transistors FET1 to FET4 are off, no voltage is applied to the speaker SP. When transistors FET1 and FET4 are on and transistors FET2 and FET3 are off, current flows through the path (1) in Figure 2 (variable voltage power supply 20, transistor FET1, speaker SP, transistor FET4, ground). At this time, current flows in a predetermined direction through the speaker SP, and the power supply voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 is applied to the speaker SP. Conversely, when transistors FET2 and FET3 are on and transistors FET1 and FET4 are off, current flows through the path (2) in Figure 2 (variable voltage power supply 20, transistor FET3, speaker SP, transistor FET2, ground). At this time, current flows in the opposite direction to the predetermined direction through the speaker SP, and the power supply voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 is applied to the speaker SP.
駆動回路60は、電圧可変電源20の電源電圧VddをスピーカSPに印加してスピーカSPを駆動し、電源電圧Vddの大きさに応じた音量の音声をスピーカSPから出力させる。 The drive circuit 60 applies the power supply voltage Vdd from the variable voltage power supply 20 to the speaker SP to drive the speaker SP, causing the speaker SP to output sound at a volume that corresponds to the magnitude of the power supply voltage Vdd.
上述したように、ユーザは、電圧可変電源20に設けられた操作部を操作することにより、電源電圧Vddの電圧値の大きさを変更し、スピーカSPの出力する音声の音量を調整することができる。例えば、ユーザが操作部を操作して、電源電圧Vddを降圧するとこれに伴ってスピーカSPから出力される音声の音量は小さくなり、逆に、電源電圧Vddを昇圧するとこれに伴ってスピーカSPから出力される音声の音量は大きくなる。 As described above, the user can change the voltage value of the power supply voltage Vdd and adjust the volume of the sound output by the speaker SP by operating the operation unit provided on the variable voltage power supply 20. For example, if the user operates the operation unit to lower the power supply voltage Vdd, the volume of the sound output from the speaker SP will decrease accordingly. Conversely, if the user increases the power supply voltage Vdd, the volume of the sound output from the speaker SP will increase accordingly.
このように駆動回路60によれば、音声データをスピーカ駆動信号へと変換するHブリッジ回路40A,40Bに対して電圧可変電源20を接続し、トランジスタFET1,FET3のソース端子に印加する電源電圧Vddの電圧値の大きさを変更可能な構成としたことで、電源電圧Vddの大きさを変化させるだけで、音質を劣化させることなく(例えば音声信号のダイナミックレンジを損なうことなく)スピーカSPの出力する音声の音量を調節することができる。 In this way, the drive circuit 60 connects the variable voltage power supply 20 to the H-bridge circuits 40A, 40B, which convert audio data into speaker drive signals, and is configured to change the magnitude of the power supply voltage Vdd applied to the source terminals of transistors FET1, FET3.By simply changing the magnitude of the power supply voltage Vdd, the volume of the audio output from the speaker SP can be adjusted without degrading the sound quality (for example, without compromising the dynamic range of the audio signal).
ところで、上記した音声出力回路100の構成では、PWM信号(PWM0,PWM1)を入力する信号入力端子と、ハーフブリッジ回路40A,40Bとの間に、ロジックレベル電圧変換回路30A,30Bが接続されている。音声出力回路は、このようなロジックレベル電圧変換回路30A,30Bを備えずに構成されると、次のような問題が生じる。 In the above-described configuration of the audio output circuit 100, logic level voltage conversion circuits 30A and 30B are connected between the signal input terminals that input the PWM signals (PWM0 and PWM1) and the half-bridge circuits 40A and 40B. If the audio output circuit is configured without these logic level voltage conversion circuits 30A and 30B, the following problems will arise.
上述したように、トランジスタFET1のソース端子には電圧可変電源20の電源電圧Vddが印加される。そして、例えばユーザが音量を下げようとして電圧可変電源20の電源電圧Vddの電圧値を低く調整すると、マイコン10の電源電圧(つまりPWM信号を生成するマイコンのロジックレベル電圧)に対して電源電圧Vddが低くなる場合がある。つまり、トランジスタFET1のソース端子に印加される電圧がマイコン10の電源電圧に対して低電圧になってしまう場合がある。この場合、ロジックレベル電圧変換回路30Aを介さずにPWM信号(PWM0)の信号入力端子とトランジスタFET1のゲート端子とを直接接続した(即ちマイコン10のロジックレベル電圧を変換しない)構成では、トランジスタFET1のゲート・ソース間電圧がスレッショルド電圧よりも高くなり、これによりトランジスタFET1がオフの状態のままオンにならずスイッチング動作をしなくなってしまうことがある。また、この場合、トランジスタFET3についても、同様に、そのゲート・ソース間電圧がスレッショルド電圧よりも高くなりオンにならずスイッチング動作を行わなくなってしまうことがある。 As described above, the power supply voltage Vdd of the variable voltage power supply 20 is applied to the source terminal of transistor FET1. For example, if a user adjusts the power supply voltage Vdd of the variable voltage power supply 20 downward to lower the volume, the power supply voltage Vdd may become lower than the power supply voltage of the microcontroller 10 (i.e., the logic level voltage of the microcontroller that generates the PWM signal). In other words, the voltage applied to the source terminal of transistor FET1 may become lower than the power supply voltage of the microcontroller 10. In this case, if the signal input terminal of the PWM signal (PWM0) is directly connected to the gate terminal of transistor FET1 without going through the logic level voltage conversion circuit 30A (i.e., the logic level voltage of the microcontroller 10 is not converted), the gate-source voltage of transistor FET1 may become higher than the threshold voltage, causing transistor FET1 to remain in the off state and not turn on, resulting in no switching operation. Similarly, in this case, the gate-source voltage of transistor FET3 may also become higher than the threshold voltage, preventing it from turning on and no longer performing switching operation.
このように、音声出力回路において、ロジックレベル電圧変換回路30A,30Bを備えていないと、トランジスタFET1、FET3が適切にスイッチング動作しなくなる場合がある。トランジスタFET1、FET3が適切なスイッチング動作をしないと、音声回路は、PWM信号(PWM0,PWM1)に従った電流をスピーカSPに出力することができず、音声データに従って音声を出力することができない。 As such, if the audio output circuit does not include logic level voltage conversion circuits 30A and 30B, transistors FET1 and FET3 may not switch properly. If transistors FET1 and FET3 do not switch properly, the audio circuit will not be able to output a current to speaker SP in accordance with the PWM signals (PWM0 and PWM1), and will not be able to output audio in accordance with the audio data.
