JP3781030B2

JP3781030B2 - アクティブ・フィルタ

Info

Publication number: JP3781030B2
Application number: JP2003371249A
Authority: JP
Inventors: 寛長谷川
Original assignee: 寛長谷川
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: WO2005031972A1; JP2005110187A

Description

発明の詳細な説明

本発明は、アナログ・フィルタ、特に、信号電流から所望の周波数成分の電流を出力するアクティブ・フィルタ、に関する。

現在、アナログ・アクティブ・フィルタは信号を電圧振幅（電圧モード）で処理するものが主流であるが、信号を電流振幅（電流モード）で処理するフィルタもある（特願２００２−２６２１０５など）。

発明が解決しようとする課題

しかしながら、一般にＱ（クオリティ・ファクタ）の高いアクティブ・フィルタを実現するには回路に帰還をかける必要があり、フィルタの高周波特性や過渡応答特性が悪くなる、フィルタの通過利得が通常１より大きくなり設計が制約される、などの問題があった。そこで、本発明は、帰還をかけずに高周波まで動作する電流モードのアクティブ・フィルタを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

本発明のアクティブ・フィルタは、信号電流を入力し、信号を電流振幅で処理する電流モードと直列共振を用いてフィルタ処理を行うものであり、以下のような手段を用いたことを特徴としている。

入力信号電流を入力する端子１０１と、端子１０１に接続され電流を入力するインダクタンスとキャパシタンスからなる直列共振手段１１０と、端子１０１に接続され電流を入力し出力信号電流を出力する電流ミラー手段１２０と、から構成されている。

この結果、直列共振手段１１０の共振周波数ｆ０付近の周波数成分の信号電流が減衰するフィルタ出力電流を取り出すことができる。

また、入力信号電流を入力する端子２０１と、端子２０１に接続され電流を入力するインダクタンスとキャパシタンスからなる直列共振手段２１０と、直列共振手段２１０に接続されたダイオードもしくはダイオード接続されたトランジスタ２３１と、ダイオードもしくはトランジスタ２３１にバイアス電流を与える電流源２３３と、端子２０１に接続されたダイオードもしくはダイオード接続されたトランジスタ２２１と、ダイオードもしくはトランジスタ２２１にバイアス電流を与える電流源２２３と、トランジスタ２３１またはトランジスタ２２１と電流ミラー対をなすトランジスタ２３２もしくはトランジスタ２２２と、出力電流を出力をする端子２０３もしくは端子２０２と、から構成されている。

この結果、直列共振手段２１１の共振周波数ｆ０付近の信号電流が減衰するフィルタ出力電流を取り出せるだけでなく、直列共振手段２１１の共振周波数ｆ０付近の信号電流のフィルタ出力電流を取り出すことができる。

また、入力信号電流を入力する端子３０１と、端子３０１から電流を入力し端子３０２と端子３０３へ電流を出力する電流ミラー手段３３０と、端子３０２から電流を入力しインダクタンスとキャパシタンスからなる直列共振手段３１０と、端子３０２から電流を入力し端子３０３へ電流を出力する電流ミラー手段３２０と、端子３０３から電流を入力し端子３０４へ電流を出力する電流ミラー手段３５０と、から構成されている。

この結果、入力信号電流から直列共振手段３１０の共振周波数以外の周波数成分の信号電流を減算することによって共振周波数付近の周波数成分をもつ信号電流を出力することができ、さらに、フィルタの通過利得を通常１以下にすることができる。

また、入力信号電流を入力する端子４０１と、端子４０１から電流を入力し端子４０２と端子４０３へ電流を出力する電流ミラー手段４３０と、端子４０２から電流を入力しインダクタンスとキャパシタンスからなる直列共振手段４１０と、端子４０２から電流を入力し端子４０３へ電流を出力する電流ミラー手段４２０と、端子４０３から電流を入力し端子４０４へ電流を出力する請求項２記載のアクティブ・フィルタ手段４５０と、から構成されている。

この結果、入力信号電流から直列共振手段４１０の共振周波数以外の周波数成分の信号電流を減算した後、さらに、直列共振手段４６０の直列共振を利用して共振周波数付近の周波数成分をもつ信号電流を取り出すことにより、フィルタのＱを向上させることができる。

以下、請求項１のアクティブ・フィルタの形態を「基本形態１」、請求項２の形態を「基本形態２」、請求項３の形態を「形態３」、請求項４の形態を「形態４」、と呼ぶことにする。

