JP2605097Y2 - アクティブフィルタ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、Ｇｍアンプ、マルチプ
ライヤ及びコンデンサから構成したアクティブフィルタ
に係り、特にコンデンサ容量を少なくできるようにして
ＩＣ（集積回路）内に取り込め、しかも低いカットオフ
周波数を得ることがでるようにしたローパスフィルタと
してのアクティブフィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２に従来のローパスフィルタとしての
アクティブフィルタの回路を示す。この回路は、電流が
２Ｉａの定電流源１に同値の抵抗Ｒ１、Ｒ２を共通接続
し、その抵抗Ｒ１、Ｒ２にトランジスタＱ１、Ｑ２を差
動接続してＧｍアンプ６を構成し、そのトランジスタＱ
１、Ｑ２のコレクタにダイオード接続のトランジスタＱ
３、Ｑ４を負荷として接続し、そのトランジスタＱ３、
Ｑ４のエミッタを定電圧源２に接続している。

【０００３】そして、Ｇｍアンプ６の両トランジスタＱ
１、Ｑ２のコレクタ出力の差成分をトランジスタＱ５〜
Ｑ８からなるマルチプライヤ７に出力している。このマ
ルチプライヤ７のトランジスタＱ５、Ｑ６はＧｍアンプ
６の出力差成分を入力し、それらのコレクタには負荷と
してカレントミラー接続のトランジスタＱ７、Ｑ８が接
続される。３は電流が２Ｉｂの定電流源である。Ｃはコ
ンデンサである。

【０００４】この回路では、トランジスタＱ１のベース
の入力端子４に印加した入力電圧をＶｉとし、出力端子
５から得られる出力電圧をＶｏとすると、 Ｖｏ（ｓ）＝Ｖｉ（ｓ）／（１＋ＳＣ／ＫＧｍ） ・・（１） が得られる。Ｓは演算子（ｊω）、ＣはコンデンサＣの
容量、ＧｍはＧｍアンプ６の相互コンダクタンス、Ｋは
定数である。

【０００５】この式（１）から明らかなように、カット
オフ周波数ｆは、 ｆ＝ＫＧｍ／２πＣ ・・（２） で表される。

【０００６】ここで、ダイオード接続のトランジスタＱ
３、Ｑ４のコレクタ間の電圧をＶｘ（但し、トランジス
タＱ３のコレクタ側を正とする）とし、循環電流をｉ
ａ、Ｖ_BEQ3、Ｖ_BEQ4をトランジスタＱ３、Ｑ４のベース
・エミッタ間電圧とすれば、 Ｖ_BEQ3＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉａ＋ｉａ）／Ｉｓ］ ・・（３） Ｖ_BEQ4＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉａ−ｉａ）／Ｉｓ］ ・・（４） Ｖｘ ＝Ｖ_BEQ3−Ｖ_BEQ4 ＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉａ＋ｉａ）／（Ｉａ−ｉａ）］ ・・（５） となる。Ｖ_T はトランジスタのサーマル電圧、ｌ_n は自
然対数、Ｉｓはトランジスタの飽和電流である。

【０００７】この電圧Ｖｘはマルチプライヤ７のトラン
ジスタＱ５、Ｑ６のベース間の電圧でもあるので、そこ
の循環電流をｉｂ、Ｖ_BEQ5、Ｖ_BEQ6をトランジスタＱ
５、Ｑ６のベース・エミッタ間電圧とすれば、 Ｖ_BEQ5＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉｂ＋ｉｂ）／Ｉｓ］ ・・（６） Ｖ_BEQ6＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉｂ−ｉｂ）／Ｉｓ］ ・・（７） Ｖｘ ＝Ｖ_BEQ5−Ｖ_BEQ6 ＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉｂ＋ｉｂ）／（Ｉｂ−ｉｂ）］ ・・（８） となる。

【０００８】よって、式（５）と（８）とから、 （Ｉａ＋ｉａ）／（Ｉａ−ｉａ）＝（Ｉｂ＋ｉｂ）／（Ｉｂ−ｉｂ） ・・（９） となるので、 ｉａ＝ｉｂ・Ｉａ／Ｉｂ ・・（１０） となる。

