JP5584097B2 - ミュート回路 - Google Patents

Description

本発明は、演算増幅器の急変する出力電圧を緩和してポップノイズを防止するミュート回路に関する。

オーディオ増幅器に使用される演算増幅器は、入力信号が０Ｖ（＝ＧＮＤ）のときは、図５に示すような回路となる。１は演算増幅器、２は信号入力端子、３は信号出力端子、Ｒ_１は入力抵抗、Ｒ_２は帰還抵抗、Ｒ_Ｌは負荷である。いま、入力信号が０Ｖ（入力端子２が接地状態）において、時刻ｔ_onで演算増幅器１に電源電圧＋Ｖを印加すると、この演算増幅器１は決められた最低動作電圧以下の範囲において十分な動作電圧を得ることができず、出力電圧を０Ｖに保つことは困難であり、図６に示すように、負荷Ｒ_Ｌには瞬間的に高い電圧が加わる。負荷Ｒ_Ｌがスピーカやイヤホンであれば、この電位変動がポップノイズとなり、不快音が発生する。その後、演算増幅器１の出力電圧Ｖ_OUTは、その演算増幅器１が有するオフセット電圧Ｖ_OSにより、次式(1)に示す電圧となる。
また、電源電圧＋Ｖが遮断される時刻ｔ_OFFにおいても同様であり、最低動作電圧以下においてポップノイズが発生する。

そこで、このようなポップノイズ発生の問題を解決するために、ミュート回路を挿入する技術が提案されている。その一例として、特許文献１には、ＰＷＭ信号を出力するスイッチング回路と負荷側のローパスフィルタとの間に、オン抵抗が０，Ｒ，２Ｒ，４Ｒ，・・・・，２^n-1Ｒ（Ｒは単位抵抗値）のｎ個のスイッチ素子を並列接続して構成したミュート回路を使用する記載がある。

この特許文献１のミュート回路は、ｎ個のスイッチ素子の内のオンするスイッチ素子の組み合わせを順次切り替えて、並列合計抵抗値を最小値から最大値に向けてステップ状に順次増大させていき、あるいは、ｎ個のスイッチ素子の内のオンするスイッチ素子の組み合わせを上記と逆方向順次切り替えて、並列合計抵抗値を最大値から最小値に向けてステップ状に順次減少させていくものである。

特開２００５−１１７０９１号公報

ところが、特許文献１では、ｎ個のスイッチ素子のオン抵抗が上記ように、０，Ｒ，２Ｒ，４Ｒ，・・・，２^n-1Ｒで決められているので、入力電圧と並列合計抵抗値と負荷抵抗値とで決まり負荷に印加する出力電圧を所定のステップ幅で変化させるには、各ステップ毎に、スイッチ素子をあらかじめ決めた組み合わせとなるようにオンさせる必要があり、その組み合わせが複雑になるとともに、オンしていた１又は複数のスイッチ素子が一斉にオフするときに別のスイッチ素子がオンするタイミングが含まれる（たとえば、特許文献１の図５のｔ１→ｔ２、ｔ３→ｔ４、ｔ７→ｔ８等）ので、この切替時に、一時的にでも、スイッチ素子の全てがオフになるとミュート回路がオープンになり、大きな切替ノイズが発生する。

特許文献１では、上記のようにミュート回路の出力側にローパスフィルタが接続されているので、このような切替ノイズを吸収することができるが、ローパスフィルタが接続されていない場合は、一時的にでも、スイッチ素子の全てがオフとなるタイミングが生じないように、各スイッチ素子のオン／オフのタイミングを正確に一致させる必要があり、各スイッチ素子のオン／オフに精密な制御が必要となる。