基本形態１を図１により説明する。
入力信号電流は、端子１０１から入力され、直列共振手段１１０からなる岐路１と、電流ミラー手段１２０の入力すなわちダイオード接続されたトランジスタ１２１からなる岐路２、に分かれて流れる。直列共振手段１１０の共振周波数ｆ０以外の周波数成分の信号電流に対しては直列共振手段１１０のインピーダンスは非常に大きいので、ほぼ全ての電流が岐路２へ流れる。共振周波数ｆ０の周波数成分をもつ信号電流に対しては直列共振手段１１０のインピーダンスは０になるので、その電流成分はすべて岐路１に流れる。その結果、電流ミラー手段１２０の出力端子１０２から共振周波数ｆ０の周波数成分の信号電流以外の信号電流が取り出される。よって、これは、共振周波数ｆ０の周波数成分の信号電流だけを減衰させるフィルタとなる。共振周波数ｆ０は、直列共振手段１１０のインダクタンスＬとキャパシタンスＣを用いて、ｆ０＝１／｛２π（ＬＣ）^１／２｝となる。

基本形態２を図２により説明する。
入力信号電流は、端子２０１から入力され、直列共振手段２１０とダイオード接続されたトランジスタ２３１と電流源２３３から成る岐路１と、ダイオード接続されたトランジスタ２２１と電流源２２３から成る岐路２、に分かれて流れる。直列共振手段２１０の共振周波数ｆ０以外の周波数成分の信号電流に対しては直列共振手段２１０のインピーダンスは非常に大きいので、ほぼ全ての電流が岐路２へ流れる。共振周波数ｆ０の周波数成分をもつ信号電流に対しては直列共振手段２１０のインピーダンスは０になるので、信号電流は岐路１と岐路２に二分される。これらの結果、岐路２のダイオード接続されたトランジスタ２２１を電流ミラー対としたトランジスタ２２２の出力電流は、共振周波数ｆ０以外のすべての周波数成分の信号電流と、共振周波数ｆ０の周波数成分をもつ信号電流の半分、を含むものとなる。一方、岐路１のダイオード接続されたトランジスタ２３１を電流ミラー対としたトランジスタ２３２を岐路２と同様に設ければ、その出力電流は共振周波数ｆ０付近の周波数成分をもつ信号電流の半分、となる。よって、岐路１の側から信号電流を取り出せば、共振周波数ｆ０の周波数成分をもつ信号電流だけを取り出すフィルタとなる。岐路２の側から信号電流を取り出せば、共振周波数ｆ０の周波数成分の信号電流だけを減衰させるフィルタとなる。つまり、互いに反対のフィルタ特性を得ることができる。
電流源２３３、２２３の役割は非常に重要である。これらの電流源はダイオード接続されたトランジスタ（またはダイオード）を深くバイアスすることによって、その抵抗成分を下げるとともに、信号電流の振幅レンジを広げ、直線性を改善する。ダイオード接続されたトランジスタ２３１、２２１を流れる直流電流が岐路１と岐路２で等しくなるように、信号電流の信号バイアス電流を考慮して電流源２３３、２２３の電流を設定する。また、電流源２３３、２２３のバイアス電流を変えることによりＱを調整することもできる。

次に、形態３を図３により説明する。
図３は、直列共振手段３１０の共振周波数ｆ０の周波数成分をもつ信号電流だけを取り出す、バンドパスフィルタである。
入力信号電流を電流ミラー手段３３０の端子３０１に入力し、端子３０２と端子３０３へ入力信号電流を供給する。端子３０２の信号電流は、上述した基本形態１のフィルタ３４０に入力し、共振周波数ｆ０の周波数成分の信号電流だけが減衰した信号電流を取り出す。それを端子３０３にて入力信号電流から減算すると、共振周波数ｆ０以外の周波数成分の信号電流は相殺されてなくなり、端子３０３の信号電流は共振周波数ｆ０の周波数成分をもつ信号電流だけが残ったものとなる。それを電流ミラー手段３５０によって、出力電流として端子３０４から取り出す。