【０００９】よって、上記した式（１）の定数Ｋを Ｋ＝ｉｂ／ｉａ ・・（１１） とすれば、この定数Ｋは、 Ｋ＝Ｉｂ／Ｉａ ・・（１２） となる。

【００１０】前述の式（２）により、カットオフ周波数
ｆを変化させるには、Ｋの値、すなわち、［Ｉｂ／Ｉ
ａ］の値を変化させれば良い。例えば、最低のカットオ
フ周波数を得るには、Ｇｍを限界まで小さくし、式（１
２）のＫの値を小さくするために、Ｇｍアンプ６の定電
流源１の電流２Ｉａの値に対し、マルチプライヤ７の定
電流源３の電流２Ｉｂの値を小さく設定すれば良い。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】しかながら、このよう
な［Ｉｂ／Ｉａ］の値には限界があり、ある限度以下に
することはできない。それは、［Ｉｂ／Ｉａ］による大
きな電流比を得ることは精度上困難であること、マルチ
プライヤ７の出力がＧｍアンプ６の入力に帰還されてい
るので［Ｉｂ／Ｉａ］の電流比が大きすぎる場合、Ｇｍ
アンプ６のベース電流の影響が大きくなるためである。
従って、コンデンサＣの容量を大きくする必要があり、
ＩＣに組み込む際の大きな障害となっていた。

【００１２】本考案の目的は、少ないコンデンサ容量で
低いカットオフ周波数を得ることができるようにして上
記した問題を解決したアクティブフィルタを提供するこ
とである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このために本考案のアク
ティブフィルタは、入力電圧を電流に変換するＧｍアン
プと、該Ｇｍアンプの出力電流がコレクタに入力する第
一トランジスタとコレクタが出力端子に接続される第二
トランジスタを差動接続し、該出力端子と接地間にコン
デンサを接続し、且つ該出力端子から上記Ｇｍアンプに
帰還をかけた第一差動増幅器と、上記第一トランジスタ
にコレクタ電流を供給する第三トランジスタと上記第二
トランジスタにコレクタ電流を供給する第四トランジス
タとを差動接続した第二差動増幅器と、上記Ｇｍアンプ
の上記電流の極性及びレベルに応じて上記第一差動増幅
器と上記第二差動増幅器の動作電流を差動的に変化させ
る第三差動増幅器とを設け、上記第一及び第三トランジ
スタのベースを共通接続してそこを第一共通接続点と
し、該第一共通接続点に第一定電流源から定電流を供給
すると共に、該第一共通接続点と基準電圧源との間にＮ
個の直列接続ダイオードからなる第一ダイオード回路を
接続し、上記第二及び第四トランジスタのベースを共通
接続してそこを第二共通接続点とし、該第二共通接続点
に第二定電流源から定電流を供給すると共に、該第二共
通接続点と上記基準電圧源との間に上記第一ダイオード
回路のダイオード接続個数と同一個数の直列接続ダイオ
ードからなる第二ダイオード回路を接続して構成した。

【００１４】

【実施例】以下、本考案の実施例について説明する。図
１はその一実施例のローパスフィルタとしてのアクティ
ブフィルタの回路図である。１０は入力端子、１１は出
力端子である。１２はＧｍアンプであって、定電流源１
３、トランジスタＱ９、Ｑ１０（図２のトランジスタＱ
１、Ｑ２に相当する。）、抵抗Ｒ３、Ｒ４（図２の抵抗
Ｒ１、Ｒ２に相当する。）からなる差動増幅器、一方の
トランジスタＱ９のコレクタ電流を転移するトランジス
タＱ１１、Ｑ１２からなるカレントミラー回路、他方の
トランジスタＱ１０のコレクタ電流を転移するトランジ
スタＱ１３、Ｑ１４からなるカレントミラー回路、トラ
ンジスタＱ１２のコレタク電流を転移するトランジスタ
Ｑ１５、Ｑ１６からなるカレントミラー回路等を具備
し、トランジスタＱ１６のコレクタ電流とトランジスタ
Ｑ１４のコレクタ電流の差分Ｉｉが、このＧｍアンプ１
２の入力端子１０に印加する電圧Ｖｉに応じた出力電流
となる。１４はトランジスタＱ９のベースバイアス用の
定電圧源である。