本発明の目的は、ミュート制御中に、スイッチ素子のいずれもがオフとなるようなタイミングが生じないようにして、出力側にローパスフィルタを接続せずとも、切替ノイズの影響を受けないようにしたミュート回路を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、演算増幅器の出力側と負荷との間に接続した互いにオン抵抗値の異なる並列接続のｎ個（ｎは２以上の整数）のスイッチからなるスイッチ回路と、前記ｎ個のスイッチをオン／オフ制御して前記演算増幅器の急変する出力電圧を緩和する制御回路とを備えたミュート回路において、前記制御回路が、前記演算増幅器の出力電圧が立ち上がる時は、前記ｎ個のスイッチの内のオン抵抗値の最大のスイッチからオン抵抗値が小さいスイッチにかけて順番に前記ｎ個のスイッチをオンに制御し、前記演算増幅器の出力電圧が立ち下がる時は、前記ｎ個のスイッチの内のオン抵抗値の最小のスイッチからオン抵抗値の大きなスイッチにかけて順番に前記ｎ個のスイッチをオフに制御し、且つ、前記ｎ個のスイッチをオン又はオフする際に前記負荷にかかる電圧の変化が、前記ｎ個のスイッチの全てがオンしたときに前記負荷にかかる電圧の１／ｎとなるように、前記ｎ個のスイッチの内のオン抵抗値の最大のスイッチからオン抵抗値が小さいスイッチにかけて順番に前記ｎ個のスイッチをオンに制御するとき、Ｒ _Ｌ を負荷の抵抗値として、１番目からｍ番目までのオンしたスイッチの並列オン抵抗値Ｘ _ｍ を、
で求め、ｍ番目にオンするスイッチのオン抵抗値Ｒ _ｍ を、
で求めて、前記並列オン抵抗値Ｘ _ｍ と前記オン抵抗値Ｒ _ｍ を設定することを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のミュート回路において、前記スイッチ回路を、同一のオン抵抗を有するｎ個のスイッチと、該ｎ個のそれぞれのスイッチに直列に接続された互いに抵抗値の異なる抵抗素子とからなるスイッチ回路に置き換えたことを特徴とする。

本発明のミュート回路によれば、ｎ個のスイッチを順次オンさせあるいは順次オフさせるよう制御するので、ミュート制御中にスイッチ素子のいずれもがオフとなるようなタイミングが生じることはなく、出力側にローパスフィルタを接続せずとも、切替ノイズの影響を受けることはない。また、ｎ個のスイッチをオン又はオフする際に負荷にかかる電圧の変化が、ｎ個のスイッチの全てがオンしたときに負荷にかかる電圧の１／ｎとなるように制御するので、負荷側における目標電位変化幅に応じてｎを設定することで、切替えノイズも無視できる程度に低減できる。

本発明の１つの実施例のミュート回路を含むオーディオ増幅回路の回路図である。 図１のオーディオ増幅回路の動作波形図である。 （ａ）はミュート回路のスイッチ数を１０個としたときの並列オン抵抗値Ｘ_ｍの説明図、（ｂ）は各スイッチのオン抵抗値Ｒ_ｍの説明図である。 別の実施例のオーディオ増幅回路の回路図である。 従来のオーディオ増幅回路の回路図である。 図５のオーディオ増幅回路の動作波形図である。

図１に本発明の第１の実施例のミュート回路を含むオーディオ増幅回路を示す。演算増幅器１は、信号入力端子２と反転入力端子１ａとの間に入力抵抗Ｒ_１が接続され、その反転入力端子１ａと出力端子１ｃとの間に帰還抵抗Ｒ_２が接続されている。ここでは、オフセット電圧Ｖ_OSを、非反転入力端子１ｂと接地間に印加される電圧として現している。

４はスイッチ回路、５は制御回路であり、これらによってミュート回路が構成される。スイッチ回路４は、ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタのソース同士、ドレイン同士を共通接続して構成したｎ個のアナログスイッチＳ_１〜Ｓ_ｎを、演算増幅器１の出力端子１ｃと信号出力端子３との間に並列接続して構成されている。ＩＮＶ_１〜ＩＮＶ_ｎはインバータである。そして、制御回路５から出力する制御信号cont_１〜cont_ｎによってスイッチＳ_１〜Ｓ_ｎのオン／オフが制御される。例えば、スイッチＳ_１は、制御信号cont_１がハイレベルＶＨでオン、ロウレベルＶＬでオフとなる。

