説明

音声出力装置及び音声出力方法

【課題】音質の低下を抑えた上で出力信号強度を充分に保ち、かつこれを最大許容値を超えない範囲で維持する制御を充分な精度で行う。
【解決手段】この音声出力装置10においては、アナログ信号である音声入力信号がD級増幅器11に入力される。D級増幅器11中においては、ΔΣ変調部111が、スイッチング部112において生成されたパルス信号をこの信号によってΔΣ変調して1ビット信号を生成する。このパルス信号及び1ビット信号の振幅電圧は、スイッチング部112に印加される駆動電圧Vccで決まり、VccはVcc制御部12によって出力され、D級増幅器11に印加される。この音声出力装置10においては、出力検出部16によって検出された信号強度Vに応じて、マイコン17によって駆動電圧Vccが設定される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、増幅器を介して音声信号を出力する音声出力装置の構成、及び音声出力方法に関する。
【背景技術】
【0002】
液晶テレビにおいては、映像と音声が出力されるため、ディスプレイとスピーカが設けられる。音声信号は、増幅器を介して充分な出力強度でスピーカから出力されるが、スピーカの出力強度には適正な範囲があり、この範囲をはずれた場合には出力される音声に歪みが生じたり、極端に大きな出力強度の場合には、スピーカが破損する場合もある。従って、スピーカの出力強度を充分に保った上で、ある一定の許容値を超えない範囲に保つことが重要である。
【0003】
例えば、このためには、出力の最大許容値が設定されたリミッタを設け、これ以上の出力となる場合には強度をカットするという方法が考えられる。この場合にスピーカに入力される信号の概念図が図6(a)である。ここで、横軸tは時間であり、縦軸Vは信号の電圧を示す。破線がリミッタを設けない場合に増幅器から出力される信号であり、実線がリミッタが動作した場合の信号であり、この場合の最大許容値は±Vmaxである。この場合には、信号強度は適正な範囲に保たれるものの、その波形が元の信号から歪むことは明らかである。また、リミッタに設定された最大許容値にはばらつきが存在するため、これに起因する信頼性の低下も問題になる。
【0004】
出力をリミッタによって制限する代わりに、増幅器のゲインを下げることによって調整することも可能である。この場合には、図6(b)に示すように、調整後の波形(実線)を調整しない場合の波形(破線)の単なる定数倍にするため、音質は低下しない。この場合のゲインの調整は、例えば特許文献1に記載されるように、増幅器からの出力をモニターし、これに負のフィードバックをかけることにより行われる。ただし、この場合には、音質は低下しないものの、音量が全体的に小さくなる。
【特許文献1】特開平1−135207号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、特に液晶テレビ等においては、装置の薄型化、小型化が要求されている。このため、これに用いられるスピーカも薄型、小型のものが用いられる。こうしたスピーカは、特に低音を出力する効率が低くなるため、その出力信号強度を充分に大きくすることが重要になる。従って、その出力信号強度を上記の最大許容値近くに保持する必要性がより高くなり、上記の制御はより厳密に行うことが必要になる。一方、この際に音質を極力低下させない、すなわち、波形の歪みを極力小さくすることも求められる。
【0006】
この場合、上記の方法では、厳密な制御が困難であった。すなわち、出力信号強度を充分に保ち、かつこれを最大許容値を超えない範囲で維持すると共に音質の低下を極力抑える制御を充分な精度で行うことは困難であった。
【0007】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の音声出力装置は、音声入力信号からD級増幅器を介して1ビット信号を作成し、該1ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する構成を具備する音声出力装置であって、前記D級増幅器の駆動電圧を出力する駆動電圧出力部と、前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度に応じて前記駆動電圧出力部における前記駆動電圧を設定する制御部と、を具備することを特徴とする。
本発明の音声出力装置において、前記音声出力信号には許容レベルが設定され、前記制御部は、前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記1ビット信号を前記D級増幅器に出力させることを特徴とする。
本発明の音声出力装置において、前記D級増幅器にはΔΣ変調器が用いられることを特徴とする。
