JP3232856B2 - アナログフィルタ - Google Patents

アナログフィルタ

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JP3232856B2
JP3232856B2 JP02867494A JP2867494A JP3232856B2 JP 3232856 B2 JP3232856 B2 JP 3232856B2 JP 02867494 A JP02867494 A JP 02867494A JP 2867494 A JP2867494 A JP 2867494A JP 3232856 B2 JP3232856 B2 JP 3232856B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は波形等化などの信号処理
に必須であるところのアナログフィルタに関するもので
ある。通信、情報機器いずれの分野においても、処理す
べき信号の速度は増加の一途をたどり、まだまだディジ
タル処理では対応しきれないところがある。そこで、ア
ナログにおいていかにうまく信号処理を行うことができ
るかが、装置性能の決め手になっていると言っても過言
ではない。本発明は、アナログ信号処理の様々な形態に
対応できる、汎用性の高いアナログフィルタを提供する
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来のアナログフィルタは、ディスクリ
ート部品によるパッシブフィルタか、もしくはCMOS
技術を応用したスイッチドキャパシタ(SC)フィルタ
が主流であった。前者は高速化には適するが、コイル等
を有するため実装空間を要し、高価であるとともに可変
調整には不可能に近いものがある。後者はIC化が可能
であり広く用いられているが、一般に処理速度が遅く、
また高速なサンプリングクロックを必要とするため、
(雑音の防止のため)他のアナログ回路との分離技術に
一考を要する。
【0003】また、図12に示すように、損失をもつ積分
器17、逆相積分器18、逆相増幅器19により構成され、双
2次伝達関数を実現したBIQUAD(バイカッド)回
路がある。特に電圧/電流変換手段を用いたBIQUA
D回路は、スイッチドキャパシタを用いたBIQUAD
回路よりもはるかに高速であり、磁気記録の分野で広く
用いられているが、あくまで特定用途向けである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述したように従来の
BIQUAD回路によるアナログフィルタはあくまで特
定用途向けであった。
【0005】したがって本発明は、アナログ信号処理の
様々な形態に対応できる、汎用性の高いアナログフィル
タ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】上記問題点は図1に示す
回路の構成によって解決される。即ち図1において、
(請求項1) 入力信号を表す第1の入力電圧に第2の
入力電圧の位相を反転させて加算し、加算値を外部から
可変できる電圧利得により増幅して出力する第1の電圧
増幅手段(図1の第1の電圧利得可変手段に対応)と、
該第1の電圧増幅手段の出力電圧を電流に変換後積分し
て出力するとともに、該電流を外部から可変できる第1
積分手段(図1の第1の電圧/電流変換率可変型積分
手段に対応)と、該第1の積分手段の出力に該第2の入
力電圧の位相を反転させて加算し、加算値を外部から
できる電圧利得により増幅して出力する第2の電圧
手段(図1の第2の電圧利得可変手段に対応)と、該
第2の電圧増幅手段の出力電圧を電流に変換後積分して
出力し、該出力を分岐して該第2の入力電圧とするとと
もに、該電流を外部から可変できる第2の積分手段(図
1の第2の電圧/電流変換率可変型積分手段に対応)
からなるBIQUAD(バイカッド)回路と、 該第1の
入力電圧を分岐して入力し、外部から可変できる電圧利
得(K)により増幅して正および負の信号を出力する第
3の電圧増幅手段(図1の第3の電圧利得可変手段に対
応)と、 外部からの切替え信号により該第3の電圧増幅
手段の出力のうち一方を選択して出力し、該第2の積分
手段の出力に加算するスイッチ手段とを備えた構成にす
