JP2011229224A

JP2011229224A - 電源リップル低減回路及びこれを備えた高周波機器

Info

Publication number: JP2011229224A
Application number: JP2010094739A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Suemitsu; 正明末光
Original assignee: DX Antenna Co Ltd
Current assignee: DX Antenna Co Ltd
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-11-10

Abstract

【課題】ＤＣ電源ラインの電源電圧を低下させることなくＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減することができる電源リップル低減回路を提供する。
【解決手段】ＤＣ電源ラインＬＮ１の電源電圧に含まれるリップル電圧を抽出する抽出手段（直流阻止用コンデンサＣ３）と、前記抽出手段によって抽出されたリップル電圧を反転増幅する反転増幅手段（分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器、及び、直流阻止用コンデンサＣ５）とを備え、前記反転増幅手段によって反転増幅されたリップル電圧をＤＣ電源ラインＬＮ１に戻すことによってＤＣ電源ラインＬＮ１のリップル電圧を低減する電源リップル低減回路。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減する電源リップル低減回路及びこれを備えた高周波機器に関する。

比較的周波数の高いリップル電圧（例えば、ＭＨｚオーダーのリップル電圧）がＤＣ電源ラインに発生する場合、高周波阻止用コイルをＤＣ電源ラインに挿入することで、リップル電圧を低減することができる。

これに対して、比較的周波数の低いリップル電圧（例えば、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚオーダーのリップル電圧）がＤＣ電源ラインに発生する場合、高周波阻止用コイルをＤＣ電源ラインに挿入してもリップル電圧を十分に低減することができないので、ローパスフィルターをＤＣ電源ラインに挿入してリップル電圧を低減するリップル対策が通常採用される（例えば特許文献１参照）。なお、リップルフィルターとして用いられるローパスフィルターは、特許文献１のようにＲＣフィルターの場合もあるが、ＬＣフィルターがより一般的である。

また、比較的周波数の低いリップル電圧（例えば、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚオーダーのリップル電圧）がＤＣ電源ラインに発生する場合、図６に示すようなアクティブリップルフィルターをＤＣ電源ラインに挿入してリップル電圧を低減するリップル対策が採用されることもある。

特開平５−２５９７８０号公報（段落０００４、第５図）

ローパスフィルターをＤＣ電源ラインに挿入してリップル電圧を低減するリップル対策を採用した場合、ローパスフィルターで電圧降下（ＲＣフィルターの場合は抵抗による電圧降下、ＬＣフィルターの場合はインダクタの抵抗成分による電圧降下）が発生し、ローパスフィルター通過後のＤＣ電源ラインの電源電圧が低下してしまう。特に電源電圧の設定値が小さい場合、このローパスフィルターにおいて発生する電圧降下の影響が大きくなり、最悪の場合、低下した電源電圧を利用する回路が誤動作したり動作不能になったりする不具合が起こる。

また、ローパスフィルターによって比較的周波数の低いリップル電圧（例えば、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚオーダーのリップル電圧）を低減するためには、ローパスフィルターの回路素子（抵抗とコンデンサ、或いは、インダクタとコンデンサ）の回路定数を大きくしてローパスフィルターの遮断周波数をリップル電圧の周波数より低くしておく必要がある。ローパスフィルターの回路素子（抵抗とコンデンサ、或いは、インダクタとコンデンサ）の回路定数を大きくする場合、ローパスフィルターが大型化してしまうという問題が発生する。また、大容量のコンデンサは寿命が短いという問題もある。

一方、アクティブリップルフィルターをＤＣ電源ラインに挿入してリップル電圧を低減するリップル対策を採用した場合、アクティブ素子で電圧降下（図６ではＮＰＮトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧による電圧降下）が発生し、アクティブリップルフィルター通過後のＤＣ電源ラインの電源電圧が低下してしまう。特に電源電圧の設定値が小さい場合、このアクティブリップルフィルターにおいて発生する電圧降下の影響が大きくなり、最悪の場合、低下した電源電圧を利用する回路が誤動作したり動作不能になったりする不具合が起こる。