これに対して、上記した音声出力回路100の構成では、ロジックレベル電圧変換回路30A,30Bを備えたことで、電源電圧Vddを低電圧に設定したり降圧したりしてもトランジスタFET1,FET3を適切にスイッチング動作させることができるので、前述した問題は生じない。 In contrast, the audio output circuit 100 configuration described above includes logic level voltage conversion circuits 30A and 30B, which allows transistors FET1 and FET3 to perform appropriate switching operation even when the power supply voltage Vdd is set to a low voltage or stepped down, so the above-mentioned problem does not occur.
続いて、駆動回路60の動作について詳細に説明する。ここで、駆動回路60に印加される各電圧値は次のとおりとする。マイコン10の電源電圧は、グランドを基準電位として+5ボルトである。マイコン10の電源電圧が+5ボルトなので、PWM信号(PWM0,PWM1)の駆動回路60の信号入力端子には、PWM信号(PWM0,PWM1)が「L」のとき0ボルト(グランド)の電圧が印加され、PWM信号(PWM0,PWM1)が「H」のとき+5ボルトの電圧が印加される。また、電圧可変電源20の電源電圧Vddは+1ボルトである。従って、電圧可変電源20の電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)は、マイコン10の電源電圧(電圧値+5ボルト)に対して低電圧となっている。 Next, the operation of the drive circuit 60 will be described in detail. The voltage values applied to the drive circuit 60 are as follows: The power supply voltage of the microcontroller 10 is +5 volts, with ground as the reference potential. Because the power supply voltage of the microcontroller 10 is +5 volts, a voltage of 0 volts (ground) is applied to the signal input terminal of the drive circuit 60 for the PWM signals (PWM0, PWM1) when the PWM signals (PWM0, PWM1) are "L," and a voltage of +5 volts is applied when the PWM signals (PWM0, PWM1) are "H." Furthermore, the power supply voltage Vdd of the voltage-variable power supply 20 is +1 volt. Therefore, the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt) of the voltage-variable power supply 20 is lower than the power supply voltage (voltage value +5 volts) of the microcontroller 10.
なお、マイコン10の電源電圧及び電圧可変電源20の電源電圧Vddの各電圧値については、上記数値は一例であり、駆動回路60が動作する限りにおいて、任意に設定可能である。 Note that the above values for the power supply voltage of the microcontroller 10 and the power supply voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 are merely examples, and can be set arbitrarily as long as the drive circuit 60 operates.
また、一般にFETがオンするのに必要なゲート・ソース間電圧(スレッショルド電圧)は、その電気的特性により異なり、端子に印加されている電圧や温度などにより変化するが、トランジスタFET1,FET3がオンするのに必要なゲート・ソース間電圧(スレッショルド電圧)Vgsは-2.5ボルト、トランジスタFET2,FET4がオンするのに必要なゲート・ソース間電圧(スレッショルド電圧)Vgsは+2.5ボルトであるものとする。 In general, the gate-source voltage (threshold voltage) required for an FET to turn on varies depending on its electrical characteristics and changes depending on the voltage applied to the terminals and temperature, but we will assume that the gate-source voltage (threshold voltage) Vgs required for transistors FET1 and FET3 to turn on is -2.5 volts, and the gate-source voltage (threshold voltage) Vgs required for transistors FET2 and FET4 to turn on is +2.5 volts.
まず、第1駆動回路50Aについて、PWM信号(PWM0)の入力前の状態(以下「初期状態」という。)を説明する。初期状態では、PWM信号(PWM0)の信号入力端子にはPWM信号(PWM0)が入力されないので、PWM信号(PWM0)の信号入力端子には0ボルトが印加される。また、コンデンサC1の信号入力端子側の接続点L1の電位が0ボルトとなる。 First, we will explain the state of the first drive circuit 50A before the PWM signal (PWM0) is input (hereinafter referred to as the "initial state"). In the initial state, no PWM signal (PWM0) is input to the signal input terminal for the PWM signal (PWM0), so 0 volts is applied to the signal input terminal for the PWM signal (PWM0). In addition, the potential at connection point L1 on the signal input terminal side of capacitor C1 is 0 volts.
初期状態において、電圧可変電源20の電源電圧Vddが投入される前は、コンデンサC1の電荷は0である(C1:Q=0)。図3は第1駆動回路50Aの一例を示す概略図である。図3に示すように電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)が投入されると、電源電圧Vdd側の接続点H1の電位が+1ボルトとなる。これにより、コンデンサC1に電荷が蓄積され、コンデンサC1の電圧が-1ボルトにチャージアップされる。ショットキーバリアダイオードSBD1は電源電圧Vddを超える電圧をカットするように機能するので、コンデンサC1の電源電圧Vdd側の接続点H1の電位は+1ボルトのまま維持される。 In the initial state, before the power supply voltage Vdd of the variable voltage power supply 20 is applied, the charge on capacitor C1 is 0 (C1:Q = 0). Figure 3 is a schematic diagram showing an example of a first drive circuit 50A. As shown in Figure 3, when the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt) is applied, the potential at connection point H1 on the power supply voltage Vdd side becomes +1 volt. This causes charge to accumulate in capacitor C1, and the voltage of capacitor C1 is charged up to -1 volt. Because the Schottky barrier diode SBD1 functions to cut off voltages that exceed the power supply voltage Vdd, the potential at connection point H1 on the power supply voltage Vdd side of capacitor C1 remains at +1 volt.
また、初期状態において、電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)が投入されると、トランジスタFET1には、ゲート端子に+1ボルトの電圧が印加され、ソース端子にも+1ボルトの電圧が印加される。このとき、トランジスタFET1のゲート・ソース間電圧は0ボルトでありスレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも高いので、トランジスタFET1はオフとなる。 Also, in the initial state, when the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt) is turned on, a voltage of +1 volt is applied to the gate terminal of transistor FET1, and a voltage of +1 volt is also applied to the source terminal. At this time, the gate-source voltage of transistor FET1 is 0 volts, which is higher than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET1 is turned off.