る。
【0007】(請求項2) 前記第1および第2の積分
手段を、それぞれコンデンサと抵抗と演算増幅器により
構成する。
【0008】
【0009】(請求項) 前記請求項1に記載のBI
QUAD回路と第3の電圧増幅手段、及びスイッチ手段
とで構成されるアナログフィルタを2個並列にして作動
させるように構成する。
【0010】
【作用】図1において、第1の電圧増幅手段(図1の第
1の電圧利得可変手段に対応)への入力電圧をVin、第
1、第2、及び第3の電圧増幅手段(図1の第1、第
2、及び第3の電圧利得可変手段に対応)の利得をそれ
ぞれG1 、G2 、K、第1及び第2の積分手段(図1の
第1及び第2の電圧/電流変換率可変型積分手段に対
応)電圧/電流変換率をそれぞれgm1 、gm2 、第
1及び第2の積分手段の積分用の容量をC、第2の積分
手段の出力電圧をVout とすると、第2の積分手段の出
力は、
【0011】
【数1】
【0012】となり、Vin、Vout でそれぞれまとめる
と、
【0013】
【数2】
【0014】となる。したがって伝達関数T(S)は、
【0015】
【数3】
【0016】と求められる。ここで、S=jω、ω=2
πf、fは周波数である。上式の分子多項式のKが+の
とき、帯域阻止型、−のとき高域強調型、またK=0の
とき低域通過型となり、それぞれスイッチ手段の切り替
え状態によって決められる。この結果、アナログ信号処
理の様々な形態に対応することができる。
【0017】さらに、第1および第2の積分手段と第
1、第2および第3の電圧増幅手段を用い、外部から電
流を可変して電圧/電流変換率および電圧利得を任意に
可変することにより、フィルタの伝達関数を自由に作り
だすことができ、これまで以上に広い調整範囲を確保す
ることが可能となる。
【0018】
【実施例】図2は本発明の実施例のBIQUAD回路の
構成図である。同図において、2-1 、2-2 、4-1 、4-2
、6-1、6-2 は電圧増幅器、3-1 、3-2 、7-1 、7-2は
電圧/電流変換器、1、8はバッファ、5-1 、5-2はス
イッチであり、電圧増幅器2-1 、6-1と電圧/電流変換
器3-1 、7-1及びコンデンサCで構成される回路で一つ
のBIQUAD回路9を構成し、電圧増幅器2-2 、6-2
と電圧/電流変換器3-2 、7-2 及びコンデンサCで構成
される回路でもう一つのBIQUAD回路10を構成して
いる。そして、これら2個のBIQUAD回路9、10が
差動で動作する構成になっている。
【0019】まず上記BIQUAD回路の伝達関数を求
める。電圧増幅器2-1 の+入力電圧をVin、電圧/電流
変換器7-1の出力電圧をVout、電圧増幅器2-1 の利得を
a 、電圧/電流変換器3-1のコンダクタンスをg
a 、電圧増幅器6-1 の利得をGb 、電圧/電流変換器
7-1のコンダクタンスをgmb とすると、
【0020】
【数4】
【0021】となる。Vin、Vout でそれぞれまとめる
と、
【0022】
【数5】
【0023】したがって伝達関数T(S)は(2)式か
【0024】
【数6】
【0025】と求められる。ここで、S=jωであり、
ω=2πf、fは周波数である。(3)式より、アクテ
ィブフィルタのパラメータωo (共振角周波数)および
Q(選択度)はそれぞれ次式で与えられる。
【0026】
【数7】
【0027】(3)式において、分子多項式のKの符号
が+のとき帯域阻止型、−のとき高域強調型、またK=
0のとき低域通過型となり、それぞれスイッチ5-1 、5-
2の切り替え状態によって決められる。帯域阻止型およ
び高域強調型の場合のT(jω)の周波数特性をそれぞ
れ図3の(a) および(b)に示す。同図において、ωn、ω
b は共振角周波数、Qb は高域強調型の場合の選択度を
表す。
【0028】まず、必要なQ値を得るために、gmの
比、Gの比を決め、しかる後ωo の絶対値を合わせるこ
とにより、伝達関数を任意に操作できる。尚、BIQU
AD回路には図4に示す(1)及び(2)の2つのタイプが考
えられるが、ここで各タイプのS/N(信号/雑音比)
について検討する。各タイプの回路において、通過帯域
内においてコンデンサの値を無視できると仮定すると、