本発明は、上記の状況に鑑み、ＤＣ電源ラインの電源電圧を低下させることなくＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減することができる電源リップル低減回路及びこれを備えた高周波機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る電源リップル低減回路は、ＤＣ電源ラインの電源電圧に含まれるリップル電圧を抽出する抽出手段と、前記抽出手段によって抽出されたリップル電圧を反転増幅する反転増幅手段とを備え、前記反転増幅手段によって反転増幅されたリップル電圧を前記ＤＣ電源ラインに戻すことによって前記ＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減する構成としている。なお、前記反転増幅手段における反転増幅の利得は任意である。すなわち、前記反転増幅手段における反転増幅の利得は、１であっても、１以外であってもよい。

このような構成によると、前記ＤＣ電源ラインで発生しているリップル電圧と前記ＤＣ電源ラインに戻される電圧（前記反転増幅手段によって反転増幅されたリップル電圧）とが互いに打ち消し合うことにより、前記ＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減することができる。

また、このような構成によると、本発明に係る電源リップル低減回路の構成部品を、前記ＤＣ電源ライン上に設ける必要がないので、前記ＤＣ電源ラインの電源電圧を低下させずに、前記ＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減することができる。

また、上記構成の電源リップル低減回路において、前記反転増幅手段の出力側と前記ＤＣ電源ラインとの間に電流増幅手段を設けてもよい。なお、前記電流増幅手段における電流増幅の利得は１より大きくする。このような構成にすると、前記反転増幅手段のドライブ能力（電流出力能力）が十分では無い場合であっても、前記ＤＣ電源ラインのリップル電圧を効果的に低減することができる。

また、上記いずれかの構成の電源リップル低減回路において、ダミー負荷と、前記ＤＣ電源ラインから前記ダミー負荷への電流供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える切換手段とを備え、前記切換手段が、前記抽出手段によって抽出されたリップル電圧が正の所定値以上である期間、前記ＤＣ電源ラインから前記ダミー負荷への電流供給をＯＮにするようにしてもよい。このような構成にすると、リップル電圧による電源電圧の上昇を抑制することができる。

上記目的を達成するために本発明に係る高周波機器は、ノイズ源となる回路と、前記ノイズ源となる回路のノイズによるリップル電圧が発生するＤＣ電源ラインと、前記ＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減する上記いずれかの構成の電源リップル低減回路とを備える構成とする。

なお、上記構成の高周波機器において、前記ＤＣ電源ラインの電源電圧が、高周波信号を処理する高周波信号処理回路に供給され、前記高周波信号処理回路が動作する構成である場合に、本発明の効果が顕著に現れる。

本発明によると、ＤＣ電源ラインの電源電圧を低下させることなくＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減することができる電源リップル低減回路及びこれを備えた高周波機器を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を示す図である。本発明の第４実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る高周波機器の概略構成を示す図である。アクティブリップルフィルターの構成例を示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。

＜本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路＞
本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を図１に示す。図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路は、直流阻止用コンデンサＣ３及びＣ５と、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とを備えている。なお、本実施形態においては、直流阻止用コンデンサＣ３が、請求項に記載している抽出手段に相当し、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器、及び、直流阻止用コンデンサＣ５が、請求項に記載している反転増幅手段に相当する。

直流阻止用コンデンサＣ３の一端がＤＣ電源ラインＬＮ１に接続されており、直流阻止用コンデンサＣ３の他端が抵抗Ｒ４を介して演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に接続されている。また、分圧抵抗Ｒ２の一端もＤＣ電源ラインＬＮ１に接続されており、分圧抵抗Ｒ２の他端は分圧抵抗Ｒ３の一端、コンデンサＣ４の一端、及び演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。そして、分圧抵抗Ｒ３の他端およびコンデンサＣ４の他端がグランド電位に接続されている。

さらに、演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子と出力端子とが抵抗Ｒ５を介して接続されており、演算増幅器ＯＰ１の出力端子が直流阻止用コンデンサＣ５を介してＤＣ電源ラインＬＮ１に接続されている。

以上のような構成の図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路は、次のように動作する。

ＤＣ電源ラインＬＮ１の電源電圧Ｖｄの直流成分が直流阻止用コンデンサＣ３によってカットされ、ＤＣ電源ラインＬＮ１の電源電圧Ｖｄに含まれているリップル電圧Ｖｒが直流阻止用コンデンサＣ３の他端に現れる。

