JP2016063300A - オーディオアンプ、電子機器、オーディオ信号の再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高音質再生が可能なオーディオアンプを提供する。【解決手段】電気音響変換素子１０２を駆動するオーディオアンプ２００が提供される。遅延回路２０２は、ＤＳＤフォーマットの入力オーディオ信号ＳＩＮを遅延させ、第１オーディオ信号Ｓ１を生成する。第１Ｄ級アンプ２０４は、電気音響変換素子１０２の一端と接続され、第１オーディオ信号Ｓ１に応じてスイッチングする。デシメーションフィルタ２０６は、入力オーディオ信号ＳＩＮをＰＣＭ（パルス符号変調）形式の第２オーディオ信号Ｓ２に変換する。デジタルボリウム回路２０８は、第２オーディオ信号Ｓ２に、ボリウムの設定値ＶＯＬに応じた係数を乗じ、第３オーディオ信号Ｓ３を生成する。パルス変調器２１２は、ノイズシェーパ２１０の出力Ｓ４をパルス変調された第５オーディオ信号Ｓ５に変換する。第２Ｄ級アンプ２１４は、第５オーディオ信号Ｓ５に応じてスイッチングする。【選択図】図２

Description

本発明は、オーディオ信号処理に関し、特にＤ級アンプに関する。

近年、オーディオ分野において、音源のハイレゾ化が進められている。こうした状況のもと、音源のネットワーク配信などではＤＳＤ（Direct Stream Digital）と呼ばれるフォーマットの普及が進んでおり、それに対応した再生装置が求められている。ＤＳＤ方式は、それ自体は従来から存在しており、ＳＡＣＤ（スーパーオーディオＣＤ）などでも採用されていた。

図１は、ＤＳＤの再生システムを示す図である。再生システム５００は、デシメーションフィルタ５０２、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５０６、ノイズシェーパ５０８、パルス幅変調器５１０、Ｄ級アンプ５１２、スピーカ５１４を備える。

デシメーションフィルタ５０２により、ビットストリームＳ５１の標本化周波数が、１／６４倍に間引かれ、ＰＣＭ（パルス符号変調）データＳ５３に変換される。ＤＳＰ５０６は、ＰＣＭデータ２３に対して、ボリウム制御などさまざまなデジタル演算処理を施す。ノイズシェーパ５０８はΔΣ変調器を含み、オーディオ信号Ｓ５４の量子化ノイズをオーディオ帯域外に分離する。パルス幅変調器５１０は、ノイズシェーパ５０８の出力データＳ５５をパルス幅変調する。Ｄ級アンプ５１２は、パルス幅変調器５１０の出力パルスＳ５６を増幅し、スピーカ５１４を駆動する。スピーカ５１４からは出力パルスＳ５６を平滑化したアナログオーディオ信号Ｓ５７が出力される。

特開２００２−３１９２３８号公報

ＤＳＤ方式は、ＰＤＭ（パルス密度変調）の一種であり、オーディオ波形が１ビットのパルス密度変調されたビットストリームとして記録され、原理的にはそれをローパスフィルタを通過させることで、もとのオーディオ波形を再生できる。ところが図１に示す従来の再生システム５００では、ビットストリームをＰＣＭデータに変換しているため、ＤＳＤ方式の本来の利点が損なわれており、音質に関して改善の余地がある。

本発明はかか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、高音質再生が可能なオーディオアンプの提供にある。

本発明のある態様は、電気音響変換素子を駆動するオーディオアンプに関する。オーディオアンプは、ＤＳＤフォーマットの入力オーディオ信号を遅延させ、第１オーディオ信号を生成する遅延回路と、電気音響変換素子の一端と接続され、第１オーディオ信号に応じてスイッチングする第１Ｄ級アンプと、入力オーディオ信号をＰＣＭ（パルス符号変調）形式の第２オーディオ信号に変換するデシメーションフィルタと、第２オーディオ信号に、ボリウムの設定値に応じた係数を乗じ、第３オーディオ信号を生成するデジタルボリウム回路と、第３オーディオ信号をノイズシェーピングし、第４オーディオ信号を生成するノイズシェーパと、第４オーディオ信号をパルス変調された第５オーディオ信号に変換するパルス変調器と、電気音響変換素子の他端と接続され、第５オーディオ信号に応じてスイッチングする第２Ｄ級アンプと、を備える。

