JP2007221443A - アクティブインダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】一つのオペアンプ２と複数の抵抗と一つのリアクタンス素子からなるアクティブオールパス形９０度進相回路の使用で回路構成を著しく簡素化でき、抵抗の抵抗値の調整でインダクタンス値を変化できるアクティブインダクタを提供する。
【解決手段】オペアンプ２とその反転入力端と入力端子１間に接続された第１抵抗３とその非反転入力端と入力端子１間に接続されたキャパシタ４とその出力端と非反転入力端間に接続された第２抵抗５とその非反転入力端と接地点間に接続された第３抵抗６とからなるアクティブオールパス形９０度進相回路と、アクティブオールパス形９０度進相回路の入出力端子間に接続された第１乃至第３抵抗３、５、６の各抵抗値及びキャパシタ４のインピーダンス値よりも十分に低い抵抗値を有する第４抵抗７を備え、入力端子と接地点間に等価インダクタを得ている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブインダクタに係り、特に、１つのオペアンプと複数個の抵抗素子と１個のリアクタンス素子とを用い、入力端子間に供給される駆動電流の大きさを変化させることにより入力端子間に可変インダクタンス値を得ることができるアクティブインダクタに関する。

一般に、集中定数形フィルタにおいては、そのカットオフ周波数やその帯域幅等を変化させるときに、集中定数形フィルタに使用されているキャパシタの容量値及びインダクタのインダクタンス値を変化させる必要があり、しかも、そのカットオフ周波数やその帯域幅を連続可変させる場合には、キャパシタの容量値及びインダクタのインダクタンス値をそれぞれ決められた範囲内で可変できるような構成にすることが必要である。

集中定数形フィルタにおけるカットオフ周波数や帯域幅を連続可変させる場合、そのキャパシタの容量値を変化させるときは、比較的大容量の可変容量ダイオードを用いることにより、その容量値を必要な値に容易に設定することが可能であるが、インダクタのインダクタンス値を変化させるときは、単体でこのような特性を示す素子が存在しないので、通常、インピーダンス変換器（ＧＩＣ）が利用される。

このインピーダンス変換器（ＧＩＣ）は、２つのオペアンプと直列接続された５個のインピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５とを組み合わせによって構成されるもので、その入力インピーダンスＺが、Ｚ＝Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５／（Ｚ２・Ｚ４）となることを利用して、例えば、インピーダンス素子Ｚ４をキャパシタとし、他の全てのインピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ５を抵抗とすれば、入力インピーダンスＺがインダクタンス値となるアクティブインダクタになるものである。そして、インピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ５からなる抵抗のいずれか一つまたはそれ以上の抵抗値を変化させれば、アクティブインダクタのインダクタンス値の大きさを変化させることができる。

このようなインピーダンス変換器を用いた集中定数形フィルタは、集中定数形フィルタ内に複数のインダクタを接続配置したり、複数のインダクタの中の一つまたはそれ以上を選択するインダクタ接続切替手段を配置する必要がなく、インピーダンス変換器内の一つまたはそれ以上の抵抗の抵抗値を可変できるように構成すれば足りることから、集中定数形フィルタの回路構成を簡素化することができるものである。
引用する特許文献１はなし

前記インピーダンス変換器を用いた集中定数形フィルタは、一応、集中定数形フィルタの回路構成を簡素化することができるものの、インピーダンス変換器として、２つのオペアンプと直列接続された５個のインピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５とを組み合わせたものを使用しているので、その回路構成の簡素化が不十分であり、より回路構成を簡素化したインピーダンス変換器の出現が要望されている。

本発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたもので、その目的は、単一のオペアンプと複数個の抵抗と単一のリアクタンス素子からなるアクティブオールパス形９０度進相回路を用いることにより回路構成を著しく簡素化することができ、一つの抵抗の抵抗値の調整によりそのインダクタンス値を変化できるアクティブインダクタを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明によるアクティブインダクタは、入力端子と、オペアンプとオペアンプの反転入力端と入力端子との間に接続された第１抵抗とオペアンプの非反転入力端と入力端子との間に接続されたキャパシタとオペアンプの出力端と反転入力端との間に接続された第２抵抗とオペアンプの非反転入力端と接地点間に接続された第３抵抗とにより構成されたアクティブオールパス形９０度進相回路と、アクティブオールパス形９０度進相回路の入出力端子間に接続された第１乃至第３抵抗の各抵抗値及びキャパシタのインピーダンス値よりも十分に低い抵抗値を有する第４抵抗とを備え、入力端子と接地点間に等価インダクタを得ている第１の構成手段を備える。