【００１５】従って、このＧｍアンプ１２では、入力端
子１０に印加する電圧ＶｉがトランジスタＱ１０のベー
ス電圧より高くなると、トランジスタＱ１４、Ｑ１６の
共通接続部から流れる電流Ｉｉが実線の矢印方向に流れ
てその電圧Ｖｉの増大に比例してその値が大きくなり、
逆に低くなるとその破線の矢印方向（実線の矢印方向と
反対方向）に流れてその電圧Ｖｉの減少に比例してその
値が大きくなる。

【００１６】１５は第三差動増幅器であって、定電流源
１６、トランジスタＱ１７〜Ｑ２０からなり、トランジ
スタＱ１７はトランジスタＱ１６とＱ１４のコレクタ共
通接続点の電位に応じて動作し、トランジスタＱ１８は
ベース接地で定電圧源１７によって固定バイアスされて
いる。

【００１７】よって、この第三差動増幅器１５では、上
記したＧｍアンプ１２の出力電流Ｉｉが実線の矢印方向
に流れるときはそのレベルに応じてトランジスタＱ１７
のコレクタ電流が減少し、トランジスタＱ１８のコレク
タ電流はこれと反対に増大する。逆に、電流Ｉｉが破線
の矢印方向に流れるときはそのレベルに応じてトランジ
スタＱ１７のコレクタ電流が増大し、トランジスタＱ１
８のコレクタ電流はこれと反対に減少する。

【００１８】１８は第一差動増幅器であって、トランジ
スタＱ２１〜Ｑ２５からなる。差動回路を構成する一方
のトランジスタＱ２３のベースバアイス回路は、定電流
源１９、ダイオード接続したトランジスタをＮ個直列接
続したダイオード回路２０及び基準電圧源としての定電
圧源２１から構成され、他方のトランジスタＱ２４のベ
ースバアイス回路は、定電流源２２、ダイオード接続し
たトランジスタをＮ個直列接続したダイオード回路２３
及び上記定電圧源２１から構成されている。

【００１９】また、上記トランジスタＱ２３のコレクタ
には上記したＧｍアンプ１２の出力電流Ｉｉが流れ、上
記トランジスタＱ２４のコレクタはコンデンサＣ、Ｇｍ
アンプ１２のトランジスタＱ１０のベース及び出力端子
１１に接続されている。

【００２０】そして、この第一差動増幅器１８の動作電
流を決めるトランジスタＱ２５は前述の第三差動増幅器
１５のトランジスタＱ２０とカレントミラー回路を構成
し、そのトランジスタＱ２０のコレクタ電流がその動作
電流となる。

【００２１】２４は第二差動増幅器であって、トランジ
スタＱ２６〜Ｑ３０からなる。差動回路を構成する一方
のトランジスタＱ２８のベースは、上記トランジスタＱ
２３のベースと共通接続され、他方のトランジスタＱ２
９のベースも上記トランジスタＱ２４のベースと共通接
続されている。

【００２２】トランジスタＱ２６は上記トランジスタＱ
２１とカレントミラー回路を構成し、トランジスタＱ２
６のコレクタ電流がトランジスタＱ２１のコレクタに転
移される。またトランジスタＱ２７も上記トランジスタ
Ｑ２２とカレントミラー回路を構成し、トランジスタＱ
２７のコレクタ電流がトランジスタＱ２２のコレクタに
転移される。

【００２３】そして、この第二差動増幅器２４の動作電
流を決めるトランジスタＱ３０は前述の第二差動増幅器
１５のトランジスタＱ１９とカレントミラー回路を構成
し、そのトランジスタＱ１９のコレクタ電流がその動作
電流となる。以上の第三差動増幅器１５、第一差動増幅
器１８及び第二差動増幅器２４はマルチプライヤを構成
する。

【００２４】さて、この図１のアクティブフィルタで
は、入力端子１０に電圧Ｖｉを印加すると、Ｇｍアンプ
１２によりこれが電流Ｉｉに変換され、この電流がトラ
ンジスタＱ２３のコレタク電流を増減させ、出力電流Ｉ
ｏが得られる。

【００２５】いま、電流Ｉｉが実線矢印方向に流れると
きは、そのレベルに応じて第三差動増幅器１５のトラン
ジスタＱ１７のコレクタ電流が減少しトランジスタＱ１
８のコレクタ電流が増大して、第一差動増幅器１８の動
作電流を決めるトランジスタＱ２５のコレクタ電流が増
大し、第二差動増幅器２４の動作電流を決めるトランジ
スタＱ３０のコレクタ電流が減少する。このため、実線
矢印方向に流れる電流Ｉｏが電流Ｉｉのレベルに応じた
レベルで流れる。