この態様によると、電気音響変換素子の一端には、第１Ｄ級アンプによって、ボリウムの設定値によらない振幅を有するオーディオ信号が印加され、電気音響変換素子の他端には、第２Ｄ級アンプによって、ボリウムの設定値に応じた振幅、極性を有するオーディオ信号が印加される。これにより、電気音響変換素子の両端間に印加される駆動電圧は、ボリウムの設定値に応じて変化することとなり、音量を変化させることができる。また、駆動電圧の一部は、ＰＣＭ変換処理を経ない純粋な１ビットオーディオ信号の成分を含むため、音質を改善できる。

係数は、ボリウムの設定値が最小のときに、電気音響変換素子の一端のアナログオーディオ波形と他端のアナログオーディオ波形が同じ振幅、同じ極性を有するように定められてもよい。
これにより、電気音響変換素子の両端間の駆動電圧は実質的にゼロとなり、音量ゼロを実現できる。

また係数は、ボリウムの設定値が最大のときに、電気音響変換素子の一端のアナログオーディオ波形と他端のアナログオーディオ波形が同じ振幅、逆極性を有するように定められてもよい。
これにより、ある電源電圧が与えられるＤ級アンプのペアにおいて最大の音量を実現できる。

遅延回路の遅延量は、デシメーションフィルタからパルス変調器までの、信号処理遅延および伝搬遅延と等しくなるよう定められてもよい。

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。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、電気音響変換素子と、電気音響変換素子を駆動する上述のいずれかのオーディオアンプと、を備えてもよい。

電子機器は、電気音響変換素子の一端とオーディオアンプの第１Ｄ級アンプの間に設けられた第１フィルタと、電気音響変換素子の他端とオーディオアンプの第２Ｄ級アンプの間に設けられた第２フィルタと、をさらに備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、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。

本発明のある態様によれば、ＤＳＤフォーマットの１ビットオーディオ信号を高音質で再生できる。

ＤＳＤの再生システムを示す図である。 実施の形態に係るオーディオアンプの回路図である。 ボリウム設定値ＶＯＬと、デジタルボリウム回路の係数Ｋの関係を示す図である。 ボリウム値ＶＯＬを最大値から最小値へと変化させたときの、オーディオアンプの動作波形図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、電子機器の外観図である。

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。

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ない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係るオーディオアンプ２００の回路図である。オーディオアンプ２００は、いくつかの外付け部品とともに電子機器（オーディオシステムともいう）１００に内蔵される。具体的には電子機器１００は、電気音響変換素子１０２、第１フィルタ１０４Ｐ、第２フィルタ１０４Ｎおよびオーディオアンプ２００を備える。オーディオアンプ２００は、ひとつの半導体基板に一体集積化された機能ＩＣであり、オーディオ入力端子（ＡＵＤＩＮ）にＤＳＤフォーマットの１ビットオーディオ信号Ｓ１１を受け、電気音響変換素子１０２を駆動する。電気音響変換素子１０２としては、スピーカ、ヘッドホン、イヤホンなどが例示される。第１フィルタ１０４Ｐは、オーディオアンプ２００のＰ極出力端子（ＯＵＴＰ）と電気音響変換素子１０２の一端の間に設けられ、第２フィルタ１０４Ｎは、オーディオアンプ２００のＮ極出力端子（ＯＵＴＮ）と電気音響変換素子１０２の他端の間に設けられる。

オーディオアンプ２００は、遅延回路２０２、第１Ｄ級アンプ２０４、デシメーションフィルタ２０６、デジタルボリウム回路２０８、ノイズシェーパ２１０、パルス変調器２１２、第２Ｄ級アンプ２１４を備える。