さて、電源投入時ｔ_onにおいて、スイッチＳ_１〜Ｓ_ｎはすべてオフとなっており、この状態において演算増幅器１に電源電圧Ｖ＋が印加される。このとき、図２に示すように、演算増幅器１の出力端子１ｃには、ポップノイズが発生するが、すべてのスイッチＳ_１〜Ｓ_ｎがオフであることによって、そのポップノイズは負荷Ｒ_Ｌには伝達されない。その後、入力信号が０Ｖの演算増幅器１に供給された電源電圧＋Ｖが安定した状態では、演算増幅器１の出力端子１ｃに現れる電圧Ｖ_０は、
となる。ここで、全てのスイッチＳ_１〜Ｓ_ｎを同時にオンした場合は、式(2)に示すＶ_０の電位変動成分が出力電圧Ｖ_OUTとなって負荷Ｒ_Ｌに伝達されポップノイズが生じるが、スイッチＳ_１〜Ｓ_ｎを、それぞれ遅延を持たせて順番に切り替えることにより、この電位変動を分割し、ポップノイズを低減することができる。

いま、時刻ｔ_１でスイッチＳ_１がオンし、時刻ｔ_２でスイッチＳ_１とＳ_２がオンし、・・・・・、時刻ｔ_ｎでスイッチＳ_１〜Ｓ_ｎがすべてオンとなるようにする。このとき、スイッチＳ_１〜Ｓ_ｎそれぞれを導通させたときの各タイミングｔ_１〜ｔ_ｎでの電圧変動が、最終電圧（この場合はオフセット電圧Ｖ_OS）の１／ｎになるように、各スイッチＳ_１〜Ｓ_ｎのオン抵抗値を設定する。

スイッチＳ_１〜Ｓ_ｎを、Ｓ_１からＳ_ｎにかけて順番にオンさせるものとして、ｍ番目に導通させるスイッチＳ_ｍのオン抵抗値をＲ_ｍとし、ｍ番目のスイッチＳ_ｍがオンとなったときにオン状態で並列接続されたスイッチＳ_１〜Ｓ_ｍの並列オン抵抗値をＸ_ｍとすると、ｍ番目のスイッチＳ_ｍがオンしたときに負荷Ｒ_Ｌに加わるする出力電圧Ｖ_OUT(m)は、
となる。ｍ番目のスイッチＳ_ｍがオンとなったとき、出力電圧Ｖ_OUT(m)は最終電圧Ｖ_OSのｍ／ｎになる必要があるので、
となり、式(3)と(4)から、
となる。

したがって、式(5)から、前記した並列オン抵抗値Ｘ_ｍは、
となる。ここで、並列オン抵抗値Ｘ_ｍは、ｍ番目にオンするスイッチＳ_ｍのオン抵抗値Ｒ_ｍと、ｍ−１番目までの並列に接続されたスイッチＳ_１〜Ｓ_ｍ-1の並列オン抵抗値Ｘ_ｍ-1との並列接続により算出されるので、
となる。この式(7)からＲ_ｍを求めると、
となる。このように式(6)から並列オン抵抗値Ｘ_ｍを求めてから、式(8)により、ｍ番目のスイッチＳ_ｍのオン抵抗値Ｒ_ｍを設定することができる。

ここで、Ｒ２／Ｒ１＝１、Ｖos＝５ｍＶとしたとき、演算増幅器１の出力端子１ｃに現れる電圧Ｖoは、
となる。この電圧１０ｍＶを、出力電圧Ｖ_OUTとして１ｍＶ以下で変化する電圧（変化の１ステップが１ｍＶ以下）にすることを目的とし、スイッチの数ｎ＝１０とすると、負荷Ｒ_Ｌ＝３２Ωとしたときのスイッチ回路４の並列オン抵抗値Ｘ_ｍは、図３（ａ）に示す値に設定し、１０個のスイッチＳ_１〜Ｓ_１０のそれぞれのオン抵抗値は、図３（ｂ）に示す値に設定すればよい。各スイッチのオン抵抗値は、そのスイッチを構成するＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタのサイズ比（Ｗ/Ｌ）を適宜決定することにより、容易に設定することができる。