また、初期状態では、トランジスタFET2には、ゲート端子に0ボルトの電圧が印加され、グランドに接続されているソース端子に0ボルトの電圧が印加される。このときのトランジスタFET2のゲート・ソース間電圧は0ボルトでありスレッショルド電圧(+2.5ボルト)よりも低いので、トランジスタFET2はオフとなる。 In the initial state, a voltage of 0 volts is applied to the gate terminal of transistor FET2, and a voltage of 0 volts is applied to the source terminal, which is connected to ground. At this time, the gate-source voltage of transistor FET2 is 0 volts, which is lower than the threshold voltage (+2.5 volts), so transistor FET2 is off.
このように、初期状態では、トランジスタFET1及びトランジスタFET2はいずれも駆動しないので、第1駆動回路50Aの出力端子(接続点O1)の電位は不定となる。 As such, in the initial state, neither transistor FET1 nor transistor FET2 is driven, so the potential at the output terminal (connection point O1) of the first drive circuit 50A is undefined.
そして、第1駆動回路50Aに対してPWM信号(PWM0)の入力を開始すると(PWM信号入力後)、PWM信号(PWM0)が「L」(電圧値0ボルト)である間は初期状態が継続するが、PWM信号(PWM0)が「H」になると(即ちPWM信号(PWM0)入力端子に+5ボルトの電圧が印加されると)、第1駆動回路50Aは次のように動作する。 When the input of the PWM signal (PWM0) to the first drive circuit 50A begins (after the PWM signal is input), the initial state continues while the PWM signal (PWM0) is "L" (voltage value 0 volts), but when the PWM signal (PWM0) becomes "H" (i.e., when a voltage of +5 volts is applied to the PWM signal (PWM0) input terminal), the first drive circuit 50A operates as follows:
まず、コンデンサC1のPWM信号入力端子側の接続点L1の電位が0ボルトから+5ボルトになる。コンデンサC1の電圧は、これにより初期状態の-1ボルトから+6ボルトにチャージアップするように変化しようとするが、ショットキーバリアダイオードSBD1がオンになることによって結局-1ボルトから+4ボルトにチャージアップされる。コンデンサC1は、+4ボルトにチャージアップされると、PWM信号(PWM0)が入力される限りチャージアップ後の電位差(電圧値+4ボルト)を維持する。コンデンサC1の電圧がチャージアップされるとき、ショットキーバリアダイオードSBD1は、順方向に電圧バイアスが発生し一時的にオンとなり、電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)を超える電圧をカットするように機能する。このため、コンデンサC1の電源電圧Vdd側の接続点H1の電位は+1ボルトとなる。 First, the potential at connection point L1 on the PWM signal input terminal side of capacitor C1 changes from 0 volts to +5 volts. This causes the voltage of capacitor C1 to change from its initial state of -1 volt to +6 volts, but the Schottky barrier diode SBD1 turns on, causing it to eventually charge up from -1 volt to +4 volts. Once capacitor C1 is charged up to +4 volts, it maintains the post-charge potential difference (voltage value +4 volts) as long as the PWM signal (PWM0) is input. When the voltage of capacitor C1 is charged up, a forward voltage bias is generated in Schottky barrier diode SBD1, which turns on temporarily and functions to cut off voltages that exceed the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt). As a result, the potential at connection point H1 on the power supply voltage Vdd side of capacitor C1 becomes +1 volt.
接続点H1の電位が+1ボルトなので、トランジスタFET1のゲート端子には+1ボルトの電圧が印加される。このときトランジスタFET1のゲート端子の電位は電源電圧Vddと同電位となる。また、トランジスタFET1のソース端子には引き続き電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)が印加される。このとき、トランジスタFET1のゲート・ソース間電圧は0ボルトでありスレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも高いので、トランジスタFET1はオフとなる。 Since the potential at connection point H1 is +1 volts, a voltage of +1 volt is applied to the gate terminal of transistor FET1. At this time, the potential of the gate terminal of transistor FET1 becomes the same as the power supply voltage Vdd. In addition, the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt) continues to be applied to the source terminal of transistor FET1. At this time, the gate-source voltage of transistor FET1 is 0 volts, which is higher than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET1 is turned off.
また、PWM信号(PWM0)の信号入力端子と接続された接続点L1の電位は+5ボルトなので、トランジスタFET2のゲート端子に+5ボルトの電圧が印加される。また、トランジスタFET2のソース端子には引き続き0ボルト(グランド)が印加される。このとき、トランジスタFET2のゲート・ソース間電圧は0ボルトから+5ボルトに変化し、トランジスタFET2のゲートにスレッショルド電圧(+2.5ボルト)よりも高い電圧が印加されるので、トランジスタFET2はオンとなる。 Furthermore, since the potential at node L1, which is connected to the signal input terminal for the PWM signal (PWM0), is +5 volts, a voltage of +5 volts is applied to the gate terminal of transistor FET2. Also, 0 volts (ground) continues to be applied to the source terminal of transistor FET2. At this time, the gate-source voltage of transistor FET2 changes from 0 volts to +5 volts, and a voltage higher than the threshold voltage (+2.5 volts) is applied to the gate of transistor FET2, so transistor FET2 turns on.
このように、第1駆動回路50Aに入力されるPWM信号(PWM0)が「H」のとき、トランジスタFET1はオフ、トランジスタFET2はオンとなる。このとき、第1駆動回路50Aの出力端子(接続点O1)に0ボルト(グランド)の電圧が印加される。 In this way, when the PWM signal (PWM0) input to the first drive circuit 50A is "H," transistor FET1 is off and transistor FET2 is on. At this time, a voltage of 0 volts (ground) is applied to the output terminal (connection point O1) of the first drive circuit 50A.
次に、第1駆動回路50Aに入力されるPWM信号(PWM0)が「H」から「L」になると(即ちPWM信号(PWM0)入力端子に0ボルトの電圧が印加されると)、第1駆動回路50Aは次のように動作する。 Next, when the PWM signal (PWM0) input to the first drive circuit 50A changes from "H" to "L" (i.e., when a voltage of 0 volts is applied to the PWM signal (PWM0) input terminal), the first drive circuit 50A operates as follows:
コンデンサC1の電圧は+4ボルトであるので、接続点H1の電位が+1ボルトから-4ボルトに変化する。これによりトランジスタFET1のゲート端子に-4ボルトの電圧が印加される。 Since the voltage across capacitor C1 is +4 volts, the potential at connection point H1 changes from +1 volt to -4 volts. This causes a voltage of -4 volts to be applied to the gate terminal of transistor FET1.