オーディオアンプ２００のオーディオ入力端子（ＡＵＤＩＮ）には、音源１０６からのＤＳＤフォーマット（１ビット）の入力オーディオ信号Ｓ_ＩＮが入力される。遅延回路２０２は、ＤＳＤフォーマットの入力オーディオ信号Ｓ_ＩＮを受け、所定時間τ、遅延させて第１オーディオ信号Ｓ１を生成する。第１オーディオ信号Ｓ１は、ＰＣＭ変換を経ない、ピュアな１ビットオーディオ信号である。第１Ｄ級アンプ２０４は、ＯＵＴＰ端子および外付けのフィルタ１０４Ｐを介して電気音響変換素子１０２の一端と接続され、第１オーディオ信号Ｓ１に応じてスイッチングする。

デシメーションフィルタ２０６は、入力オーディオ信号Ｓ_ＩＮをＰＣＭ（パルス符号変調）形式の第２オーディオ信号Ｓ２に変換する。デジタルボリウム回路２０８は、第２オーディオ信号Ｓ２に、ボリウムの設定値（指令値）ＶＯＬに応じた係数Ｋを乗じ、第３オーディオ信号Ｓ３を生成する。たとえばオーディオアンプ２００は、マイクロコントローラ１０８からバスを介して設定値ＶＯＬを受信する。

ノイズシェーパ２１０は、第３オーディオ信号Ｓ３をノイズシェーピングし、第４オーディオ信号Ｓ４を生成する。ノイズシェーパ２１０はΔΣ変調器などで構成される。ノイズシェーパ２１０によりオーディオ帯域内のノイズが、２０ｋＨｚ以上のオーディオ帯域外に追い出される（ノイズシェーピング）。パルス変調器２１２は、第４オーディオ信号Ｓ４をパルス変調された第５オーディオ信号Ｓ５に変換する。たとえばパルス変調器２１２は、パルス幅変調器であってもよく、第５オーディオ信号Ｓ５は、ＰＷＭ形式のオーディオ信号であってもよい。パルス変調器２１２は、デジタル回路であってもよいし、アナログ回路であってもよく、公知技術を用いて構成できる。なお、パルス変調方式は特に限定されず、ＰＤＭ方式であってもよいし、ＰＦＭ（パルス周波数）であってもよく、その出力Ｓ５がＤ級アンプ２１４に入力可能な１ビットデジタル信号であり、その時間平均波形がオーディオ波形に対応するデータとなっていればよい。第２Ｄ級アンプ２１４は、電気音響変換素子１０２の他端と接続され、第５オーディオ信号Ｓ５に応じてスイッチングする。

第１Ｄ級アンプ２０４および第２Ｄ級アンプ２１４は共通の電源電圧ＶＤＤを受けて動作し、したがって第１Ｄ級アンプ２０４、第２Ｄ級アンプ２１４それぞれの出力パルスの振幅（ハイレベル電圧）は等しい。

図３は、ボリウム設定値ＶＯＬと、デジタルボリウム回路２０８の係数の関係を示す図である。係数Ｋは、ボリウムの設定値ＶＯＬが最小（音量が最小レベル）ＭＩＮのときに、電気音響変換素子１０２の一端のアナログオーディオ波形Ｓ_ＯＵＴＰと他端のアナログオーディオ波形Ｓ_ＯＵＴＮが同じ振幅、同じ極性を有するように定められる。

また、係数Ｋは、ボリウムの設定値が最大（音量が最大レベル）ＭＡＸのときに、電気音響変換素子１０２の一端のアナログオーディオ波形Ｓ_ＯＵＴＰと他端のアナログオーディオ波形Ｓ_ＯＵＴＮが同じ振幅、逆極性を有するように定められる。

中間的な設定値ＶＯＬにおいては、係数Ｋは、最小値（たとえば−１）と最大値（たとえば＋１）の間を、設定値ＶＯＬに応じて連続あるいは不連続で変化する。

また遅延回路２０２の遅延量τは、デシメーションフィルタ２０６からパルス変調器２１２までの、信号処理遅延および伝搬遅延と等しくなるよう定められる。

以上がオーディオアンプ２００の構成である。続いてその動作を説明する。図４は、ボリウム値ＶＯＬを最大値から最小値へと変化させたときの、オーディオアンプ２００の動作波形図である。

