JP3008093B2 - リミッタ回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，アナログ信号を扱
うＭＯＳ型の集積回路に関する。さらに詳しくは，出力
の振幅制限を行う所謂リミッタ回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】先ず最初に本発明の背景を明らかにする
ために，従来一般的に用いられるリミッタ回路を図８に
示す。この回路は例えば，日本放送協会編「ＮＨＫテレ
ビ技術教科書（上）」，１９８９ Ｐ２８８，に見られ
るように，入力の振幅をダイオードの順方向電圧降下を
利用して制限し，出力振幅とするものである。図８の入
力端子１に信号を入力した場合，ダイオード１１，１２
の順方向電圧降下より小さいの入力振幅では，ダイオー
ドに電流が流れないので入力電圧の振幅がそのまま出力
振幅となる。ダイオード１１，１２の順方向電圧降下よ
り大きい入力電圧が入ってくると，ダイオード１１，１
２に電流が流れ抵抗１０で電圧が降下する。ダイオード
は，流れる電流値に関わらずほぼ一定の順方向電圧降下
を生じるので，出力Ａは，入力振幅によらずダイオード
の順方向電圧降下にクリップされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図８の回路では，出力
振幅の制限値が，例えば０．６５Ｖ程度と大きい。この
出力振幅の制限値は，ダイオードの順方向電圧降下によ
って決まっているので，自由に設定が出来ない。又，グ
ランド電位に接続された，二方向のダイオード１１，１
２を，標準的なＣＭＯＳプロセスでは同時には製造出来
ないという問題点があった。

【０００４】更に，図８の回路では，直流も交流も同じ
レベルでクリップする。図６において，入力１のように
低周波雑音に信号が重畳している波形が入力された場合
には，出力Ａは低周波雑音で出力がクリップし信号が出
力しない区間が生じるという問題点が生じる。出力Ａが
クリップして信号が出力しない区間を防ぐ為には，入力
１から，低周波雑音を除去する所謂ハイパスフィルタを
付加すればよい。しかし，ハイパスフィルタは，集積回
路で構成した抵抗要素を用いると，該抵抗要素に必ず付
加される寄生容量の影響で，動作が不安定になる場合が
ある。

【０００５】そこで本発明では，レベルを自由に設定す
ることが可能で，特に０．６５Ｖよりずっと低い電圧値
の振幅制限を行うことが出来，集積回路で使用する寄生
容量を持つ抵抗要素を用いても安定に動作するハイパス
フィルタを具備し，入力から不要な低周波雑音を除去で
きるリミッタ回路を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の問
題点を解決し，本発明の目的を達成するために，図１に
示す手段を講じた。即ち本発明によるリミッタ回路は，
定電流源９と負荷抵抗４との間にＮチャンネルＭＯＳト
ランジスタ（以下ＮＭＯＳＴｒ）７を挿入して，入力端
子１の入力信号を，抵抗Ｒ１，抵抗Ｒ２，容量Ｃ１，容
量Ｃ２，容量Ｃ３，演算増幅器３，ＮＭＯＳＴｒ７とで
構成した所謂２次の減衰特性を持つハイパスフィルタ２
４で低周波成分を除去し出力を得る。抵抗Ｒ２は，抵抗
Ｒ２１と抵抗Ｒ２２の２個に分割し，抵抗Ｒ２２に並列
に容量Ｃ４を接続する構成とした。

【０００７】出力振幅の最小値は０，最大値は，定電流
源９の電流値Ｉｃ×負荷抵抗４の抵抗値，と自由な値で
振幅制限できる。入力信号が無い時に，出力電圧が最大
値と最小値の中間電位に位置するように，演算増幅回路
３の正入力端子に，定電流源８と負荷抵抗５の間にゲー
ト電極とドレイン電極を共通に接続したＮＭＯＳＴｒ６
を挿入した回路を付加した。無入力信号時には，演算増
幅回路３の負入力端子と，出力端子２との間に抵抗Ｒ２
で負帰還が掛かっているので，演算増幅回路３の正入力
端子の電圧と出力端子２の電圧は，等しくなる。定電流
源８の電流値又は負荷抵抗５の抵抗値を設定することに
より出力端子２の電圧は，自由に設定できる。