電圧/電流変換器は高利得Aの電圧増幅器であると考え
ることができ、BIQUAD回路の各タイプはそれぞれ
図5に示すモデルで表すことができる。
【0029】図5において、タイプ(1) について、各電
圧/電流変換器の入力部に雑音na、nb が混入したと
仮定した場合の、出力Vout におけるS/Nを求める。
【0030】
【数8】
【0031】となり、Va 、Vb を消去してVout につ
いてまとめると、
【0032】
【数9】
【0033】となる。A≧1であるから、Vout は次式
のようになる。
【0034】
【数10】
【0035】したがってタイプ(1)の、出力におけるS
/Nは次式のようになる。
【0036】
【数11】
【0037】タイプ(2)のBIQUAD回路についても
同様にして求めることができ、以下の式が成り立つ。
【0038】
【数12】
【0039】となり、Va 、Vb を消去してVout につ
いてまとめると、
【0040】
【数13】
【0041】となる。A≧1であるから、Vout は次式
のようになる。
【0042】
【数14】
【0043】したがってタイプ(2)の、出力におけるS
/Nは次式のようになる。
【0044】
【数15】
【0045】(11)式と(17)式とを比較して分かるよ
うに、タイプ(2)の方は後段の入力に混入されたノイズ
成分nb が、電圧/電流変換器の電圧利得分だけ抑圧さ
れている。このことからBIQUAD回路の雑音特性に
ついては、タイプ(1)よりもタイプ(2)の方が優れている
と言える。前述した図2に示す本発明の実施例では以上
の結果を使用した。
【0046】図6は図2の電圧/電流変換器3-1(3-2)、
7-1(7-2)の代わりにそれぞれ演算増幅器11、12を用いた
場合のBIQUAD回路の実施例の構成図である。この
場合、可変パラメータは電圧増幅器2、6の利得
(Ga 、Gb )だけとなり、回路もT(S)の分子のS
の部分が0の全極型となって、速度も演算増幅器を使用
しているため図2の場合に比べて劣るが、例えば抵抗R
をCMOSを使用したスイッチトキャパシタに置き換え
れば、図2におけるgma 、gmb を可変するのと同様
の効果が期待できる。
【0047】図7は本発明の実施例のアナログフィルタ
全体の回路構成図である。同図に示すように、図2に示
すBIQUAD回路を複数個縦続に接続することにより
フィルタのカットオフ特性を急峻なものとすることがで
き、用途に応じて任意に個数を選択できる。また、使用
しないBIQUAD回路は電源供給をオフさせることに
より、省エネ化を図ることもできる。
【0048】図8は実施例におけるK値設定回路の構成
図である。K値設定回路は、Kの基準値を決めるための
アナログの差動増幅器14と、Kの可変部分を決める2個
の差動増幅器からなる回路15と、該2個の差動増幅器の
いずれかを選択するためのスイッチ回路16とで構成され
る。
【0049】前段の差動増幅器14の電圧利得G1は、負
荷としてのダイオードDの内部抵抗をrerefとすると
【0050】
【数16】
【0051】後段の回路15の差動増幅器の利得G2は、
エミッタ結合トランジスタの内部抵抗をrevarとする
と、
【0052】
【数17】
【0053】となる。(18)、(19)式から全体の利得
G、即ち|K|は
【0054】
【数18】
【0055】となる。ここに、kはボルツマン定数、T
は絶対温度、qは電子の電荷、IKrefは基準電流、I
Kvarは可変電流である。Kの符号はSWの切り換えによ
り選択できる。
【0056】図9は実施例における電圧利得可変回路の
構成図である。図9の回路構成は基本的には前述した図
8の回路構成と同じであるが、図9には図8のスイッチ
回路16が存在しない。前述したと同様にして図9の回路
の利得Gは次式で与えられる。
【0057】
【数19】
【0058】ここに、IGrefは基準電流、IGvarは可変
電流である。図10、図11は実施例における可変電圧/電
流変換回路の構成図である。図10はバイポーラトランジ
スタの場合を示すが、同図の回路構成も前述した図9の
回路構成と基本的に同じであり、電圧/電流変換回路の
コンダクタンスgmは、IRE F 端子に流れる電流を2I
Iref、IVAR 端子に流れる電流を3IIvarとすると、