【００２６】反対に、電流Ｉｉが破線矢印方向に流れる
ときは、第二差動増幅器１５のトランジスタＱ１７、Ｑ
１８のコレクタ電流が上記と反対に作用する。つまり、
第一差動増幅器１８の動作電流が減少し、第二差動増幅
器２４の動作電流が増大し、破線矢印方向に流れる電流
Ｉｏが電流Ｉｉのレベルに応じたレベルで流れる。

【００２７】このように、第三、第一、第二差動増幅器
１５、１８、２４は、Ｇｍアンプ１２の出力電流Ｉｉの
極性に応じて出力電流Ｉｏの極性を反転させる。このと
き、出力電流Ｉｏのレベルは、以下に述べるように、電
流源１９、２２の電流で制御できる。

【００２８】まず、Ｖ_BEQ23 をトランジスタＱ２３のベ
ース・エミッタ間電圧、Ｖ_BEQ24 をトランジスタＱ２４
のベース・エミッタ間電圧、ＩｃをトランジスタＱ２１
のコレクタ電流、ＩｄをトランジスタＱ２２のコレクタ
電流、ＩｅをトランジスタＱ２３のコレクタ電流、Ｉｆ
をトランジスタＱ２４のコレクタ電流、Ｖ_BEQ28 をトラ
ンジスタＱ２８のベース・エミッタ間電圧、Ｖ_BEQ29 を
トランジスタＱ２９のベース・エミッタ間電圧、Ｉｇを
トランジスタＱ２８のコレクタ電流、Ｉｈをトランジス
タＱ２９のコレクタ電流、トランジスタＱ２３、Ｑ２８
のベースとトランジスタＱ２４、Ｑ２９のベースとの電
位差をＶｘとする。

【００２９】第一差動増幅器１８の側では、 Ｖｘ＝Ｖ_BEQ24 −Ｖ_BEQ23 ＝Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉｆ／Ｉｅ） が得られる。よって、 Ｉｆ＝Ｉｅ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１３） となる。

【００３０】また、第二差動増幅器２４の側では、 Ｖｘ＝Ｖ_BEQ29 −Ｖ_BEQ28 ＝Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉｈ／Ｉｇ） が得られる。よって、 Ｉｈ＝Ｉｇ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１４） となる。

【００３１】ここで、入力電流Ｉｉが入力すると、Ｉｃ
＝Ｉｇ、Ｉｄ＝Ｉｈであるので、 Ｉｅ＝Ｉｉ＋Ｉｃ ＝Ｉｉ＋Ｉｇ ・・（１５） Ｉｆ＝Ｉｏ＋Ｉｄ ＝Ｉｏ＋Ｉｈ ・・（１６） となる。

【００３２】よって、式（１３）、（１５）から、 Ｉｆ＝（Ｉｉ＋Ｉｃ）ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１７） となる。また、式（１４）、（１６）から、 Ｉｆ＝Ｉｏ＋Ｉｇ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１８） となる。

【００３３】以上から、式（１７）と（１８）によっ
て、 Ｉｏ＝Ｉｉ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１９） を得ることができる。

【００３４】一方、ダイオード回路２０の順方向電圧Ｖ
_F20 は電流源１９の電流値をＩ₁₉とすると、ダイオード
個数はＮ個であるので、 Ｖ_F20 ＝Ｎ・Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉ₁₉／Ｉｓ） ・・（２０） となる。

【００３５】また、ダイオード回路２３の順方向電圧Ｖ
_F23 は電流源２２の電流値をＩ₂₂とすると、ダイオード
個数は同一のＮ個であるので、 Ｖ_F23 ＝Ｎ・Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉ₂₂／Ｉｓ） ・・（２
１） となる。

【００３６】よって、式（２０）、（２１）からＶｘ
は、 Ｖｘ＝Ｖ_F23 −Ｖ_F20 ＝Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉ₂₂／Ｉ₁₉）^N ・・（２２） で得られる。