【０００８】本発明によるリミッタ回路は，出力振幅
が，定電流源の電流値×負荷抵抗値で設定できる。定電
流源の電流値は，例えばゲート・ソース電極間に一定電
圧を加えたＭＯＳトランジスタのサイズを変更するか，
ゲート・ソース電極間の一定電圧を変えるかにより設定
でき，負荷抵抗値を変えるのも容易である。したがっ
て，出力を５ｍＶという低電圧に振幅制限したリミッタ
回路を構成することも可能である。

【０００９】集積回路上に形成した抵抗Ｒ２は，基板と
の間に寄生容量が同時に形成される。抵抗Ｒ２を集積回
路で形成すると，近似的には，図２に示すように寄生容
量Ｃｓが付加される。図４には，Ｃ４が有る場合と無い
場合のハイパスフィルタ２４の周波数特性を示してい
る。Ｃ４がない場合は，Ｃｓの影響で周波数特性にピー
クを生じて不安定動作となり易いが，Ｃ４の付加により
周波数特性のピークは減少し安定に動作させることがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明によるリミッタ回路は，定
電流源９と負荷抵抗４との間にＮＭＯＳＴｒ７を挿入
し，入力端子１の入力信号を，抵抗Ｒ１，抵抗Ｒ２，容
量Ｃ１，容量Ｃ２，容量Ｃ３，演算増幅器３，ＮＭＯＳ
Ｔｒ７とから成る所謂２次の減衰特性を持つハイパスフ
ィルタ２４で低周波成分を除去し出力を得る。集積回路
上に形成した抵抗Ｒ２は，直列に接続した抵抗Ｒ２１と
抵抗Ｒ２２，抵抗Ｒ２２に並列に接続した容量Ｃ４とで
構成した。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明によるリミッタ回路の一
実施例を示す回路図である。図２は，図１の抵抗Ｒ２の
等価回路を示している。図３は，抵抗Ｒ２の一実施例を
示す回路図である。図４は，ハイパスフィルタ２４の周
波数特性の一例を，Ｃ４が有る場合と無い場合について
示している。図５は，図１に示した実施例の動作を説明
するために，図１の入力１，出力２の動作波形を示した
図である。図６は，図１に示した実施例の動作の特徴を
詳しく述べる為に，入力１に低周波の雑音を重畳した場
合の出力２の波形と従来例の出力Ａの波形とを示した図
である。

【００１２】先ず図１の回路構成について説明する。電
源１０には，Ｉｃの電流値を持つ定電流源９の一端が接
続されている。定電流源９の他端はＮＭＯＳＴｒ７のド
レイン電極に接続している。ＮＭＯＳＴｒ７のゲート電
極は，演算増幅器３の出力に接続している。ＮＭＯＳＴ
ｒ７のソース電極は，出力端子２とＲＬの抵抗値を持つ
負荷抵抗４の一端と，抵抗Ｒ２，容量Ｃ３の一端に共通
に接続している。負荷抵抗４の他端はグランド端子に接
続している。

【００１３】抵抗Ｒ２の他端は，演算増幅器３の負入力
端子と容量Ｃ２の一端とに共通に接続され，容量Ｃ３の
他端は，容量Ｃ２の他端と容量Ｃ１の一端と抵抗Ｒ１の
一端に共通に接続している。抵抗Ｒ１の他端はグランド
電位に接続されている。容量Ｃ１の他端は入力端子１に
接続している。抵抗Ｒ２は，直列に接続した抵抗Ｒ２１
と抵抗Ｒ２２，抵抗Ｒ２２に並列に接続した容量Ｃ４と
で構成している。

