JP3300301B2 - 低域通過フィルタ - Google Patents

低域通過フィルタ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばバイポーラ
トランジスタ半導体集積回路などに形成される、エミッ
タフォロワと差動増幅器とで構成する低域通過フィルタ
に関し、特に、高域の減衰特性の劣化を改善し、差動増
幅器の利得や雑音特性を改善するものである。
【0002】
【従来の技術】抵抗、能動素子を用いるフィルタ回路
は、インダクタンスを使用しないため、回路の小型軽量
化、集積化が可能であり、携帯電話などの無線機の低周
波通過フィルタなどに広く用いられる。
【0003】この種のフィルタとして、従来から、エミ
ッタフォロワを用いて構成する2次の低域通過フィルタ
回路が知られている。
【0004】この回路は、図7に示すように、入力端子
19及び出力端子18と、トランジスタ11及び電流源15で構
成されるエミッタフォロワ回路と、入力端子19に直列に
接続された抵抗21及び抵抗8と、エミッタフォロワ回路
の出力に直列接続する抵抗10と出力端子11との接続部と
抵抗21及び抵抗8の接続部との間に接続されたコンデン
サ7と、エミッタフォロワ回路の入力と接地との間に接
続されたコンデンサ9とを備えている。
【0005】ここで、抵抗10は、トランジスタ11のgm
の逆数1/gm及びトランジスタのエミッタにおける寄生抵
抗の和を表している。
【0006】この回路を差動増幅器と共に構成した場合
を図6に示す。差動増幅器のトランジスタ13のコレクタ
側のインピーダンスは低周波域ではハイインピーダンス
となるため、図6に示した回路は、図7における抵抗21
を差動増幅器の負荷抵抗として共用することができ、エ
ミッタフォロワ回路が差動増幅器のバッファとフィルタ
回路との両方の役目をするため、差動増幅器とフィルタ
とを簡単な構成で実現できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図7に示した回路の入
力端子19から入力される信号をVin1[dBm]、出力
端子18より出力される信号の振幅をVo1[dBm]、カ
ットオフ周波数をfclとすると、Vo1/Vin1で求めら
れる伝達関数は以下の式となる。 Vo1/Vin1={(R8×R10×C7×C9)S2+(R10+
C7)S+1}/{C7×C9×(R21×R8+R8×R10+R
21×R10)S2+(R10×C7+R8×C9+R21×C9)
S+1}
【0008】上記式で表される伝達関数は、2次低域通
過フィルタ回路と2次低域通過フィルタ回路の伝達関数
の逆数、即ち、2次高域通過フィルタ回路、とが組み合
わされたものと見ることができる。2次低域通過フィル
タのカットオフ周波数をfcl1、2次高域通過フィルタ
のカットオフ周波数はfch1とすると、それぞれ以下の
式で表される。fcl1 =1/{2π(C7×C9×(R21×R8+R8×R10+R10×R21)1/2} (1) fch1 =1/{2π(R8×R10×C7×C9)} (2)
【0009】このとき、入力端子19から周波数f[H
z]の信号Vin1[dBm]が入力した場合の出力端子1
8より出力される信号の振幅Vo1は以下の式で表され
る。 Vo1=Vin1−40log(f/fcl1)+40log(f/
fch1)[dBm]
【0010】このフィルタの特性を示すと図8のように
なり、フィルタ特性は高域側で劣化してしまう。
【0011】図6に示したように、差動増幅器と共に構
成する場合には、集積化した時、コンデンサC7、C8
は集積回路の規模を小さくするために、できるだけ小さ
い値に設定する必要がある。そのため、同じカットオフ
周波数を得ようとした場合、抵抗8、21を大きくする必
要がある。
【0012】また、抵抗21は差動増幅器の負荷と共用し
ているため、差動増幅器の利得を考慮して抵抗21の値を
決定しなければならない。例えば、カットオフ周波数f
cl1を低い値に設定したい場合、コンデンサC7、C8
はできるだけ小さい値に設定する必要があるため、抵抗
8、21の値を大きくしてカットオフ周波数を決定する。
【0013】しかし、抵抗21を大きくしてしまうと差動
増幅器の利得が必要以上に大きくなってしまうことが考
えられ、差動増幅器のエミッタ抵抗14を大きくして利得
を調整することが必要になる。
【0014】一般にトランジスタ回路の雑音指数(以
下、NF)は、トランジスタのベース抵抗及びエミッタ
抵抗に依存する。そのため、エミッタ抵抗14を大きくし
てしまうと差動増幅器の雑音特性、即ち、NFが劣化し
てしまう。
【0015】また、抵抗8を大きくしてしまうと、抵抗
8はトランジスタ11のベースに直列に挿入されているた
め、エミッタフォロワ回路のNFを劣化させてしまうこ
とになる。
【0016】このように、従来の回路では、フィルタ特