本発明の音声出力方法は、音声入力信号からD級増幅器を介して1ビット信号を作成し、該1ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する音声出力方法であって、前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出し、前記信号強度に応じて前記D級増幅器の駆動電圧を設定することを特徴とする。
本発明の音声出力方法において、前記音声出力信号には許容レベルが設定され、前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記1ビット信号を前記D級増幅器に出力させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明は以上のように構成されているので、音質の低下を抑えた上で出力信号強度を充分に保ち、かつこれを最大許容値を超えない範囲で維持する制御を充分な精度で行う音声出力装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための最良の形態となる音声出力装置について説明する。この音声出力装置は、例えば液晶テレビにおける音声信号の出力装置として用いられる。
【0011】
この音声出力装置10の構成を図1に示す。この音声出力装置10においては、アナログ信号である音声入力信号がD級増幅器11に入力される。D級増幅器11中においては、ΔΣ変調部111が、スイッチング部112において生成されたパルス信号をこの信号によってΔΣ変調して1ビット信号を生成する。このパルス信号及び1ビット信号の振幅電圧は、スイッチング部112に印加される駆動電圧Vccで決まり、VccはVcc制御部(駆動電圧出力部)12によって出力され、D級増幅器11に印加される。ここで、電源13(出力電圧Vo)が設けられ、電源の電圧VoがVcc制御部12によってVo≧Vccの範囲で調整されて駆動電圧Vccとなる。
【0012】
この1ビット信号はローパスフィルタ(LPF)14に入力され、再びアナログ信号である音声出力信号となり、スピーカ15に入力され、音声出力となる。
【0013】
ここで、図1のP点においては、出力検出部(信号強度検出部)16が接続されており、この音声出力信号の信号強度がモニターされる。この信号強度はマイコン(制御部)17に入力され、マイコン17は、この値に基づいてVcc制御部(駆動電圧出力部)12を制御し、D級増幅器11の駆動電圧Vccを設定する。
【0014】
ここで、スイッチング部112は、振幅がVccのパルス信号を生成する。ΔΣ変調部111は、音声入力信号における強度を、電圧振幅が一定のパルス信号におけるパルス幅に変換し、このパルス幅でこの生成されたパルス信号を変調する。ここで、パルス幅変調された信号が1ビット信号となる。こうした変換を行った場合には、一般に量子化ノイズが発生するが、周知のように、ΔΣ変調を用いた場合にはこの量子化ノイズを低減することができるため、特に好ましく用いることができる。この1ビット信号は、後で積分器やローパスフィルタを通すことにより、元のアナログ信号の波形を忠実に再現したものとすることができる。なお、ΔΣ変調部111の代わりに、単なるパルス幅変調(PWM)を行うPWM変調部を設けてもよい。なお、ΔΣ変調部111が用いられる場合には、1ビット信号の出力がΔΣ変調部111にフィードバックされる。
【0015】
以上の構成からなるD級増幅器11は、一般に知られるように、低消費電力で動作する。また、1ビット信号作成の際のサンプリング周波数が充分に高ければ、入力された音声信号を忠実に増幅して再現できる1ビット信号を作成することができる。従って、この1ビット信号をLPF14を介してスピーカ15に出力することにより、音声入力信号を忠実に増幅した音声を出力することができる。
【0016】
ここで、この音声出力装置10においては、出力検出部(信号強度検出部)16によって検出された信号強度Vに応じて、マイコン(制御部)17によって駆動電圧Vccが設定される。この動作、すなわちこの音声出力方法について以下に説明する。
【0017】
この音声出力装置10におけるスピーカ15へ入力される音声出力信号の波形の一例を図2の実線で示す。ここで、Vmaxは、スピーカ15の特性によって決まる音声出力信号の最大値(許容レベル)である。信号強度がVmaxを越えた場合には特に音質が劣化したり、スピーカ15が損傷する場合があるため、特性に応じて適宜設定される。従って、音声出力信号がこの許容レベルを超えないように制御される。ここで、この制御が行われず、音声入力信号をそのまま忠実に増幅した場合の音声出力信号の波形を同図中の破線で示す。この音声出力装置10においては、図6(a)のように、リミッタで音声出力信号をカットするのではなく、マイコン17がD級増幅器11を制御して、図2における実線の波形を出力させる。この際、この波形においては、信号強度がVmaxを越えないように制御され、かつ信号強度がVmaxを越えない範囲内では音声入力信号の波形に近い波形が保たれている。従って、単にリミッタで出力を制限する場合と比べて、音質の低下を抑制することができる。