また、前記目的を達成するために、本発明によるアクティブインダクタは、入力端子と、オペアンプとオペアンプの反転入力端と入力端子との間に接続された第１抵抗とオペアンプの非反転入力端と入力端子との間に接続された第２抵抗とオペアンプの出力端と反転入力端との間に接続された第３抵抗とオペアンプの非反転入力端と接地点間に接続されたインダクタとにより構成されたアクティブオールパス形９０度進相回路と、アクティブオールパス形９０度進相回路の入出力端子間に接続された第１乃至第３抵抗の各抵抗値及びインダクタのインピーダンス値よりも十分に低い抵抗値を有する第４抵抗とを備え、入力端子と接地点間に等価インダクタを得ている第２の構成手段を備える。

前記第１の構成手段及び第２の構成手段は、次のような構成原理に基づいて得られたものである。すなわち、インダクタは、加えられた電圧の位相に対して流れる電流の位相が９０度進んでいるものであり、これらの位相状態と同じ位相状態を呈する回路を、オペアンプ、キャパシタ、抵抗を用いて構成するか、または、オペアンプ、インダクタ、抵抗を用いて構成したものである。このような回路は、入力信号を９０度進相させるアクティブオールパス形９０度進相回路を形成した後、アクティブオールパス形９０度進相回路から出力された出力信号を用いて、入力端子からアクティブオールパス形９０度進相回路に流入する電流を制御するような構成にればよく、それにより入力端子間にアクティブインダクタを得ることができる。

以上、詳細に述べたように、本発明によるアクティブインダクタによれば、単一のオペアンプと複数個の抵抗と単一のリアクタンス素子からなるアクティブオールパス形９０度進相回路と、その入出力間に接続した小さい抗値を持つ抵抗とを用いてアクティブインダクタを構成しているので、その回路構成を著しく簡素化したものにすることができるだけでなく、複数個の抵抗の中の一つの抵抗の抵抗値の調整により広範囲に変化するインダクタンス値を得ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明によるアクティブインダクタの第１の実施の形態を示すもので、その回路構成を示す回路図である。

図１に図示されるように、第１の実施の形態によるアクティブインダクタは、入力端子１（１）、１（２）と、オペアンプ２と、第１抵抗３と、キャパシタ４と、第２抵抗５と、第３抵抗６と、第４抵抗７とからなっている。そして、オペアンプ２は、反転入力端（−）と入力端子１（１）間に第１抵抗３が接続され、非反転入力端（＋）と入力端子１（１）間にキャパシタ４が接続され、出力端と反転入力端（−）間に第２抵抗５が接続され、非反転入力端（＋）と接地点間に第３抵抗６が接続される。また、第４抵抗７は、オペアンプ２の出力端と入力端子１（１）間に接続される。この場合、オペアンプ２と第１抵抗３とキャパシタ４と第２抵抗５と第３抵抗６とからなる回路部分は、使用される全周波数帯域の信号を通過させるアクティブオールパス形９０度進相回路を構成している。

前記構成において、入力端子１（１）、１（２）間に印加される駆動電圧をＶ₁ 、オペアンプ２の出力に発生する出力電圧をＶ₂ 、第１抵抗３の抵抗値をＲ₁ 、キャパシタ４の容量値をＣ₀ 、第２抵抗５の抵抗値をＲ₂ 、第３抵抗６の抵抗値をＲ₀ 、第４抵抗７の抵抗値をｒとし、第１抵抗３の抵抗値Ｒ₁ と第２抵抗５の抵抗値Ｒ₂ を等しく（Ｒ₁ ＝Ｒ₂ ）選択したとき、前記構成に係るアクティブインダクタにおいては、下記式（１）が成立する。