【００３７】以上から、式（１９）、（２２）によっ
て、 Ｉｏ＝Ｉｉ（Ｉ₂₂／Ｉ₁₉）^N ・・（２３） が得られる。

【００３８】ここで、出力端子１１の電圧はＶｏ、入力
端子１０の電圧はＶｉであるので、 Ｉｉ（ｓ）＝Ｇｍ［Ｖｉ（ｓ）−Ｖｏ（ｓ）］ ・・（２４） Ｖｏ（ｓ）＝Ｉｏ（ｓ）／ＳＣ ・・（２５） となる。

【００３９】この結果、式（２３）〜（２５）より、出
力電圧は、 Ｖｏ（ｓ）＝Ｖｉ（ｓ）／｛１＋ＳＣ／［Ｇｍ（Ｉ₂₂／Ｉ₁₉）^N ］｝ ・・（２６） となる。この式（２６）を前述の式（１）と比較してみ
れば、 Ｋ＝（Ｉ₂₂／Ｉ₁₉）^N ・・（２７） となり、電流源２２の電流Ｉ₂₂と電流源１９の電流Ｉ₁₉
の比のＮ乗倍となる。

【００４０】以上の結果、カットオフ周波数（ｆ＝ＫＧ
ｍ／２πＣ）は、電流源１９の電流Ｉ₁₉のしくは電流源
２２の電流Ｉ₂₂の電流値を変化させることよって可変で
き、そのカットオフ周波数の低下は［Ｉ₂₂／Ｉ₁₉］を小
さくすることによって達成できる。

【００４１】すなわち、カットオフ周波数は、コンデン
サＣの値、Ｇｍ、２つの電流源の電流比で決定される
が、本実施例では電流源１９、２２の電流比がＮ乗倍さ
れるため、同じ電流比であっても、同一周波数、同一Ｇ
ｍの場合に、コンデンサＣの値を大幅に小さくすること
ができる。

【００４２】

【考案の効果】以上から本考案のアクティブフィルタに
よれば、ダイオード回路の直列接続のダイオード個数Ｎ
で決る値により、電流源の電流比やＧｍアンプのＧｍの
問題等を発生させることなく、ＩＣ内部に組み込むコン
デンサ容量を大幅に小さくすることができるという利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の一実施例のアクティブフィルタの回
路図である。

【図２】 従来のアクティブフィルタの回路図である。

【符号の説明】

Ｃ：コンデンサ、１：定電流源、２：定電圧源、３：定
電流源、４：入力端子、５：出力端子、６：Ｇｍアン
プ、７：マルチプライヤ、１０：入力端子、１１：出力
端子、１２：Ｇｍアンプ、１３：定電流源、１４：定電
圧源、１５：第三差動増幅器、１６：定電流源、１７：
定電圧源、１８：第一差動増幅器、１９：定電流源、２
０：ダイオード回路、２１：定電圧源、２２：定電流
源、２３：ダイオード回路、２４：第二差動増幅器。

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】入力電圧を電流に変換するＧｍアンプと、 該Ｇｍアンプの出力電流がコレクタに入力する第一トラ
   ンジスタとコレクタが出力端子に接続される第二トラン
   ジスタを差動接続し、該出力端子と接地間にコンデンサ
   を接続し、且つ該出力端子から上記Ｇｍアンプに帰還を
   かけた第一差動増幅器と、 上記第一トランジスタにコレクタ電流を供給する第三ト
   ランジスタと上記第二トランジスタにコレクタ電流を供
   給する第四トランジスタとを差動接続した第二差動増幅
   器と、 上記Ｇｍアンプの上記電流の極性及びレベルに応じて上
   記第一差動増幅器と上記第二差動増幅器の動作電流を差
   動的に変化させる第三差動増幅器とを設け、 上記第一及び第三トランジスタのベースを共通接続して
   そこを第一共通接続点とし、該第一共通接続点に第一定
   電流源から定電流を供給すると共に、該第一共通接続点
   と基準電圧源との間にＮ個の直列接続ダイオードからな
   る第一ダイオード回路を接続し、 上記第二及び第四トランジスタのベースを共通接続して
   そこを第二共通接続点とし、該第二共通接続点に第二定
   電流源から定電流を供給すると共に、該第二共通接続点
   と上記基準電圧源との間に上記第一ダイオード回路のダ
   イオード接続個数と同一個数の直列接続ダイオードから
   なる第二ダイオード回路を接続したことを特徴とするア
   クティブフィルタ。