そして、トランジスタFET1のソース端子には引き続き+1ボルトの電源電圧Vddが印加される。このとき、トランジスタFET1のゲート・ソース間電圧は-5ボルトとなりスレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも低いので、トランジスタFET1はオンとなる。 The +1 volt power supply voltage Vdd continues to be applied to the source terminal of transistor FET1. At this time, the gate-source voltage of transistor FET1 becomes -5 volts, which is lower than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET1 turns on.
また、PWM信号(PWM0)の信号入力端子に接続された接続点L1の電位は0ボルトなので、トランジスタFET2のゲート端子に0ボルトの電圧が印加される。また、トランジスタFET2のソース端子には引き続き0ボルト(グランド)が印加される。このとき、トランジスタFET2のゲート・ソース間電圧は0ボルトとなりスレッショルド電圧(+2.5ボルト)よりも低いので、トランジスタFET2はオフとなる。 Furthermore, since the potential of node L1, which is connected to the signal input terminal of the PWM signal (PWM0), is 0 volts, a voltage of 0 volts is applied to the gate terminal of transistor FET2. Also, 0 volts (ground) continues to be applied to the source terminal of transistor FET2. At this time, the gate-source voltage of transistor FET2 is 0 volts, which is lower than the threshold voltage (+2.5 volts), so transistor FET2 is turned off.
このように、第1駆動回路50Aに入力されるPWM信号(PWM0)が「L」になると、トランジスタFET1はオン、トランジスタFET2はオフとなる。このとき、第1駆動回路50Aの出力端子(接続点O1)に+1ボルトの電圧が印加される。 In this way, when the PWM signal (PWM0) input to the first drive circuit 50A goes "L," transistor FET1 turns on and transistor FET2 turns off. At this time, a voltage of +1 volt is applied to the output terminal (connection point O1) of the first drive circuit 50A.
さらに、第1駆動回路50Aに入力されるPWM信号(PWM0)が「L」から再び「H」になると、上記した状態に戻り、再びトランジスタFET1はオフ、トランジスタFET2はオンとなる。 Furthermore, when the PWM signal (PWM0) input to the first drive circuit 50A changes from "L" to "H" again, the state returns to the above, and transistor FET1 turns off and transistor FET2 turns on again.
このような第1駆動回路50Aの動作によりPWM信号入力端子からPWM信号(PWM0)が入力されることで、FET1とFET2はオン・オフ動作を交互に行うこととなる。 As a result of this operation of the first drive circuit 50A, a PWM signal (PWM0) is input from the PWM signal input terminal, causing FET1 and FET2 to alternately turn on and off.
第2駆動回路50Bの動作についても、上述した第1駆動回路50Aの動作と同様である。即ち、図2に戻り、初期状態(PWM信号入力前)において、第2駆動回路50Bに電圧可変電源20の電源電圧Vddが投入される前は、コンデンサC2の電荷は0である(C2:Q=0)。そして、電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)が投入されると、電源電圧Vdd側の接続点H2の電位が+1ボルトとなる。これにより、コンデンサC2に電荷が蓄積され、コンデンサC2の電圧が-1ボルトにチャージアップされる。ショットキーバリアダイオードSBD2は電源電圧Vddを超える電圧をカットするように機能するので、コンデンサC2の電源電圧Vdd側の接続点H2の電位は+1ボルトのまま維持される。 The operation of the second drive circuit 50B is similar to that of the first drive circuit 50A described above. That is, returning to FIG. 2, in the initial state (before the PWM signal is input), before the power supply voltage Vdd of the variable voltage power supply 20 is applied to the second drive circuit 50B, the charge on capacitor C2 is 0 (C2:Q = 0). Then, when the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt) is applied, the potential at connection point H2 on the power supply voltage Vdd side becomes +1 volt. As a result, charge accumulates in capacitor C2, and the voltage on capacitor C2 is charged up to -1 volt. Because the Schottky barrier diode SBD2 functions to cut off voltages exceeding the power supply voltage Vdd, the potential at connection point H2 on the power supply voltage Vdd side of capacitor C2 remains at +1 volt.
また、初期状態において、電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)が投入されると、トランジスタFET3には、ゲート端子に+1ボルトの電圧が印加され、ソース端子にも+1ボルトの電圧が印加される。このとき、トランジスタFET3のゲート・ソース間電圧は0ボルトとなりスレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも高いので、トランジスタFET3はオフとなる。 Also, in the initial state, when the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt) is turned on, a voltage of +1 volt is applied to the gate terminal of transistor FET3, and a voltage of +1 volt is also applied to the source terminal. At this time, the gate-source voltage of transistor FET3 is 0 volts, which is higher than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET3 is turned off.
また、初期状態では、トランジスタFET4には、ゲート端子に0ボルトの電圧が印加され、グランドに接続されているソース端子に0ボルトの電圧が印加される。このとき、トランジスタFET4のゲート・ソース間電圧は0ボルトとなりスレッショルド電圧(+2.5ボルト)よりも低いので、トランジスタFET4はオフとなる。 In the initial state, a voltage of 0 volts is applied to the gate terminal of transistor FET4, and a voltage of 0 volts is applied to the source terminal, which is connected to ground. At this time, the gate-source voltage of transistor FET4 is 0 volts, which is lower than the threshold voltage (+2.5 volts), so transistor FET4 is turned off.
このように、初期状態では、トランジスタFET3及びトランジスタFET4はいずれも駆動しないので、第2駆動回路50Bの出力端子(接続点O2)の電位は不定となる。 As such, in the initial state, neither transistor FET3 nor transistor FET4 is driven, so the potential at the output terminal (connection point O2) of the second drive circuit 50B is undefined.