すなわち、アクティブオールパス形９０度進相回路における伝達関数Ｖ₂ ／Ｖ₁ は、ｓをラプラス変換子とすれば、下記式（１）に示されるように、

となる。

ここに用いられるアクティブオールパス形９０度進相回路は、式（１）によって示されるように、全使用周波数に対してオールパス特性を有しており、周波数ω＝１／Ｃ₀ Ｒ₀ のところで丁度＋９０度移相するようになる。

また、この第１の実施の形態によるアクティブインダクタにおいて、第４抵抗７の抵抗値ｒを、第１抵抗３の抵抗値Ｒ₁ 、第２抵抗４の抵抗値Ｒ₂ 、第３抵抗６の抵抗値Ｒ₀ 、キャパシタ４の容量値１／ｓＣ₀ に比べてかなり小さい抵抗値に設定すると、入力端子１（１）、１（２）間に印加される駆動電圧Ｖ₁ に基づく電流ｉは、殆ど抵抗値ｒの第４抵抗７を流れるようになり、その電流ｉは次式（２）に示されるように、

となる。

これらの式（１）、（２）から第１の実施の形態によるアクティブインダクタの入力インピーダンスＶ₁ ／ｉを求めれば、次式（３）に示されるように、

となる。

このように、第１の実施の形態によるアクティブインダクタは、等価インダクタンスＬ₁ として、第３抵抗６の抵抗値Ｒ₀ とキャパシタ４の容量値Ｃ₀ と第４抵抗７の抵抗値ｒを用いて表せば、Ｌ₁ ＝Ｃ₀ Ｒ₀ ｒ／２となり、そのときの抵抗分は、ｒ／２になる。ここで、アクティブインダクタの一例として、キャパシタ４の容量値Ｃ₀ を０．１μＦ、第３抵抗６の抵抗値Ｒ₀ を１００ｋΩ、第４抵抗７の抵抗値ｒを２Ωとしたとき、等価インダクタンスＬ₁ として１０ｍＨを得ることができる。そして、第３抵抗６の抵抗値Ｒ₀ を１ｋΩから５００ｋΩまで可変させれば、等価インダクタンスＬ₁ を１００ｎＨから５０ｍＨまで連続的に変化させることができ、この等価インダクタンスＬ₁ は第３抵抗６の抵抗値Ｒ₀ に比例した値になっている。

次に、図２は、本発明によるアクティブインダクタの第２の実施の形態を示すもので、その回路構成を示す回路図である。

図２に図示されるように、第２の実施の形態によるアクティブインダクタは、入力端子１（１）、１（２）と、オペアンプ２と、第１抵抗３と、第２抵抗５と、第４抵抗７と、第５抵抗８（請求項２における第２抵抗に該当する）と、インダクタ９とからなっている。そして、オペアンプ２は、反転入力端（−）と入力端子１（１）間に第１抵抗３が接続され、非反転入力端（＋）と入力端子１（１）間に第５抵抗８が接続され、出力端と反転入力（−）端間に第２抵抗５が接続され、非反転入力端（＋）と接地点間にインダクタ９が接続される。また、第４抵抗７は、オペアンプ２の出力端と入力端子１（１）間に接続される。この場合も、オペアンプ２と第１抵抗３と第５抵抗８と第２抵抗５とインダクタ９とからなる回路部分は、使用される全周波数帯域の信号を通過させるアクティブオールパス形９０度進相回路を構成している。

前記構成において、入力端子１（１）、１（２）間に印加される駆動電圧をＶ₁ 、オペアンプ２の出力端に発生する出力電圧をＶ₂ 、第１抵抗３の抵抗値をＲ₁ 、第２抵抗５の抵抗値をＲ₂ 、第５抵抗８の抵抗値をＲ₀ 、インダクタ９のインダクタンス値をＬ₀ 、第４抵抗７の抵抗値をｒとし、第１抵抗３の抵抗値Ｒ₁ と第２抵抗４の抵抗値Ｒ₂ とを等しく（Ｒ₁ ＝Ｒ₂ ）選択したとき、前記構成に係るアクティブインダクタにおいては、次式（４）が成立する。