【００１４】更に電源１０には，Ｉｃ／２の電流値を持
つ定電流源８の一端が接続され，定電流源８の他端は，
ＮＭＯＳＴｒ６のドレイン電極とゲート電極とに共通に
接続している。ＮＭＯＳＴｒ６のソース電極は，抵抗値
ＲＬを持つ負荷抵抗５の一端と演算増幅器３の正入力端
子に共通に接続されていている。負荷抵抗５の他端はグ
ランド電位に接続されている。

【００１５】以下回路動作について説明を行う。入力端
子１から出力端子２の間で，周波数特性を考えると，抵
抗Ｒ１，Ｒ２，容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と演算増幅器３と
ＮＭＯＳＴｒ７は，演算増幅器３とＮＭＯＳＴｒ７を一
つの増幅回路とみなせるので，所謂多重帰還型のハイパ
スフィルタ２４を構成している。

【００１６】該ハイパスフィルタ２４は，２次の減衰特
性を持つので，カットオフ周波数Ｆ０以下の周波数で
は，４０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性となる。フィルタの基
本特性と抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と容量Ｃ１，Ｃ３の関係
は，既に知られているように，カットオフ周波数Ｆ０に
ついて Ｆ０＝√（Ｒ１＊Ｒ２＊Ｃ１＊Ｃ２＊Ｃ３） （１） ゲインＡ０は Ａ０＝−Ｃ１／Ｃ３ （２） で表現される。

【００１７】演算増幅器３の正入力端子から出力端子２
の間の直流での特性を考えると，出力端子２と演算増幅
回路３の負入力端子との間には，抵抗Ｒ２で負帰還が掛
かっている。該負帰還は，出力端子２の電圧が高くなる
と演算増幅器３の出力が低くなり，ＮＭＯＳＴｒ７のゲ
ート電極の電圧およびソース電極の電圧即ち出力端子２
の電圧が低くなるように働き，出力端子２の電圧が演算
増幅器３の正入力端子の電圧に等しくなったところで平
衡する。つまり入力端子１の電圧が無い場合には，出力
端子２の電圧は，演算増幅器３の正入力端子の電位Ａの
電圧と等しい。

【００１８】先ず，入力信号が無い場合の各部の直流電
圧，所謂直流動作点について説明を行う。負荷抵抗５に
は，Ｉｃ／２の電流が流れているので，負荷抵抗５の一
端即ちＮＭＯＳＴｒ６のソース電極の電位ＡはＲＬ×Ｉ
ｃ／２となる。出力端子２の電圧は，前述したように電
位Ａと等しく，ＲＬ×Ｉｃ／２の電圧となる。該電圧
は，出力端子２の最大電圧ＲＬ×Ｉｃと最小電圧０の中
間値になっている。

【００１９】次に図１のリミッタ回路の入力端子１に交
流の入力信号が加わった場合について，動作の説明を図
５を用いて行なう。入力端子１に入ってきた交流の入力
信号は，ハイパスフィルタ２４を通して出力端子２に出
力される。出力端子２の出力レベルは，最高で電流源９
の電流値Ｉｃ＊抵抗４の抵抗値ＲＬに制限され，最低は
０になる。

【００２０】図６には，入力信号に低周波の雑音成分が
重畳した場合の入力端子１の波形と出力端子２の波形を
示している。ここで，式１で示したＦ０を，低周波成分
より十分高く信号成分より十分低くなるように抵抗Ｒ
１，Ｒ２，容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を設定して，低周波成
分を除去出来るようにする。入力信号の中の低周波成分
は，ハイパスフィルタ２４で除去され，出力端子２で
は，入力信号を振幅制限したものが得られる。出力Ａ
は，入力信号のなかの低周波成分を除去出来ない場合の
出力波形を示している。入力信号が制限されるレベルを
超えると，出力Ａは，最大レベルまたは，最小レベルと
なり入力に含まれる信号成分は出力されない期間が生じ
る。