コンデンサＣ１及びＣ２と抵抗Ｒ１とからなるローパスフィルターがＤＣ電源ラインＬＮ１に挿入されており、当該ローパスフィルター通過後の電源電圧が演算増幅器ＯＰ１に供給され、演算増幅器ＯＰ１が動作する。そして、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器は、直流阻止用コンデンサＣ３の他端に現れるリップル電圧Ｖｒを反転増幅したものに、分圧抵抗Ｒ２と分圧抵抗Ｒ３との接続点電圧Ｖｃに比例したオフセット電圧が付加されている出力電圧Ｖｏを出力する（下記（１）式参照）。分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器の反転増幅の利得（Ｒ₅／Ｒ₄）は、演算増幅器ＯＰ１のスルーレートやドライブ能力（電流出力能力）などを考慮して、適切な値に設定する。すなわち、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器の反転増幅の利得（Ｒ₅／Ｒ₄）は、１であっても、１以外であってもよい。例えば、演算増幅器ＯＰ１のドライブ能力（電流出力能力）が不足している場合、ドライブ能力不足に起因して演算増幅器ＯＰ１の出力電圧が低下するので、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器の反転増幅の利得（Ｒ₅／Ｒ₄）を１より大きな値に設定することが考えられる。

分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器から出力される出力電圧Ｖｏの直流成分（オフセット電圧）が直流阻止用コンデンサＣ５によってカットされ、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される増幅器から出力される出力電圧Ｖｏの交流成分（−Ｒ₅・Ｖｒ／Ｒ₄）のみがＤＣ電源ラインＬＮ１に戻される。そして、ＤＣ電源ラインＬＮ１で発生しているリップル電圧ＶｒとＤＣ電源ラインＬＮ１に戻される交流電圧（−Ｒ₅・Ｖｒ／Ｒ₄）とが互いに打ち消し合うことで、ＤＣ電源ラインＬＮ１のリップル電圧が低減される。

なお、ＤＣ電源ラインＬＮ１で発生しているリップル電圧ＶｒとＤＣ電源ラインＬＮ１に戻される交流電圧（−Ｒ₅・Ｖｒ／Ｒ₄）とが完全に相殺されるように、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路での信号伝達遅延時間が設定されていること、すなわち、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路での信号伝達遅延時間がＤＣ電源ラインＬＮ１で発生しているリップル電圧Ｖｒの周期の整数倍であることが望ましい。しかしながら、たとえ図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路での信号伝達遅延時間がＤＣ電源ラインＬＮ１で発生しているリップル電圧Ｖｒの周期の整数倍からずれていても、ＤＣ電源ラインＬＮ１で発生しているリップル電圧ＶｒとＤＣ電源ラインＬＮ１に戻される交流電圧（−Ｒ₅・Ｖｒ／Ｒ₄）とが互いに打ち消し合うことにより、ＤＣ電源ラインＬＮ１のリップル電圧が低減されてさえすればよい。

また、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路は、ＤＣ電源ラインＬＮ１の電源電圧Ｖｄを低下させない点で、従来からリップル対策に用いられているローパスフィルターやアクティブリップルフィルターに比べて優れている。

＜本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路＞
本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を図２に示す。なお、図２において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図２に示す本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路は、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路に演算増幅器ＯＰ２を追加した構成である。なお、追加した演算増幅器ＯＰ２は、反転入力端子と出力端子とを直接接続するので、請求項に記載している電流増幅手段に相当する。

コンデンサＣ１及びＣ２と抵抗Ｒ１とからなるローパスフィルター通過後の電源電圧が、演算増幅器ＯＰ１だけでなく演算増幅器ＯＰ２にも供給されている。また、演算増幅器ＯＰ２は、反転入力端子と出力端子とが直接接続されており、バッファアンプとして動作する。

リップル電圧Ｖｒの発生原因であるノイズのレベルが大きく、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される差動増幅器のドライブ能力（電流出力能力）が十分では無い場合に、本実施形態の構成を採用するとよい。