ボリウム設定値ＶＯＬが最大のとき、係数Ｋは負となり、電気音響変換素子１０２の両端のアナログオーディオ波形Ｓ_ＯＵＴＰとＳ_ＯＵＴＮは逆相となる。このとき、電気音響変換素子１０２の両端間の駆動波形Ｓ_ＯＵＴＰ−Ｓ_ＯＵＴＮの振幅は最大となる。

設定値ＶＯＬを低下させていくと、アナログオーディオ波形Ｓ_ＯＵＴＮの振幅が小さくなっていき、駆動波形Ｓ_ＯＵＴＰ−Ｓ_ＯＵＴＮの振幅も小さくなっていく。

係数Ｋがゼロとなると、電気音響変換素子１０２の他端の波形Ｓ_ＯＵＴＮはゼロとなる。このときの駆動波形はＳ_ＯＵＴＰと等しい。

さらにボリウム設定値ＶＯＬが小さくなると係数Ｋが正となり、波形Ｓ_ＯＵＴＮがＳ_ＯＵＴＰと同相となる。そして設定値ＶＯＬの減少にしたがい、波形Ｓ_ＯＵＴＮの振幅は増大し、駆動波形Ｓ_ＯＵＴＰ−Ｓ_ＯＵＴＮの振幅はさらに小さくなる。やがてボリウム設定値ＶＯＬが最小値となると、波形Ｓ_ＯＵＴＰとＳ_ＯＵＴＮが完全に一致し、駆動波形はゼロとなり、音量もゼロとなる。

以上がオーディオアンプ２００の動作である。続いてその利点を説明する。
実施の形態に係るオーディオアンプ２００では、電気音響変換素子１０２の一端には、第１Ｄ級アンプ２０４によって、ボリウムの設定値ＶＯＬによらない振幅を有するオーディオ信号Ｓ_ＯＵＴＰが印加され、電気音響変換素子１０２の他端には、第２Ｄ級アンプ２１４によって、ボリウムの設定値ＶＯＬに応じた振幅および極性を有するオーディオ信号Ｓ_ＯＵＴＮが印加される。これにより、電気音響変換素子１０２の両端間に印加される駆動波形Ｓ_ＯＵＴＰ−Ｓ_ＯＵＴＮは、ボリウムの設定値ＶＯＬに応じて変化することとなり、音量を変化させることができる。

ここで駆動波形の一部Ｓ_ＯＵＴＰは、ＰＣＭ変換処理を経ない純粋な１ビットオーディオ信号の成分を含むため、図１のオーディオシステムに比べて、音質を改善できる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、電子機器１００の外観図である。図５（ａ）は電子機器１００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１０２Ｌ、１０２Ｒを備える。オーディオアンプＩＣ３００は筐体６０２に内蔵され、スピーカ１０２Ｌ、１０２Ｒを駆動する。

図５（ｂ）は電子機器１００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１０２Ｌ、１０２Ｒを備える。オーディオアンプＩＣ３００は筐体７０２に内蔵され、スピーカ１０２Ｌ、１０２Ｒを駆動する。

図５（ｃ）は電子機器１００の一例である小型情報端末８００である。小型情報端末８００は、携帯電話、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、タブレットＰＣ（Personal Computer）、オーディオプレイヤなどである。小型情報端末８００は、筐体８０２、スピーカ１０２、ディスプレイ８０４を備える。オーディオアンプＩＣ３００は筐体８０２に内蔵され、スピーカ１０２を駆動する。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すような電子機器にオーディオアンプＩＣ３００を用いることにより、高音質を実現できる。そのほか、オーディオアンプＩＣ３００は、インターホンなどにも利用可能である。

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。

１００…電子機器、１０２…電気音響変換素子、１０４…フィルタ、１０６…音源、１０８…マイクロコントローラ、２００…オーディオアンプ、２０２…遅延回路、２０４…第１Ｄ級アンプ、２０６…デシメーションフィルタ、２０８…デジタルボリウム回路、２１０…ノイズシェーパ、２１２…パルス変調器、２１４…第２Ｄ級アンプ、Ｓ_ＩＮ…入力オーディオ信号、Ｓ１…第１オーディオ信号、Ｓ２…第２オーディオ信号、Ｓ３…第３オーディオ信号、Ｓ４…第４オーディオ信号、Ｓ５…第５オーディオ信号。