【0018】
この波形における、VがVmaxに近い範囲での拡大図が図3である。ここでは、出力Vの最大値Vmaxの他に、3つの閾値Vm、Vm、Vm(Vm<Vm<Vm<Vmax)が設定されている。Vの値がこれらの値と比べてどの範囲にあるかに応じて、図中のA〜Iの範囲が設定され、マイコン17はVcc制御部12を制御して、スイッチング部112に入力される電圧Vccを設定し、D級増幅器11から出力される1ビット信号における振幅を制御する。この際、信号強度が高い場合にはVccを高く設定し、かつ信号強度が許容レベルを越えないような1ビット信号をD級増幅器11に出力させる。
【0019】
この際の動作を説明するのが図4である。ここで、この波形における、領域A〜Eまでの波形の拡大図が図4(a)である。また、この間に設定されるVccを図4(b)に、出力される1ビット信号のパルス波形を図4(c)に示す。ここで、パルス波形は単純化のためにPWM変調された1ビット信号の場合について示してあり、概念を説明するために、そのサンプリング周期も長くなって表示されている。従って、実際のパルスはこれよりも短い時定数で細かく制御される。また、このパルス信号はユニポーラ信号とし、ON(High)となる場合が図4(c)中の濃灰色の領域で表示されている。
【0020】
V≦Vm(図4(a)中Aの領域)の場合は、図4(b)に示されるようにVccは最低値であるVcc(初期値)の値に一定に制御される。これによりD級増幅器11から出力される波形(LPF15に入力される波形)は図3中のAの領域における実線の通りになる。この波形は、音声入力信号の波形を忠実に増幅したものとなっている。この波形においてはVが徐々に増加するため、これに対応する1ビット信号においては、図4(c)に示されるように、徐々にパルス幅(ON時間)が長くなる。この際、Vccが一定であるため、パルス振幅は一定である。
【0021】
次に、Vm<V≦Vm(図4(a)中のBの領域)の場合は、図4(b)に示されるように、Vccをある一定の上昇率dVccで上昇させる。この際の1ビット信号は、図4(c)に示されるように、これに応じて振幅が上昇する。しかしながら、図4(a)の波形を再現するためには、パルス幅をVccの上昇分よりも大きい比率で短くする。このパルス幅の短縮分を図4(c)中においてパルス波形に隣接した薄灰色領域で示す。すなわち、図4(a)における破線部の出力に対応するパルス波形は図4(c)中における濃灰色部と薄灰色部が結合した波形となる。従って、この際のパルス幅の短縮率をdPとすると、dVcc×dP<1となるdPの値が設定されて出力される。Vccの設定はマイコン17がVcc制御部12を制御することにより行われる。また、パルス幅の制御はマイコン17がΔΣ変調部(PWM変調部)111を制御することにより行われる。これにより、図4(a)中のBの領域の波形を再現する1ビット信号を作成できる。
【0022】
次に、Vm<V≦Vm(図4(a)中のCの領域)の場合は、図4(b)に示されるように、VccをdVcc<dVccである上昇率dVccで上昇させる。この際の1ビット信号は、図4(c)に示されるように、これに応じて振幅が上昇する。ここで、出力を抑えて図4(a)中の実線の出力を実現するために、Vccの上昇率をdVccよりも小さくしている。この際も、パルス幅をVccの上昇分よりも大きい比率で短くする。すなわち、パルス幅の短縮率をdPとすると、dVcc×dP<1となるdPの値が設定されて出力される。これにより、図4(a)中のCの領域の波形を再現する1ビット信号を作成できる。
【0023】
次に、Vm<V≦Vmax(図4(a)中のDの領域)の場合は、図4(b)に示されるように、出力を抑えるためにVccをdVcc<dVccである上昇率dVccで上昇させる。この際の1ビット信号は、図4(c)に示されるように、これに応じて振幅が上昇する。この際も、パルス幅をVccの上昇分よりも大きい比率で短くする。すなわち、パルス幅の短縮率をdPとすると、dVcc×dP<1となるdPの値が設定されて出力される。これにより、図4(a)中のDの領域の波形を再現する1ビット信号を作成できる。
【0024】
次に、Vmax<V(図4(a)中のEの領域)の場合は、図4(b)に示されるように、VccをVccの値に固定する。この際の1ビット信号は、図4(c)に示されるように、振幅は一定であり、かつ、VがVmaxに固定されるようにパルス幅が制御される。これにより、図4(a)中のEの領域の波形を再現する1ビット信号を作成できる。すなわち、Vの最大値がVmaxに維持される。