【0059】
【数20】
【0060】と求められる。以上のようにして(3)式
の伝達関数を自由に操作できる。また、図11はCMOS
トランジスタの場合を示すが、制御電流端子が1個であ
り、制御電流IVARA(B)に対してgmがリニアに可変で
きない。しかし、本発明のように、利得可変の電圧増幅
器との併用によって、このgmの非線形性を補うことが
できる。(IVARA(B)を固定し、可変パラメータをGの
みとする。)
【0061】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第
3の電圧利得可変手段の出力をスイッチ手段により切り
替えることによって、アナログ信号処理の様々な形態に
対応することができる。また、第1および第2の電圧/
電流変換率可変型積分手段と、第1、第2および第3の
電圧利得可変手段を用い、電圧/電流変換率および電圧
利得を任意に可変することにより、フィルタの伝達関数
を自由に作りだすことができ、これまで以上に広い調整
範囲を確保することが可能となる。同時に、コンデンサ
の容量値の相対的なバラツキなども、上記手段によって
補正できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】は本発明の原理図、
【図2】は本発明の実施例のBIQUAD回路の構成
図、
【図3】は実施例におけるT(jω)の周波数特性図、
【図4】は一例のBIQUAD回路の2つのタイプを示
す図、
【図5】は図4のBIQUAD回路の各タイプの通過域
モデルを示す図、
【図6】は本発明の別の実施例のBIQUAD回路の構
成図、
【図7】は本発明の実施例のアナログフィルタ全体の回
路構成図、
【図8】は実施例におけるK値設定回路の構成図、
【図9】は実施例における電圧利得可変回路の構成図、
【図10】は実施例における可変電圧/電流変換回路の構
成図(その1)、
【図11】は実施例における可変電圧/電流変換器回路の
構成図(その2)、
【図12】は従来例のBIQUAD回路の構成図である。
【符号の説明】
200 は第1の電圧利得可変手段、 300 は第1の電圧/電流変換率可変型積分手段、 400 は第3の電圧利得可変手段、 500 はスイッチ手段、 600 は第2の電圧利得可変手段、 700 は第2の電圧/電流変換率可変型積分手段 を示す。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号を表す第1の入力電圧に第2の
    入力電圧の位相を反転させて加算し、加算値を外部から
    可変できる電圧利得により増幅して出力する第1の電圧
    増幅手段と、 該第1の電圧増幅手段の出力電圧を電流に変換後積分し
    て出力するとともに、該電流を外部から可変できる第1
    積分手段と、 該第1の積分手段の出力に該第2の入力電圧の位相を反
    転させて加算し、加算値を外部から可変できる電圧利得
    により増幅して出力する第2の電圧増幅手段と、 該第2の電圧増幅手段の出力電圧を電流に変換後積分し
    て出力し、該出力を分岐して該第2の入力電圧とすると
    ともに、該電流を外部から可変できる第2の積分手段
    からなるBIQUAD(バイカッド)回路と、 該第1の入力電圧を分岐して入力し、外部から可変でき
    る電圧利得(K)により増幅して正および負の信号を出
    力する第3の電圧増幅手段と、 外部からの切替え信号により該第3の電圧増幅手段の出
    力のうち一方を選択して出力し、該第2の積分手段の出
    力に加算するスイッチ手段と、 を備えた ことを特徴とするアナログフィルタ。
  2. 【請求項2】 前記第1および第2の積分手段は、それ
    ぞれコンデンサと抵抗と演算増幅器とからなることを特
    徴とする請求項1記載のアナログフィルタ。
  3. 【請求項3】 前記請求項1に記載のBIQUAD回路
    と第3の電圧増幅手段、及びスイッチ手段とで構成され
    るアナログフィルタを2個並列にして作動させることを
    特徴とするアナログフィルタ。
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