このように、抵抗値を減少させるときは、並列接続の複数のスイッチの内、オン抵抗の大きなスイッチからオン抵抗の小さなスイッチにかけて順に重複してオンしていき、逆に、抵抗値を増大させるときは、並列接続の複数のスイッチの内、オン抵抗の小さなスイッチからオン抵抗の大きなスイッチにかけて順に重複してオフしていくことで、ローパスフィルタを使用せずとも、小さなステップで負荷Ｒ_Ｌにかかる出力電圧Ｖ_OUTを変化させることができ、ポップノイズの発生はもとより、スイッチの切替えノイズの発生も防止することができる。このとき、スイッチ回路４はオンしているスイッチの数を増大させ、あるいは減少させることで並列オン抵抗値を変化させているので、スイッチの切替タイミングを特別精密に制御する必要はない。

なお、図４に示すように、演算増幅器１をボルテージホロワ回路として構成した場合であっても、同様にポップノイズおよびスイッチの切替ノイズを防止することができる。また、スイッチ回路４は、同一のオン抵抗を有するｎ個のスイッチと、該ｎ個のそれぞれのスイッチに直列に接続された互いに抵抗値の異なる抵抗素子とで構成したスイッチ回路と置き換えてもよい。

１：演算増幅器、２：信号入力端子、３：信号出力端子、４：スイッチ回路、５：制御回路、Ｓ_１〜Ｓ_ｎ：スイッチ、ＩＮＶ_１〜ＩＮＶ_ｎ：インバータ

Claims (2)

1. 演算増幅器の出力側と負荷との間に接続した互いにオン抵抗値の異なる並列接続のｎ個（ｎは２以上の整数）のスイッチからなるスイッチ回路と、前記ｎ個のスイッチをオン／オフ制御して前記演算増幅器の急変する出力電圧を緩和する制御回路とを備えたミュート回路において、
   前記制御回路が、前記演算増幅器の出力電圧が立ち上がる時は、前記ｎ個のスイッチの内のオン抵抗値の最大のスイッチからオン抵抗値が小さいスイッチにかけて順番に前記ｎ個のスイッチをオンに制御し、
   前記演算増幅器の出力電圧が立ち下がる時は、前記ｎ個のスイッチの内のオン抵抗値の最小のスイッチからオン抵抗値の大きなスイッチにかけて順番に前記ｎ個のスイッチをオフに制御し、
   且つ、前記ｎ個のスイッチをオン又はオフする際に前記負荷にかかる電圧の変化が、前記ｎ個のスイッチの全てがオンしたときに前記負荷にかかる電圧の１／ｎとなるように、
   前記ｎ個のスイッチの内のオン抵抗値の最大のスイッチからオン抵抗値が小さいスイッチにかけて順番に前記ｎ個のスイッチをオンに制御するとき、Ｒ _Ｌ を負荷の抵抗値として、１番目からｍ番目までのオンしたスイッチの並列オン抵抗値Ｘ _ｍ を、
   で求め、ｍ番目にオンするスイッチのオン抵抗値Ｒ _ｍ を、
   で求めて、前記並列オン抵抗値Ｘ _ｍ と前記オン抵抗値Ｒ _ｍ を設定することを特徴とするミュート回路。
2. 請求項１に記載のミュート回路において、
   前記スイッチ回路を、同一のオン抵抗を有するｎ個のスイッチと、該ｎ個のそれぞれのスイッチに直列に接続された互いに抵抗値の異なる抵抗素子とからなるスイッチ回路に置き換えたことを特徴とするミュート回路。