性が高域側で劣化してしまうことや、集積化可能なコン
デンサの大きさが規模の点で限界があるため、カットオ
フ周波数fclが抵抗8、21の値に大きく依存し、そのた
め、差動増幅器の利得や雑音特性が制限されるという問
題点がある。
【0017】本発明は、こうした従来の問題点を解決す
るものであり、エミッタフォロワと差動増幅器とで構成
する低域通過フィルタにおいて、高域側の減衰量の劣化
を緩和し、カットオフ周波数を設定する抵抗による差動
増幅器の利得、雑音特性への制限を、電流や回路規模を
増大させることなく、緩和することができる低域通過フ
ィルタを提供し、また、それを含む半導体集積回路や携
帯端末、通信システムを提供することを目的としてい
る。
【0018】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、差
動増幅器と組み合わせるエミッタフォロワ型低域通過フ
ィルタ回路において、エミッタフォロワ型低域通過フィ
ルタの前に、2次フィルタ回路を直列に接続し、さらに
そのフィルタ回路を差動増幅器の負荷として共用してい
る。
【0019】この2次フィルタが、低域通過フィルタ回
路の高域の減衰量の劣化を打ち消す作用をする。また、
この2次フィルタの抵抗は、エミッタフォロワ及び差動
増幅器の負荷として、分割して挿入されるため、差動増
幅器の負荷を小さく保つことができ、差動増幅器の利得
や雑音特性を規定する上での制限を緩和することができ
る。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、エミッタフォロワ及び差動増幅器を構成要素に持つ
2次低域通過フィルタ回路において、低域通過フィルタ
回路の前段に、抵抗とコンデンサとで構成された2次の
フィルタを差動増幅器の負荷として接続し、この抵抗を
エミッタフォロワのベース入力部と差動増幅器の負荷と
に分割して挿入したものであり、2次フィルタを構成す
るRC回路の接続により、高域の減衰量の劣化が打ち消
され、また、そのRの一部だけが差動増幅器の負荷とな
るため、差動増幅器の利得や雑音特性を規定する上での
制限が緩和される。
【0021】請求項2に記載の発明は、請求項1の低域
通過フィルタ回路を内蔵させた半導体集積回路であり、
回路の小型軽量化、集積化が可能である。
【0022】請求項3に記載の発明は、請求項2の半導
体集積回路を組み込んだ携帯端末であり、端末の小型軽
量化を図ることができる。
【0023】請求項4に記載の発明は、請求項3の携帯
端末とこれに繋がる基地局とからなる通信システムであ
り、小型軽量な携帯端末を使用する通信システムを構築
することができる。
【0024】以下、本発明の実施の形態について、図面
を用いて説明する。
【0025】本発明の実施形態における低域通過フィル
タ回路は、図1に示すように、従来例のエミッタフォロ
ワ型低域通過フィルタ(図6)の前段に抵抗6を接続
し、差動増幅器の負荷として抵抗1、3及び5を接続
し、抵抗1と抵抗3の接続部の間にコンデンサ2を、ま
た、抵抗3と抵抗5の接続部の間にコンデンサ4を接続
している。
【0026】このように、差動増幅器のトランジスタ13
のコレクタ側のインピーダンスをハイインピーダンスに
設定した場合には、差動増幅器が平衡動作を行うとする
と、コンデンサ2及び4の両端には、常にそれぞれ位相
が180度異なる同一の信号の電圧が印加されることに
なるので、コンデンサ2及び4の中点は交流的に接地さ
れているとみなせる。したがって、図1は、図2の回路
で表すことができる。ここで、図2の回路のコンデンサ
C22はC2/C2、コンデンサC23はC4/C2、R20はR5
+R6である。
【0027】図2に示した回路の入力端子19から入力さ
れる信号の振幅をVin[dBm]、出力端子18から出力
される信号の振幅をVo[dBm]とし、伝達関数Vo/
Vinを求める。ここで、例えば、計算を簡略化するた
め、図2の回路において、C=C22=C23=C7=C9、
R=R1=R3=R20=R8=R10の条件で伝達関数を求
めると以下の式になる。 Vo/Vin={(C2×R2)S2+(C×R)S+1}/
{(2×C4×R4)S4+(12×C3×R3)S3+(15×C
2×R2)S2+(20×C×R)S+1}
【0028】この伝達関数Vo/Vinは、4次の低域通
過フィルタ回路と2次の高域通過フィルタが組み合わさ
ったものである。4次低域通過フィルタ回路のカットオ
フ周波数をfcl、2次高域通過フィルタのカットオフ周
波数をfchとすると、fcl、fchは以下のように表され
る。 fcl=1/{2π(2×C4×R41/4} (3) fch=1/{2π(R2×C21/2} (4)
【0029】このとき、入力端子19から周波数f[H
z]の信号Vin[dBm]が入力した場合の出力端子18
より出力される信号の振幅Voは以下の式で表される。 Vo1=Vin1-80log(f/fcl)+40log(f/f