そして、第2駆動回路50Bに対してPWM信号(PWM1)の入力を開始すると(PWM信号入力後)、PWM信号(PWM1)が「L」(電圧値0ボルト)である間は初期状態が継続するが、PWM信号(PWM1)が「H」になると(即ちPWM信号(PWM1)入力端子に+5ボルトの電圧が印加されると)、第2駆動回路50Bは次のように動作する。 When the input of the PWM signal (PWM1) to the second drive circuit 50B begins (after the PWM signal is input), the initial state continues while the PWM signal (PWM1) is "L" (voltage value 0 volts), but when the PWM signal (PWM1) becomes "H" (i.e., when a voltage of +5 volts is applied to the PWM signal (PWM1) input terminal), the second drive circuit 50B operates as follows:
まず、コンデンサC2のPWM信号入力端子側の接続点L2の電位が0ボルトから+5ボルトとなる。これによりコンデンサC2の電圧は、初期状態の-1ボルトから+6ボルトにチャージアップするように変化しようとするが、ショットキーバリアダイオードSBD2がオンになることによって結局-1ボルトから+4ボルトにチャージアップされる。コンデンサC2は、+4ボルトにチャージアップされると、PWM信号(PWM1)が入力される限りチャージアップ後の電位差(電圧値+4ボルト)を維持する。コンデンサC2の電圧がチャージアップされるとき、ショットキーバリアダイオードSBD2は、順方向に電圧バイアスが発生し一時的にオンとなり、電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)を超える電圧をカットするように機能する。これにより、コンデンサC2の電源電圧Vdd側の接続点H2の電位が+1ボルトとなる。 First, the potential at connection point L2 on the PWM signal input terminal side of capacitor C2 changes from 0 volts to +5 volts. This causes the voltage of capacitor C2 to change from its initial state of -1 volt to +6 volts, but the Schottky barrier diode SBD2 turns on and it eventually charges up from -1 volt to +4 volts. Once capacitor C2 is charged up to +4 volts, it maintains the post-charge potential difference (voltage value +4 volts) as long as the PWM signal (PWM1) is input. As the voltage of capacitor C2 charges up, a forward voltage bias is generated in Schottky barrier diode SBD2, which temporarily turns on and functions to cut off voltages that exceed the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt). As a result, the potential at connection point H2 on the power supply voltage Vdd side of capacitor C2 becomes +1 volt.
接続点H2の電位が+1ボルトなので、トランジスタFET3のゲート端子には+1ボルトの電圧が印加される。このときトランジスタFET3のゲート端子の電位は電源電圧Vddと同電位となる。また、トランジスタFET3のソース端子には引き続き電源電圧Vdd(電圧値+1ボルト)が印加される。このとき、トランジスタFET3のゲート・ソース間電圧は0ボルトでありスレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも高いので、トランジスタFET3はオフとなる。 Since the potential at connection point H2 is +1 volt, a voltage of +1 volt is applied to the gate terminal of transistor FET3. At this time, the potential of the gate terminal of transistor FET3 becomes the same as the power supply voltage Vdd. In addition, the power supply voltage Vdd (voltage value +1 volt) continues to be applied to the source terminal of transistor FET3. At this time, the gate-source voltage of transistor FET3 is 0 volts, which is higher than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET3 is turned off.
また、PWM信号(PWM1)の信号入力端子と接続された接続点L3の電位は+5ボルトなので、トランジスタFET4のゲート端子に+5ボルトの電圧が印加される。また、トランジスタFET4のソース端子には引き続き0ボルト(グランド)が印加される。このとき、トランジスタFET4のゲート・ソース間電圧は0ボルトから+5ボルトに変化し、トランジスタFET4のゲートにスレッショルド電圧(+2.5ボルト)よりも高い電圧が印加されるので、トランジスタFET4はオンとなる。 Furthermore, since the potential at node L3, which is connected to the signal input terminal for the PWM signal (PWM1), is +5 volts, a voltage of +5 volts is applied to the gate terminal of transistor FET4. Also, 0 volts (ground) continues to be applied to the source terminal of transistor FET4. At this time, the gate-source voltage of transistor FET4 changes from 0 volts to +5 volts, and a voltage higher than the threshold voltage (+2.5 volts) is applied to the gate of transistor FET4, so transistor FET4 turns on.
このように、第2駆動回路50Bに入力されるPWM信号(PWM1)が「H」のとき、トランジスタFET3はオフ、トランジスタFET4はオンとなる。このとき、第2駆動回路50Bの出力端子(接続点O2)に0ボルト(グランド)の電圧が印加される。 In this way, when the PWM signal (PWM1) input to the second drive circuit 50B is "H," transistor FET3 is off and transistor FET4 is on. At this time, a voltage of 0 volts (ground) is applied to the output terminal (connection point O2) of the second drive circuit 50B.
次に、第2駆動回路50Bに入力されるPWM信号(PWM1)が「H」から「L」になると(即ちPWM信号(PWM1)入力端子に0ボルトの電圧が印加されると)、第2駆動回路50Bは次のように動作する。 Next, when the PWM signal (PWM1) input to the second drive circuit 50B changes from "H" to "L" (i.e., when a voltage of 0 volts is applied to the PWM signal (PWM1) input terminal), the second drive circuit 50B operates as follows:
コンデンサC2の電圧は+4ボルトであるので、接続点H2の電位が+1ボルトから-4ボルトに変化する。これによりトランジスタFET3のゲート端子に-4ボルトの電圧が印加される。 Since the voltage across capacitor C2 is +4 volts, the potential at connection point H2 changes from +1 volt to -4 volts. This causes a voltage of -4 volts to be applied to the gate terminal of transistor FET3.
そして、トランジスタFET3のソース端子には引き続き+1ボルトの電源電圧Vddが印加される。このとき、トランジスタFET3のゲート・ソース間電圧は-5ボルトでありスレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも低いので、トランジスタFET3はオンとなる。 The +1 volt power supply voltage Vdd continues to be applied to the source terminal of transistor FET3. At this time, the gate-source voltage of transistor FET3 is -5 volts, which is lower than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET3 turns on.
また、PWM信号(PWM1)の信号入力端子に接続された接続点L2の電位は0ボルトなので、トランジスタFET4のゲート端子に0ボルトの電圧が印加される。また、トランジスタFET4のソース端子には引き続き0ボルト(グランド)が印加される。このとき、トランジスタFET4のゲート・ソース間電圧は0ボルトでありスレッショルド電圧(+2.5ボルト)よりも低いので、トランジスタFET4はオフとなる。 Furthermore, since the potential of node L2, which is connected to the signal input terminal of the PWM signal (PWM1), is 0 volts, a voltage of 0 volts is applied to the gate terminal of transistor FET4. Also, 0 volts (ground) continues to be applied to the source terminal of transistor FET4. At this time, the gate-source voltage of transistor FET4 is 0 volts, which is lower than the threshold voltage (+2.5 volts), so transistor FET4 is turned off.