図２に示す本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路は、電流出力能力の点を除いて、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路と同様であるので、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路と同様の効果を奏する。

＜本発明の第３実施形態に係る電源リップル低減回路＞
本発明の第３実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を図３に示す。なお、図３において図２と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図３に示す本発明の第３実施形態に係る電源リップル低減回路は、図２に示す本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路に演算増幅器ＯＰ３を追加した構成である。なお、追加した演算増幅器ＯＰ３は、反転入力端子と出力端子とを直接接続するので、請求項に記載している電流増幅手段に相当する。

コンデンサＣ１及びＣ２と抵抗Ｒ１とからなるローパスフィルター通過後の電源電圧が、演算増幅器ＯＰ１及びＯＰ２だけでなく演算増幅器ＯＰ３にも供給されている。また、演算増幅器ＯＰ３は、反転入力端子と出力端子とが直接接続されており、バッファアンプとして動作する。

リップル電圧Ｖｒの発生原因であるノイズのレベルが大きく、分圧抵抗Ｒ２及びＲ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、演算増幅器ＯＰ１とによって構成される差動増幅器のドライブ能力（電流出力能力）及び演算増幅器ＯＰ２によって構成されるバッファアンプのドライブ能力（電流出力能力）が十分では無い場合に、本実施形態の構成を採用するとよい。

図３に示す本発明の第３実施形態に係る電源リップル低減回路は、電流出力能力の点を除いて、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路及び図２に示す本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路と同様であるので、図１に示す本発明の第１実施形態に係る電源リップル低減回路及び図２に示す本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路と同様の効果を奏する。

＜本発明の第４実施形態に係る電源リップル低減回路＞
本発明の第４実施形態に係る電源リップル低減回路の構成を図４に示す。なお、図４において図２と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図４に示す本発明の第４実施形態に係る電源リップル低減回路は、図２に示す本発明の第２実施形態に係る電源リップル低減回路に、ダミー負荷である抵抗Ｒ６と、ＤＣ電源ラインＬＮ１からダミー負荷への電流供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える切換手段であるＰＮＰトランジスタＱ１とを追加した構成である。

抵抗Ｒ６の一端がＤＣ電源ラインＬＮ１に接続されており、抵抗Ｒ６の他端がＰＮＰトランジスタＱ１のエミッタに接続される。また、ＰＮＰトランジスタＱ１のベースが演算増幅器ＯＰ１の出力端子に接続され、ＰＮＰトランジスタＱ１のコレクタがグランド電位に接続されている。

このような構成によると、リップル電圧Ｖｒが正の所定値以上である期間、ＰＮＰトランジスタＱ１がオン状態になり、ＤＣ電源ラインＬＮ１から抵抗Ｒ６に電流が引き抜かれるので、正の所定値以上のリップル電圧Ｖｒを抑制することができる。したがって、上述した本発明の第１〜３実施形態に係る電源リップル低減回路によるリップル電圧の低減では不十分であり、リップル電圧による電源電圧の上昇を抑制したい場合に、本実施形態の構成を採用するとよい。

＜本発明の一実施形態に係る高周波機器＞
本発明の一実施形態に係る高周波機器の概略構成を図５に示す。図５に示す本発明の一実施形態に係る高周波機器は、電源プラグ１と、電源回路２と、ファン駆動回路３と、冷却ファン４と、高周波信号処理回路５と、本発明に係る電源リップル低減回路６と、ＤＣ電源ラインＬＮ１とを備えている。

電源プラグ１が商用電源コンセント（不図示）に差し込まれると、電源回路２に商用交流電圧が入力される。電源回路２は、入力された商用交流電圧を所定の直流電圧に変換し、その変換した所定の直流電圧をＤＣ電源ラインＬＮ１に出力する。