【0025】
なお、図4はVの上昇時の動作についての説明であるが、下降時はこの逆の動作を行う。すなわち、図3中のFの領域ではVccをVccからdVcc(=dVcc)の下降率で下降させ、パルス幅を短縮率dP(=dP)で短くする。図3中のGの領域ではVccをdVcc(=dVcc)の下降率で下降させ、パルス幅を短縮率dP(=dP)で短くする。図3中のHの領域ではVccを下降率dVcc(=dVcc)で下降させ、パルス幅を短縮率dP(=dP)で短くする。図3中のIの領域ではVccをVccの値に固定する。これに応じたVcc、1ビット信号は図4(b)(c)の結果と時間的に逆の変化をするため、その記載は省略する。
【0026】
以上のように、この音声出力装置10においては、D級増幅器11が用いられ、出力に応じてその駆動電圧Vccが制御されるため、出力される1ビット信号のパルス振幅が制御される。この際、上記の動作を行い、図2の実線で示された波形の出力をする。
【0027】
比較として、Vccの制御を行わない(Vccを常に一定とする)場合の同様の結果を図5に示す。図5(a)は、図4(a)と同様の出力波形であり、音声入力信号を忠実に増幅した場合の波形が破線で示されている。図5(b)はこの際のVccの値であり、一定の値に固定されている。図5(c)は図5(a)の実線の波形を出力させる1ビット信号である。なお、1ビット信号は図4(c)の場合と同様に単純化されて記載されている。
【0028】
この場合には、Vccが一定であるため、Vの増加に伴ってパルス幅が長くなる制御が行われる。従って、Vが小さいAの領域ではパルス幅が短く、パルス間隔が広くなる。一方、Vが大きくなったDやEの領域においては、パルス幅が長く、パルス間隔が短くなる。すなわち、この場合でも図4(a)と同様の波形を出力させることは可能である。
【0029】
しかしながら、Vが小さな領域では音声出力を忠実に再現する1ビット信号を得ることが要求され、VがVmaxに近い領域では、VをVmaxに近い値でかつこれを越えないように精密に制御することが必要になる。これに対して、図5に示す制御を行って1ビット信号を作成した場合には、Aの領域においてはパルス幅が精密な制御を行うためにはパルス幅が短すぎ、DやEの領域ではパルス幅が長すぎる(パルス間隔が短すぎる)という問題がある。従って、Vが小さな領域では音声出力を忠実に再現し、VがVmaxに近い領域では、VをVmaxに近い値でかつこれを越えないように厳密に制御することが困難である
【0030】
これに対して、図4に示すこの音声出力装置10の動作においては、パルス幅、パルス間隔はA〜E(及びE〜I)の領域で適切な範囲に保たれる。従って、Vが小さな領域では音声出力を忠実に再現し、VがVmaxに近い領域では、VをVmaxに近い値でかつこれを越えないように厳密に制御することができる。また、Vccの上昇(下降)率dVcc等、パルス幅の短縮率dP等を上記の通りに制御することによって、図2の実線で示す出力を得ることができる。この波形においては、信号強度が充分に保たれ、かつこれを最大許容値を超えない範囲で維持する制御が充分な精度で行われる。
【0031】
従って、この音声出力装置10は、音声出力信号の信号強度を許容レベル近くに維持し、かつ歪みを抑制することが要求されるオーディオ機器に特に好ましく用いられる。具体的には、低音の出力効率が低い薄型、小型のスピーカを具備する液晶テレビ等に好ましく用いられる。
【0032】
なお、図1の構成においては、出力検出部16はD級増幅器11の出力側のLPF14の出力となった音声出力信号の信号強度をモニターして上記の制御を行う。D級増幅器11には一般に製品毎の特性ばらつきや諸状況による特性の変動があるが、出力される音声出力信号の信号強度によって上記の制御を行うため、こうした変動があってもその出力を厳密に制御することが可能である。
【0033】
ただし、図1において、出力検出部16の代わりに入力検出部を信号強度検出部としてD級増幅器11の入力側であるQ点に設けてもよい。この場合にも、マイコン17が音声入力信号の信号強度に応じて上記と同様の制御を行うことができる。この場合には、D級増幅器11に入力される信号強度に応じた制御が行われるため、例えば急激な出力の変動があった場合にはより適切な制御を行うことができる。
【0034】
また、入力検出部と出力検出部16を共に設け、例えば入力検出部を用いて上記の制御を行い、出力検出部16で検出された信号強度に応じて図6(b)に示された単なるゲイン制御を行うこともできる。こうした場合には、少しの歪みがあってもある程度の音量を維持したい場合には図2の波形となる制御を行い、音量が下がっても音質を重視して歪みをなくしたい場合には図6(b)の波形となる制御を行うことができる。また、VがVmaxを越えない範囲でこれらの中間的な制御を行い、音量と音質とが所望の程度に制御された出力となる1ビット信号をD級増幅器11に出力させることが可能である。