【００２１】なお，本実施例では，抵抗Ｒ１，Ｒ２を単
に抵抗としたが，抵抗には，多種多様の素材があり，例
えば集積回路では，抵抗をシリコンやアルミニウムや図
３に示すようにＭＯＳＴｒで実現するのが適しているの
は言うまでもない。抵抗Ｒ２を集積回路上に形成する
と，抵抗素子と基板との間，あるいは，抵抗素子と電源
配線との間に，所謂寄生容量Ｃｓが必ず形成される。図
２に，寄生容量Ｃｓを含んだＲ２の等価回路をしめす。
厳密には，寄生容量Ｃｓは，所謂分布容量として連続的
に分布するが，近似的には，図２に示すよう複数個の寄
生容量Ｃｓで表現出来る。Ｃ４は，寄生容量Ｃｓの影響
を除去するために挿入した容量である。図４には，Ｃ４
が有る場合と無い場合のハイパスフィルタ２４の周波数
特性の一例を示している。図４は，カットオフ周波数Ｆ
０＝１００００Ｈｚ，ゲインＡ０＝−１（＝０ｄＢ）に
定数設定した例で，Ｃ４が無い場合には，Ｆ０付近でゲ
インが上昇して不安定動作となる。Ｃ４が有る場合に
は，Ｆ０付近でのゲインの上昇量を，Ｃ４の容量値によ
り調整でき，安定動作とするすることが出来る。Ｃ４の
容量値が大きいほど，よりゲイン上昇を抑圧できる。

【００２２】図７は，本発明によるリミッタ回路を，リ
モコン受信用回路２３に，リミッタ回路１８として適用
した実施例を示す。入射光１３には，信号成分として数
１０ｋＨｚの発光周期を持つ赤外光と，雑音成分として
１００Ｈｚから数ＫＨｚまでの発光周期をもつ蛍光燈の
赤外光成分とが重畳している。入射光１３は，フォトダ
イオード等の光電変換素子１４により電気信号に変換さ
れ，入力端子１５を通してリモコン受信用回路２３に入
力される。リモコン受信用回路２３では，数１０ｋＨｚ
の発光周期を持つ赤外光が，入射しているか，全く入射
していないかを検出して出力端子２２に出力する。

【００２３】一般的に入力端子２７の信号レベルは，最
少で５０μＶ程度と微弱である。リモコン受信用回路の
内部では，入力信号を低雑音増幅器１６で増幅し，次に
本発明によるリミッタ回路１８で振幅を一定値以下に制
限し，前記信号成分の発光周期に同調したバンドパスフ
ィルタ１９で信号成分のみを抽出し，検波回路２０で検
波を行い，検波後の直流レベルを，一定の閾値と比較し
て，Ｈｉｇｈ又はＬｏｗレベルを出力する比較回路２１
を通して，出力端子２２に出力する。太陽光のような直
流的な光の入射がある場合には，直流レベル設定回路１
７が作動し，入力の直流レベルが飽和するのを抑えてい
る。

【００２４】リモコン受信用回路２３では，リモコン送
信機との距離の遠近により，入力端子１５の信号レベル
が最少５０μＶ位から最大５０ｍＶ以上と大幅に変化す
る。そこで，リミッタ回路１８で一定値に振幅制限を行
ない，フィルタ１９の入出力の振幅がオーバーフローし
て，フィルタ１９のフィルタ特性が極端に劣化するのを
防いでいる。又リモコン受信用回路２３に用いるリミッ
タ回路１８には，扱う信号レベルが微小なので振幅制限
値の絶対値を小さくすることが要求される。本発明によ
るリミッタ回路１８は，前述したように，振幅制限値，
即ちリミッタレベルを電流値と抵抗値の積で絶対値を小
さく設定出来る。また，本発明によるリミッタ回路１８
は，ハイパスフィルタの機能を具備しているので，該ハ
イパスフィルタの抵抗と容量の値を調整し，蛍光燈の１
００Ｈｚから数ＫＨｚの低周波の雑音成分を除去でき
る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
振幅制限値（リミッタレベル）を，定電流源の電流値
と，抵抗値の積で自由に設定出来るため数１０ｍＶのオ
ーダーの低いリミッタレベルを設定したリミッタ回路の
用途に適する。さらに，ハイパスフィルタの機能を具備
しているので低周波の雑音を除去する効果がある。