ＤＣ電源ラインＬＮ１の電源電圧Ｖｄがファン駆動回路３及び高周波信号処理回路５に供給され、ファン駆動回路３及び高周波信号処理回路５が動作する。ファン駆動回路３は、冷却ファン４に内蔵されているモーターを所定の回転速度で回転させる。これにより、冷却ファン４が回転して高周波信号処理回路５の少なくとも一部を空冷する。このとき、ファン駆動回路３において、所定の回転速度に対応する比較的周波数の低いノイズ（例えば、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚオーダーのノイズ）が発生し、当該ノイズによるリップル電圧Ｖｒが電源回路２から出力される所定の直流電圧に重畳する。したがって、ＤＣ電源ラインＬＮ１の電源電圧Ｖｄは、電源回路２から出力される所定の直流電圧にリップル電圧Ｖｒが重畳した電圧となる。しかしながら、本発明に係る電源リップル低減回路６によってＤＣ電源ラインＬＮ１のリップル電圧が低減される。

なお、図５に示す構成では電源系統が単一であったが、電源系統が複数あり、ノイズ源と高周波信号処理回路とを別々の電源系統にする構成の高周波機器も存在する。電源系統が複数あり、ノイズ源と高周波信号処理回路とを別々の電源系統にする構成の高周波機器においても、ノイズ源が接続される電源系統から高周波信号処理回路が接続される電源系統にノイズが回り込むおそれがあるため、電源系統が単一である高周波機器に適用する場合ほど本発明の効果が顕著には現れないが、高周波信号処理回路が接続される電源系統に本発明に係る電源リップル低減回路を設けるようにしてもよい。

＜変形例等＞
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実行することができる。

例えば、上述した第４実施形態で用いているＰＮＰトランジスタＱ１を他の切換手段に置換してもよい。

また、例えば、上述した第１〜第４実施形態において、ＤＣ電源ラインＬＮ１に挿入されている、コンデンサＣ１及びＣ２と抵抗Ｒ１とからなるローパスフィルターを取り除いてもよい。

また、例えば、上述した実施形態では、各演算増幅器を片側電源で駆動させたが、各演算増幅器を両側電源で駆動させ各演算増幅器の出力オフセット電圧をゼロにして直流阻止用コンデンサＣ５を取り除くようにしてもよい。

また、上述した各実施形態の内容は、矛盾がない限り、任意に組み合わせて実施することが可能である。例えば、図４に示す本発明の第４実施形態に係る電源リップル低減回路から、演算増幅器ＯＰ２を取り除いてもよいし、図４に示す本発明の第４実施形態に係る電源リップル低減回路に、図３に示すように演算増幅器ＯＰ２の後段に演算増幅器ＯＰ３を取り付けてもよい。

１電源プラグ
２電源回路
３ファン駆動回路
４冷却ファン
５高周波信号処理回路
６本発明に係る電源リップル低減回路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４コンデンサ
Ｃ３、Ｃ５直流阻止用コンデンサ
ＬＮ１ＤＣ電源ライン
ＯＰ１演算増幅器
Ｑ１ＰＮＰトランジスタ
Ｒ１、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６抵抗
Ｒ２、Ｒ３分圧抵抗

Claims

ＤＣ電源ラインの電源電圧に含まれるリップル電圧を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって抽出されたリップル電圧を反転増幅する反転増幅手段とを備え、
前記反転増幅手段によって反転増幅されたリップル電圧を前記ＤＣ電源ラインに戻すことによって前記ＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減することを特徴とする電源リップル低減回路。
前記反転増幅手段の出力側と前記ＤＣ電源ラインとの間に電流増幅手段を設けることを特徴とする請求項１に記載の電源リップル低減回路。
ダミー負荷と、
前記ＤＣ電源ラインから前記ダミー負荷への電流供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える切換手段とを備え、
前記切換手段が、前記抽出手段によって抽出されたリップル電圧が正の所定値以上である期間、前記ＤＣ電源ラインから前記ダミー負荷への電流供給をＯＮにすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源リップル低減回路。
ノイズ源となる回路と、
前記ノイズ源となる回路のノイズによるリップル電圧が発生するＤＣ電源ラインと、
前記ＤＣ電源ラインのリップル電圧を低減する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源リップル低減回路とを備えることを特徴とする高周波機器。
前記ＤＣ電源ラインの電源電圧が、高周波信号を処理する高周波信号処理回路に供給され、前記高周波信号処理回路が動作することを特徴とする請求項４に記載の高周波機器。