【0035】
また、前記の形態では、Vcc等の制御を、Vmaxの他にVm、Vm、Vmという3種類の閾値を用いて行っていたが、これに限られるものではない。この閾値を2種類以下、あるいは4種類以上設けてもよい。更に、こうした離散的な閾値を設定せず、VccをVの連続的な関数として設定することもできる。すなわち、駆動電圧Vccは信号強度に応じて音声出力信号が許容レベル内となるべくマイコン17によって適宜設定され、Vcc制御部12によって出力される。
【0036】
なお、本発明は上記の形態に限られるものではなく、1ビット信号を用いて音声出力をさせる音声出力装置あるいは音声出力方法において、出力されるアナログ信号の信号強度をある一定の範囲にする場合であれば、同様に好ましく用いられる。また、前記の例では音声入力信号をアナログ信号であるとしたが、音声入力信号がデジタル信号である場合でも、同様に1ビット信号を用いて音声信号を出力させる場合には、同様に本願発明を用いることができることは明らかである。この場合の前記の音声入力信号の強度としては、音声入力信号をアナログ変換した場合の信号強度とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の実施の形態となる音声出力装置の構成図である。
【図2】本発明の実施の形態となる音声出力装置における音声出力信号の一例である。
【図3】本発明の実施の形態となる音声出力装置における音声出力信号の許容レベル付近の拡大図である。
【図4】本発明の実施の形態となる音声出力装置の動作を示す図(a:音声出力信号、b:Vcc、c:1ビット信号)である。
【図5】従来の音声出力装置の動作を示す図(a:音声出力信号、b:Vcc、c:1ビット信号)である。
【図6】従来の音声出力装置における音声出力信号の例である。
【符号の説明】
【0038】
10 音声出力装置
11 D級増幅器
12 Vcc制御部(駆動電圧出力部)
13 電源
14 ローパスフィルタ(LPF)
15 スピーカ
16 出力検出部(信号強度検出部)
17 マイコン(制御部)
111 ΔΣ変調部
112 スイッチング部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
音声入力信号からD級増幅器を介して1ビット信号を作成し、該1ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する構成を具備する音声出力装置であって、
前記D級増幅器の駆動電圧を出力する駆動電圧出力部と、
前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、
前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度に応じて前記駆動電圧出力部における前記駆動電圧を設定する制御部と、
を具備することを特徴とする音声出力装置。
【請求項2】
前記音声出力信号には許容レベルが設定され、
前記制御部は、前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記1ビット信号を前記D級増幅器に出力させることを特徴とする請求項1に記載の音声出力装置。
【請求項3】
前記D級増幅器にはΔΣ変調器が用いられることを特徴とする請求項1または2に記載の音声出力装置。
【請求項4】
音声入力信号からD級増幅器を介して1ビット信号を作成し、該1ビット信号をアナログ信号に変換してスピーカに音声出力信号を出力する音声出力方法であって、
前記音声出力信号又は前記音声入力信号の信号強度を検出し、
前記信号強度に応じて前記D級増幅器の駆動電圧を設定することを特徴とする音声出力方法。
【請求項5】
前記音声出力信号には許容レベルが設定され、
前記信号強度が高い場合に前記駆動電圧を高く設定し、かつ前記音声出力信号の信号強度が前記許容レベルを越えないように前記1ビット信号を前記D級増幅器に出力させることを特徴とする請求項4に記載の音声出力方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図6】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2009−278508(P2009−278508A)
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−129432(P2008−129432)
【出願日】平成20年5月16日(2008.5.16)
【出願人】(000005049)シャープ株式会社 (33,933)
【Fターム(参考)】