【００２６】集積回路に抵抗素子を形成した場合には，
抵抗素子と基板間，抵抗素子と電源配線間，抵抗素子と
電源電極間に必ず寄生容量も同時に形成される。本発明
によれば，寄生容量の影響を低減することが出来るの
で，集積回路で実現したリミッタ回路のハイパスフィル
タを安定動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の基本的な回路構成図を示す。

【図２】図１の抵抗Ｒ２の近似回路図を示す。

【図３】図１の抵抗Ｒ２の実施例を示す図である。

【図４】ハイパスフィルタ２４の周波数特性例を示す図
である。

【図５】図１の回路の各部の動作波形図を示す。

【図６】図１の回路の各部の動作波形図を示す。

【図７】本発明の他の実施例を示す図である。

【図８】従来の技術の一例の回路図を示す。

【符号の説明】

１ 入力端子 ２ 出力端子 ３ 演算増幅器 ４，５，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ２１，Ｒ２２，１０ 抵抗 Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 容量 Ｃｓ 寄生容量 ６，７ ＮＭＯＳトランジスタ ８，９ 定電流源 １０ 電源 １１，１２ ダイオード １３ 赤外光＋蛍光燈 １４ 光電変換素子 １５ リモコン受信用回路の入力端子 １６ 低雑音増幅器 １７ 直流レベル設定回路 １８ リミッタ回路 １９ バンドパスフィルタ ２０ 検波回路 ２１ 比較回路 ２２ リモコン受信用回路の出力端子 ２３ リモコン受信用回路 ２４ ハイパスフィルタ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が電源端子に接続された第一の定電
   流源と，ドレイン電極が前記第１の定電流源の他端に接
   続されゲート電極が演算増幅器の出力に接続されソース
   電極が出力端子に接続された第１のＮチャンネルＭＯＳ
   トランジスタと，一端が共通に出力端子に共通に接続さ
   れ他端がグランド端子に接続された第１の抵抗要素と，
   一端が電源端子に接続された第２の定電流源と，ゲート
   電極が固定電位に接続され，ドレイン電極が前記第２の
   定電流源の他端に共通に接続され，ソース電極が第２の
   抵抗要素の一端に接続された第２のＮチャンネルＭＯＳ
   トランジスタと，他端がグランド端子にされた前記第２
   の抵抗要素と，一端が入力端子に接続された第１の容量
   と，一端が前記第１の容量の他端と共通に接続され他端
   が前記演算増幅器の負入力端子に接続された第２の容量
   と，一端が出力端子に接続され他端が前記第１の容量の
   他端に共通に接続された第３の容量と，一端がグランド
   端子に接続され他端が前記第１の容量の他端に共通に接
   続された第３の抵抗要素と，一端が前記第２の容量の他
   端に共通に接続され他端が前記出力端子に共通に接続さ
   れた第４の抵抗要素と，正入力端子が前記第２の抵抗要
   素の他端に共通に接続され負入力端子が前記第２の容量
   の他端に共通に接続され出力は前記第１のＮチャンネル
   ＭＯＳトランジスタのゲート電極に接続された前記演算
   増幅器とで構成されたリミッタ回路において，前記第４
   の抵抗要素が，直列に接続した第５の抵抗要素と第６の
   抵抗要素と，前記第６の抵抗要素に並列に接続した第４
   の容量とで構成されていることを特徴とするリミッタ回
   路。