ch)[dBm]
【0030】このフィルタの特性を示すと図3のように
なり、フィルタ特性は高域側では、12dB/octで減
衰することになる。
【0031】また、ここで、例えば、 R=R1=R3=R5=R6=R8=R10、 C7、C9≫C2
2、C23 とすると、低周波域では、C23、C24のインピーダンス
は大きくなり、図1において、抵抗1と抵抗3の接続部
の間及び、抵抗3と抵抗5の接続部の間は開放とみなせ
るので、図1の回路は図4のように表すことができる。
従って、図2の回路は、図5のように表せる。図4、図
5に示した回路は、R21=R1+R3+R5+R6とすれ
ば、図6、図7と等価となる。
【0032】例えば、図6において、R21=Raとした
とき、図4において、R1=R3=R5=R6=Ra/4とす
れば、差動増幅器の負荷抵抗は(3×Ra)/4となり、図
6の回路と同様の利得を得ようとした時、エミッタ抵抗
R14を小さくでき、差動増幅器のNFを改善できる。
【0033】この際、エミッタフォロワのベースに直列
にRa/4の抵抗が挿入されることになり、エミッタフォ
ロワのNFが劣化するが、抵抗値はRa/4と小さく、ま
た、回路全体のNFは、一般に初段の差動増幅器の利得
が高ければ、差動増幅器のNFが支配的となるため、回
路全体のNFに対して、エミッタフォロワのNFの劣化
は無視できる。
【0034】このように、本発明の差動増幅器と組み合
わせたエミッタフォロワ型低域通過フィルタ回路は、差
動増幅器の負荷としてRC回路を挿入し、抵抗Rを差動
増幅器の負荷とエミッタフォロワのベース入力とに分割
することにより、高域の減衰量の劣化を緩和すると同時
に、差動増幅器の利得や雑音特性を規定する上での制限
を、電流や回路規模を増大させることなく緩和すること
ができる。
【0035】また、この半導体集積回路を携帯電話など
の無線機に組み込むことによって、無線機の小型軽量化
を図ることができる。また、この無線機を使用する通信
システムの利便性の向上を図ることができる。
【0036】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の差動増幅器と組み合わせたエミッタフォロワ型低域通
過フィルタ回路は、高域の減衰量の劣化を緩和すると同
時に、差動増幅器の利得や雑音特性を規定する上での定
数の制限を、電流や回路規模を増大させることなく緩和
することができる。
【0037】また、このフィルタ回路は他の回路と集積
化して集積回路を構成することができ、この集積回路を
無線機に組み込むことにより、無線機の小型・軽量化を
図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態における低域通過フィルタの
回路図、
【図2】図1における本発明の低域通過フィルタの等価
回路図、
【図3】本発明の低域通過フィルタの周波数特性図、
【図4】コンデンサC7、C9≫C2、C4としたときの低
周波域での図1の等価回路図、
【図5】図4の等価回路図、
【図6】従来の差動増幅器を組み合わせたエミッタフォ
ロワ型低域通過フィルタの回路図、
【図7】従来のエミッタフォロワ型低域通過フィルタの
回路図、
【図8】従来のエミッタフォロワ型低域通過フィルタの
周波数特性である。
【符号の説明】
1、3、5、6、8、10、14、20、21 抵抗 2、4、7、9、22、23 コンデンサ 11、12、13 NPNトランジスタ 15 定電流源 18 出力端子 19 入力端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03H 11/04 H03F 1/22

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エミッタフォロワ及び差動増幅器を構成
    要素に持つ2次低域通過フィルタ回路において、 前記低域通過フィルタ回路の前段に、抵抗とコンデンサ
    とで構成された2次のフィルタを差動増幅器の負荷とし
    て接続し、前記抵抗を前記エミッタフォロワのベース入
    力部と前記差動増幅器の負荷とに分割して挿入すること
    を特徴とする低域通過フィルタ回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の低域通過フィルタ回路を
    内蔵する半導体集積回路。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の半導体集積回路が組み込
    まれた携帯端末。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の携帯端末とこれに繋がる
    基地局とからなる通信システム。
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