このように、第2駆動回路50Bに入力されるPWM信号(PWM1)が「L」になると、トランジスタFET3はオンとなり、トランジスタFET4はオフとなる。このとき、第2駆動回路50Bの出力端子(接続点O2)に+1ボルトの電圧が印加される。 In this way, when the PWM signal (PWM1) input to the second drive circuit 50B goes "L," transistor FET3 turns on and transistor FET4 turns off. At this time, a voltage of +1 volt is applied to the output terminal (connection point O2) of the second drive circuit 50B.
さらに、第2駆動回路50Bに入力されるPWM信号(PWM1)が「L」から再び「H」になると、上記した状態に戻り、再びトランジスタFET3はオフ、トランジスタFET4はオンとなる。 Furthermore, when the PWM signal (PWM1) input to the second drive circuit 50B changes from "L" to "H" again, the state returns to the above, and transistor FET3 turns off and transistor FET4 turns on again.
このような第2駆動回路50Bの動作によりPWM信号入力端子からPWM信号(PWM1)が入力されることで、FET3とFET4はオン・オフ動作を交互に行うこととなる。 By operating the second drive circuit 50B in this way, a PWM signal (PWM1) is input from the PWM signal input terminal, causing FET3 and FET4 to alternately turn on and off.
スピーカSPの端子には、PWM信号(PWM0,PWM1)に同期して電源電圧Vdd(+1ボルト)とグランド(0ボルト)の電圧振幅が生じる。そして、トランジスタFET1及びトランジスタFET4が共にオンでトランジスタFET2及びトランジスタFET3が共にオフ(つまりPWM0が「L」でPWM1が「H」)のとき、並びに、トランジスタFET1及びトランジスタFET4が共にオフでトランジスタFET2及びトランジスタFET3が共にオン(PWM0が「H」でPWM1が「L」)のとき、駆動回路60は+1ボルト(電源電圧Vdd)の電圧でスピーカSPを駆動させる。 A voltage swing between the power supply voltage Vdd (+1 volt) and ground (0 volts) occurs at the terminals of speaker SP in synchronization with the PWM signals (PWM0, PWM1). When transistors FET1 and FET4 are both on and transistors FET2 and FET3 are both off (i.e., PWM0 is "L" and PWM1 is "H"), or when transistors FET1 and FET4 are both off and transistors FET2 and FET3 are both on (PWM0 is "H" and PWM1 is "L"), the drive circuit 60 drives speaker SP with a voltage of +1 volt (power supply voltage Vdd).
上述した駆動回路60の構成では、ロジックレベル電圧変換回路30A,30Bは、PWM信号入力端子に入力されたPWM信号(PWM0,PWM1)の信号電圧と同レベルの電圧をNMOSFET(トランジスタFET2,FET4)のゲート端子に印加する。PWM信号(PWM0,PWM1)が「L」のとき、電圧可変電源20の電圧Vddの電圧値から、マイコン10の電源の電圧値を引いた電圧レベルの電圧値(つまり、マイコン10の電源電圧をVmとすると、Vdd-Vm)をPMOSFET(トランジスタFET1,FET3)のゲート端子に印加する。PWM信号(PWM0,PWM1)が「H」のとき、電圧可変電源20の電圧Vddの電圧値と同レベルの電圧をPMOSFET(トランジスタFET1,FET3)のゲート端子に印加する。 In the drive circuit 60 configuration described above, the logic level voltage conversion circuits 30A and 30B apply a voltage of the same level as the signal voltage of the PWM signals (PWM0 and PWM1) input to the PWM signal input terminal to the gate terminals of the NMOSFETs (transistors FET2 and FET4). When the PWM signals (PWM0 and PWM1) are "L," a voltage value of the voltage level obtained by subtracting the power supply voltage of the microcontroller 10 from the voltage value of the voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 (in other words, if the power supply voltage of the microcontroller 10 is Vm, then Vdd - Vm) is applied to the gate terminals of the PMOSFETs (transistors FET1 and FET3). When the PWM signals (PWM0 and PWM1) are "H," a voltage of the same level as the voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 is applied to the gate terminals of the PMOSFETs (transistors FET1 and FET3).
例えば、ロジックレベル電圧変換回路30A,30Bは、上述したように、PWM信号入力端子に入力されたPWM信号(PWM0,PWM1)が「L」(電圧値0ボルト)のとき、トランジスタFET2,FET4のゲート端子にそのまま0ボルトを印加する。また、ロジックレベル電圧変換回路30A,30Bは、入力されたPWM信号(PWM0,PWM1)の信号電圧が「L」(電圧値0ボルト)のとき、マイコン10の電源電圧Vmが5ボルトで、電圧Vddが+1ボルトである場合、トランジスタFET1,FET3のゲート端子に-4ボルト(Vdd-Vm=(+1)-(+5))を印加する。これにより、電圧Vddが電圧Vmに比べて低電圧のときであっても、ゲート端子にスレッドショルド電圧を印加して、トランジスタFET1,FET3をオンさせて適切にスイッチング動作させることができる。 For example, as described above, when the PWM signals (PWM0, PWM1) input to the PWM signal input terminals are "L" (0 volts), the logic-level voltage conversion circuits 30A, 30B apply 0 volts to the gate terminals of transistors FET2, FET4. Furthermore, when the signal voltage of the input PWM signals (PWM0, PWM1) is "L" (0 volts), if the power supply voltage Vm of the microcontroller 10 is 5 volts and the voltage Vdd is +1 volt, the logic-level voltage conversion circuits 30A, 30B apply -4 volts (Vdd - Vm = (+1) - (+5)) to the gate terminals of transistors FET1, FET3. This allows the threshold voltage to be applied to the gate terminals, turning on transistors FET1, FET3 and enabling appropriate switching operation, even when voltage Vdd is lower than voltage Vm.