Claims (12)

1. 電気音響変換素子を駆動するオーディオアンプであって、
   ＤＳＤフォーマットの入力オーディオ信号を遅延させ、第１オーディオ信号を生成する遅延回路と、
   前記電気音響変換素子の一端と接続され、前記第１オーディオ信号に応じてスイッチングする第１Ｄ級アンプと、
   前記入力オーディオ信号をＰＣＭ（パルス符号変調）形式の第２オーディオ信号に変換するデシメーションフィルタと、
   前記第２オーディオ信号に、ボリウムの設定値に応じた係数を乗じ、第３オーディオ信号を生成するデジタルボリウム回路と、
   前記第３オーディオ信号をノイズシェーピングし、第４オーディオ信号を生成するノイズシェーパと、
   前記第４オーディオ信号をパルス変調された第５オーディオ信号に変換するパルス変調器と、
   前記電気音響変換素子の他端と接続され、前記第５オーディオ信号に応じてスイッチングする第２Ｄ級アンプと、
   を備えることを特徴とするオーディオアンプ。
2. 前記係数は、前記ボリウムの設定値が最小のときに、前記電気音響変換素子の前記一端のアナログオーディオ波形と前記他端のアナログオーディオ波形が同じ振幅、同じ極性を有するように定められることを特徴とする請求項１に記載のオーディオアンプ。
3. 前記係数は、前記ボリウムの設定値が最大のときに、前記電気音響変換素子の前記一端のアナログオーディオ波形と前記他端のアナログオーディオ波形が同じ振幅、逆極性を有するように定められることを特徴とする請求項１または２に記載のオーディオアンプ。
4. 前記遅延回路の遅延量は、前記デシメーションフィルタから前記パルス変調器までの、信号処理遅延および伝搬遅延と等しくなるよう定められることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のオーディオアンプ。
5. 前記パルス変調器は、前記第４オーディオ信号をパルス幅変調することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のオーディオアンプ。
6. ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のオーディオアンプ。
7. 電気音響変換素子と、
   前記電気音響変換素子を駆動する請求項１から６のいずれかに記載のオーディオアンプと、
   を備えることを特徴とする電子機器。
8. 前記電気音響変換素子の一端と前記オーディオアンプの前記第１Ｄ級アンプの間に設けられた第１フィルタと、
   前記電気音響変換素子の他端と前記オーディオアンプの前記第２Ｄ級アンプの間に設けられた第２フィルタと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の電子機器。
9. オーディオ信号の再生方法であって、
   ＤＳＤフォーマットの入力オーディオ信号を遅延させ、第１オーディオ信号を生成するステップと、
   電気音響変換素子の一端と接続された第１Ｄ級アンプが、前記第１オーディオ信号に応じてスイッチングするステップと、
   前記入力オーディオ信号をＰＣＭ（パルス符号変調）形式の第２オーディオ信号に変換するステップと、
   前記第２オーディオ信号に、ボリウムの設定値に応じた係数を乗じ、第３オーディオ信号を生成するステップと、
   前記第３オーディオ信号をノイズシェーピングし、第４オーディオ信号を生成するステップと、
   前記第４オーディオ信号をパルス変調し、第５オーディオ信号に変換するステップと、
   前記電気音響変換素子の他端と接続された第２Ｄ級アンプが、前記第５オーディオ信号に応じてスイッチングするステップと、
   を備えることを特徴とする再生方法。
10. 前記係数は、前記ボリウムの設定値が最小のときに、前記電気音響変換素子の前記一端と前記他端のアナログオーディオ波形が同じ振幅、同じ極性を有するように定められることを特徴とする請求項９に記載の再生方法。
11. 前記係数は、前記ボリウムの設定値が最大のときに、前記電気音響変換素子の前記一端と前記他端の波形が同じ振幅、逆極性を有するように定められることを特徴とする請求項９または１０に記載の再生方法。
12. 前記第５オーディオ信号は、前記第４オーディオ信号をパルス幅変調した信号であることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の再生方法。

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