すなわち、アクティブオールパス形９０度進相回路における伝達関数Ｖ₂ ／Ｖ₁ は、ｓをラプラス変換子とすれば、下記式（４）に示されるように、

となる。

この場合も、アクティブオールパス形９０度進相回路は、式（４）によって示されるように、全使用周波数に対してオールパス特性を有しており、周波数ω＝Ｒ₀ ／Ｌ₀ のところで丁度＋９０度移相するようになる。

また、第２の実施の形態によるアクティブインダクタにおいても、第４抵抗７の抵抗値ｒを、第１抵抗３の抵抗値Ｒ₁ 、第２抵抗４の抵抗値Ｒ₂ 、第５抵抗８の抵抗値をＲ₀ 、インダクタ９のインダクタンス値ｓＬ₀ に比べてかなり小さい抵抗値に設定すると、入力端子１（１）、１（２）間に印加された駆動電圧Ｖ₁ に基づく電流ｉは、殆ど抵抗値ｒの第４抵抗７を流れるようになり、その電流ｉは前記式（２）に示されるようになる。

これらの式（４）、（２）から第２の実施の形態によるアクティブインダクタの入力インピーダンスＶ₁ ／ｉを求めれば、次式（５）に示されるように、

となる。

このように、第２の実施の形態によるアクティブインダクタは、等価インダクタンスＬ₂ として、第５抵抗８の抵抗値をＲ₀ とインダクタ９のインダクタンス値Ｌ₀ と第４抵抗７の抵抗値ｒを用いて表せば、Ｌ₂ ＝Ｌ₀ ｒ／２Ｒ₀ となり、この等価インダクタンスＬ₂ は第３抵抗６の抵抗値Ｒ₀ に反比例した値になる。この第２の実施の形態においては、第４抵抗７の抵抗値ｒを２Ωにし、等価インダクタンスＬ₂ として１０ｍＨを得るためには、第５抵抗８の抵抗値Ｒ₀を１００Ωにしても、インダクタ９のインダクタンス値を１Ｈにする必要があるので、第２の実施の形態によるアクティブインダクタよりも第１の実施の形態によるアクティブインダクタの方が有利である。

本発明によるアクティブインダクタの第１の実施の形態を示すもので、その回路構成を示す回路図である。 本発明によるアクティブインダクタの第２の実施の形態を示すもので、その回路構成を示す回路図である。

符号の説明

１（１）、１（２） 入力端子
２ オペアンプ
３ 第１抵抗
４ キャパシタ
５ 第２抵抗
６ 第３抵抗
７ 第４抵抗
８ 第５抵抗
９ インダクタ

Claims (2)

1. 入力端子と、オペアンプと前記オペアンプの反転入力端と前記入力端子との間に接続された第１抵抗と前記オペアンプの非反転入力端と入力端子との間に接続されたキャパシタと前記オペアンプの出力端と反転入力端との間に接続された第２抵抗と前記オペアンプの非反転入力端と接地点間に接続された第３抵抗とにより構成されたアクティブオールパス形９０度進相回路と、前記アクティブオールパス形９０度進相回路の入出力端子間に接続された前記第１乃至第３抵抗の各抵抗値及び前記キャパシタのインピーダンス値よりも十分に低い抵抗値を有する第４抵抗とを備え、前記入力端子と接地点間に等価インダクタを得ていることを特徴とするアクティブインダクタ。
2. 入力端子と、オペアンプと前記オペアンプの反転入力端と前記入力端子との間に接続された第１抵抗と前記オペアンプの非反転入力端と入力端子との間に接続された第２抵抗と前記オペアンプの出力端と反転入力端との間に接続された第３抵抗と前記オペアンプの非反転入力端と接地点間に接続されたインダクタとにより構成されたアクティブオールパス形９０度進相回路と、前記アクティブオールパス形９０度進相回路の入出力端子間に接続された前記第１乃至第３抵抗の各抵抗値及び前記インダクタのインピーダンス値よりも十分に低い抵抗値を有する第４抵抗とを備え、前記入力端子と接地点間に等価インダクタを得ていることを特徴とするアクティブインダクタ。

Images