なお、電圧可変電源20の電圧Vddについては、上述したように任意に設定可能であるので、これをマイコン10の電圧Vmと同電圧に設定してもよい。この場合(つまり、上記において電圧Vdd=電圧Vmの場合)、ロジックレベル電圧変換回路30A,30Bは、「L」のPWM信号(PWM0,PWM1)(電圧値0ボルト)が入力されると、PMOSFET(FET1,FET3)のゲート端子に対して、入力されたPWM信号(PWM0,PWM1)の信号電圧と同レベルの電圧(電圧値0ボルト)を印加することになり、入力された電圧を結果的に変換しないことになる。この場合、電圧Vddが所定の大きさであれば、PMOSFETのオン動作に支障をきたすことはない。 As mentioned above, the voltage Vdd of the variable voltage power supply 20 can be set arbitrarily, and may be set to the same voltage as the voltage Vm of the microcontroller 10. In this case (i.e., when the voltage Vdd = voltage Vm in the above example), when an "L" PWM signal (PWM0, PWM1) (voltage value 0 volts) is input, the logic level voltage conversion circuits 30A, 30B apply a voltage (voltage value 0 volts) equal to the signal voltage of the input PWM signal (PWM0, PWM1) to the gate terminals of the PMOSFETs (FET1, FET3), resulting in no conversion of the input voltage. In this case, as long as the voltage Vdd is of a predetermined magnitude, the PMOSFETs will not be hindered from turning on.
上述した駆動回路60の動作は、電圧可変電源20の電源電圧Vddがマイコン10の電源電圧に対して低電圧のときのものであるが、電圧可変電源20の電源電圧Vddがマイコン10の電源電圧と同電圧又は高電圧のときの駆動回路60の動作も同様である。例えば、電源電圧Vddが+8ボルトに設定された場合、第1駆動回路50Aに「H」のPWM信号(PWM0)が入力されると、トランジスタFET1のゲートには+8ボルトが印加され、このときトランジスタFET1のゲート・ソース間電圧は0ボルトとなり、スレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも高いのでトランジスタFET1はオフとなる。その後、コンデンサC1は-3ボルトの電位差を維持する。そして、PWM信号(PWM0)が「L」になると、トランジスタFET1のゲートには+3ボルト(Vdd-Vm:(+8V)-(+5V))が印加され、このときトランジスタFET1のゲート・ソース間電圧は-5ボルトとなり、スレッショルド電圧(-2.5ボルト)よりも低いのでトランジスタFET1はオンとなる。 The operation of the drive circuit 60 described above applies when the power supply voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 is lower than the power supply voltage of the microcontroller 10. However, the operation of the drive circuit 60 is similar when the power supply voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 is the same as or higher than the power supply voltage of the microcontroller 10. For example, if the power supply voltage Vdd is set to +8 volts, when an "H" PWM signal (PWM0) is input to the first drive circuit 50A, +8 volts is applied to the gate of transistor FET1. At this time, the gate-source voltage of transistor FET1 becomes 0 volts, which is higher than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET1 turns off. Thereafter, capacitor C1 maintains a potential difference of -3 volts. When the PWM signal (PWM0) goes low, +3 volts (Vdd - Vm: (+8V) - (+5V)) is applied to the gate of transistor FET1, and the gate-source voltage of transistor FET1 becomes -5 volts, which is lower than the threshold voltage (-2.5 volts), so transistor FET1 turns on.
上述したように、第1駆動回路50Aでは、ロジックレベル電圧変換回路30Aを構成するコンデンサC1及びショットキーバリアダイオードSBD1などの機能により、入力されたPWM信号(PWM0)の電圧(つまりマイコン10のロジックレベル電圧)を変換してトランジスタFET1のゲートに入力する。また、第2駆動回路50Bでは、ロジックレベル電圧変換回路30Bを構成するコンデンサC2及びショットキーバリアダイオードSBD2などの機能により、入力されたPWM信号(PWM1)の電圧(つまりマイコン10のロジックレベル電圧)をレベルシフトさせて変換しトランジスタFET3のゲートに入力する。そして、駆動回路60は、このようなロジックレベル電圧変換回路30A,30Bを備えたことで、電源電圧Vddがマイコン10の電源電圧よりも低電圧や高電圧のときであっても、トランジスタFET1,FET3を音声信号に基づいて適切にスイッチング動作(オン・オフ)させることができると共に、電源電圧Vddと同じ電圧値の駆動電圧をスピーカSPに出力する。 As described above, the first drive circuit 50A converts the voltage of the input PWM signal (PWM0) (i.e., the logic level voltage of the microcomputer 10) using the functions of capacitor C1 and Schottky barrier diode SBD1, which constitute the logic level voltage conversion circuit 30A, and inputs it to the gate of transistor FET1. Similarly, the second drive circuit 50B converts the voltage of the input PWM signal (PWM1) (i.e., the logic level voltage of the microcomputer 10) by level-shifting it using the functions of capacitor C2 and Schottky barrier diode SBD2, which constitute the logic level voltage conversion circuit 30B, and inputs it to the gate of transistor FET3. By including these logic level voltage conversion circuits 30A and 30B, the drive circuit 60 can appropriately switch (on and off) transistors FET1 and FET3 based on the audio signal, even when the power supply voltage Vdd is lower or higher than the power supply voltage of the microcomputer 10, and outputs a drive voltage of the same voltage value as the power supply voltage Vdd to the speaker SP.
即ち、音声出力回路100では、音声データに基づき差動のPWM信号を生成するマイコンと、この差動のPWM信号に従いHブリッジ回路40をスイッチング動作させてスピーカSPに駆動電圧を出力する駆動回路60と、駆動回路60に対して可変電圧を印加して駆動回路60から可変電圧に応じた駆動電圧を出力させる電圧可変電源20と、を備える。また、駆動回路60は、マイコン10の電源及び電圧可変電源20の電圧に応じて、入力されたPWM信号(PWM0,PWM1)の電圧を当該電圧と異なる電圧レベルに変換し、変換した電圧をHブリッジ回路40のPMOSFET(FET1,FET3)のゲート端子に入力するロジックレベル電圧変換回路30をさらに備える。そして、音声出力回路100は、電圧可変電源20の電圧を変化させることによりHブリッジ回路40の出力電圧を制御する。かかる音声出力回路100の構成によれば、電圧可変電源20の電圧を変化させることでスピーカSPの出力音量を調整することができると共に、フルデジタル方式を採用しつつ音質のよい音声を出力することができる。 That is, the audio output circuit 100 includes a microcomputer that generates a differential PWM signal based on audio data, a drive circuit 60 that switches the H-bridge circuit 40 in accordance with the differential PWM signal to output a drive voltage to the speaker SP, and a variable voltage power supply 20 that applies a variable voltage to the drive circuit 60, causing the drive circuit 60 to output a drive voltage corresponding to the variable voltage. The drive circuit 60 also includes a logic level voltage conversion circuit 30 that converts the voltage of the input PWM signal (PWM0, PWM1) to a different voltage level depending on the power supply of the microcomputer 10 and the voltage of the variable voltage power supply 20, and inputs the converted voltage to the gate terminals of the PMOSFETs (FET1, FET3) of the H-bridge circuit 40. The audio output circuit 100 controls the output voltage of the H-bridge circuit 40 by varying the voltage of the variable voltage power supply 20. With this configuration of the audio output circuit 100, the output volume of the speaker SP can be adjusted by changing the voltage of the variable voltage power supply 20, and high-quality audio can be output while adopting a fully digital system.
また、音声出力回路100の駆動回路60の構成によれば、電圧可変電源20の電圧VddがPWM信号(PWM0,PWM1)の信号電圧(つまりマイコン10の電源電圧Vm)に対して低電圧のときでも、トランジスタFET1,FET3はオン・オフするので、上記電圧Vddに応じた低音量の音声を出力することができる。 Furthermore, due to the configuration of the drive circuit 60 of the audio output circuit 100, even when the voltage Vdd of the voltage variable power supply 20 is low relative to the signal voltage of the PWM signals (PWM0, PWM1) (i.e., the power supply voltage Vm of the microcontroller 10), the transistors FET1 and FET3 turn on and off, making it possible to output audio at a low volume corresponding to the voltage Vdd.
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能である。また、上記の実施形態で説明した要件の1つ以上は、省略されることがある。そのような変更または改良、省略した形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 Although an embodiment of the present invention has been described above, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiment. Various modifications and improvements can be made to the above embodiment without departing from the spirit of the present invention. Furthermore, one or more of the requirements described in the above embodiment may be omitted. Such modifications, improvements, and omitted forms are also included within the technical scope of the present invention.
10 マイコン
20 電圧可変電源
30 ロジックレベル電圧変換回路
40 Hブリッジ回路
60 駆動回路
100 音声出力回路
FET1,FET3 PMOSFET
FET2,FET4 NMOSFET
R11,R21,R31,R41 抵抗
SBD1,SBD2 ショットキーバリアダイオード
SP スピーカ
10 Microcomputer 20 Variable voltage power supply 30 Logic level voltage conversion circuit 40 H-bridge circuit 60 Driver circuit 100 Audio output circuit FET1, FET3 PMOSFET
FET2, FET4 NMOSFET
R11, R21, R31, R41 Resistors SBD1, SBD2 Schottky barrier diode SP Speaker
Claims (3)
前記差動のPWM信号に従いHブリッジ回路をスイッチング動作させてスピーカに駆動電圧を出力する駆動回路と、を備える音声出力回路であって、
前記駆動回路に対して可変電圧を印加して前記駆動回路から前記可変電圧に応じた前記駆動電圧を出力させる電圧可変電源をさらに備え、
前記駆動回路は、
前記マイコンの電源及び前記電圧可変電源の電圧に応じて、入力されたPWM信号の電圧を該電圧と異なる電圧レベルに変換し、変換した電圧を前記Hブリッジ回路のPMOSFETのゲート端子に入力するロジックレベル電圧変換回路を備え、
前記PMOSFETは、
前記電圧可変電源と接続されたソース端子と、抵抗を介して前記電圧可変電源と接続されたゲート端子と、を有し、
前記ロジックレベル電圧変換回路は、
前記PMOSFETのゲート端子と前記電圧可変電源との間に接続されたショットキーバリアダイオードと、
前記ショットキーバリアダイオードのアノード端子とPWM信号入力端子との間に接続されたコンデンサと、を有し、
前記電圧可変電源の電圧を変化させることで前記Hブリッジ回路の出力電圧を制御し前記スピーカの出力音量を可変としたことを特徴とする音声出力回路。 a microcomputer that generates a differential PWM signal based on audio data;
a drive circuit that performs a switching operation of an H-bridge circuit in accordance with the differential PWM signal to output a drive voltage to a speaker,
a variable voltage power supply that applies a variable voltage to the drive circuit and causes the drive circuit to output the drive voltage corresponding to the variable voltage;
The drive circuit
a logic level voltage conversion circuit that converts the voltage of an input PWM signal to a voltage level different from the voltage of a power supply of the microcomputer and the voltage variable power supply, and inputs the converted voltage to a gate terminal of a PMOSFET of the H-bridge circuit;
The PMOSFET is
a source terminal connected to the variable voltage power supply and a gate terminal connected to the variable voltage power supply via a resistor;
The logic level voltage conversion circuit includes:
a Schottky barrier diode connected between a gate terminal of the PMOSFET and the voltage variable power supply;
a capacitor connected between the anode terminal of the Schottky barrier diode and a PWM signal input terminal,
An audio output circuit, characterized in that the output voltage of the H-bridge circuit is controlled by changing the voltage of the variable voltage power supply, thereby making it possible to vary the output volume of the speaker.
前記2つのNMOSFETのドレイン端子は、それぞれ異なる前記PMOSFETのドレイン端子と接続され、
前記NMOSFETのゲート端子は、前記PWM信号入力端子と接続されると共に、抵抗を介してグランドと接続され、
前記NMOSFETのソース端子は、前記グランドと接続される、請求項1に記載の音声出力回路。 The FETs constituting the H-bridge circuit are two of the PMOSFETs and two NMOSFETs,
the drain terminals of the two NMOSFETs are connected to the drain terminals of different PMOSFETs,
a gate terminal of the NMOSFET is connected to the PWM signal input terminal and is also connected to ground via a resistor;
2. The audio output circuit according to claim 1 , wherein a source terminal of the NMOSFET is connected to the ground.
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