次に、形態４を図４により説明する。
図４は、形態３の電流ミラー手段３５０を、上述した基本形態２のフィルタで置換したものである。これも、形態３と同様に、共振周波数ｆ０の周波数成分をもつ信号電流だけを取り出す、バンドパスフィルタである。
上記の形態３の説明と同様にして、端子４０３にて入力信号電流から共振周波数ｆ０以外の周波数成分の信号電流を減算し、共振周波数ｆ０の周波数成分の信号電流を得る。しかし、現実にはＱはそれほど大きくはないので、共振周波数ｆ０以外の周波数成分の信号電流も含まれている。そこで、さらに基本形態２のフィルタ４５０により、直列共振手段４６０の共振周波数ｆ０の周波数成分の信号電流だけを取り出し、それを端子４０４へ出力する。この結果、形態４は形態３を２段カスケード接続したものよりもフィルタ全体のＱは改善される。

図３、図４は、実施例を兼ねているので、図３、図４を詳細に説明する。
図３、図４の電流源３９１、４９１は、信号電流に信号直流バイアス電流を与えるための電流源である。
図４のバンドパスフィルタの全体としての通過利得（共振周波数ｆ０の周波数成分の利得）は、すべてのトランジスタサイズが同じであるとすると基本形態２のフィルタ部分４５０で６ｄＢ減少する。通過利得を１（０ｄＢ）にするには、例えば、電流ミラーをなすトランジスタ対４７１と４７２のサイズ比率を１対２にして２倍の利得をもたせればよい。その場合、信号直流バイアス電流も２倍になるので、その増加分を電流源４９２で相殺する。
Ｑを調整するには、直列共振手段と直列に低抵抗を挿入したり、ダイオード接続されたトランジスタに与えるバイアス電流を変えることにより、可能である。
また、バンドパスフィルタの全体としてのＱを大きくするには、形態３または形態４をカスケード接続すればよい。
また、形態３、形態４の中の基本形態１のフィルタ部分３４０、４４０を、基本形態２のフィルタで置換することができる。特に、形態４においてその置換を行い、基本形態２のフィルタ部分において反対のフィルタ特性を出力するようにしてやると、バンドエリミネーションフィルタとなる。
図３（形態３）と図４（形態４）のアクティブ・フィルタのシミュレーション特性例を図５に示す。

上記の実施例においては、バイポーラトランジスタを用いているが、その他の種類のトランジスタを用いることもできる。入力電流または出力電流の方向は、入力または出力に電流ミラーを追加することにより、容易に変更できる。また、トランジスタを相補のトランジスタに換えて電源を逆にすることによっても、電流の方向を変えることができる。電流ミラーの構成として、カスコード型やウィルソン型のような電流ミラー回路を用いることもできる。

発明の効果

本発明のアクティブ・フィルタは、電流モードの信号処理と直列共振とを利用しているので、帰還をかけずにＱを大きくすることができ、その結果、高周波特性や過渡応答特性に優れている。また、フィルタの通過利得を１にすることが容易に行える。

本発明のアクティブ・フィルタの基本回路である。本発明のアクティブ・フィルタの基本回路である。本発明のバンドパスフィルタの一実施例である。本発明のバンドパスフィルタの一実施例である。本発明のアクティブ・フィルタのシミュレーション特性例である。

符号の説明

１１０、２１０、３１０、４１０、４６０直列共振手段
１２０、３３０、３２０、３５０、４３０、４２０電流ミラー手段
２３３、２２３、３９１、４９１、４９２電流源

Claims

入力信号電流を入力する第一端子（１０１）と、前記第一端子に接続され電流を入力するインダクタンスとキャパシタンスからなる第一直列共振手段（１１０）と、前記第一端子に接続され電流を入力し出力信号電流を出力する電流ミラー手段（１２０）と、から構成され、
第一直列共振手段の共振周波数以外の周波数成分をもつ信号電流を取り出すことができるようにしたことを特徴とする、アクティブ・フィルタ。
入力信号電流を入力する第一端子（２０１）と、前記第一端子に接続され電流を入力するインダクタンスとキャパシタンスからなる第一直列共振手段（２１０）と、前記第一直列共振手段に接続された第一ダイオードもしくはダイオード接続された第一トランジスタ（２３１）と、前記第一ダイオードもしくは第一トランジスタにバイアス電流を与える第一電流源（２３３）と、前記第一端子に接続された第二ダイオードもしくはダイオード接続された第二トランジスタ（２２１）と、前記第二ダイオードもしくは第二トランジスタにバイアス電流を与える第二電流源（２２３）と、前記第一トランジスタまたは前記第二トランジスタと電流ミラー対をなす第三トランジスタ（２３２）もしくは第四トランジスタ（２２２）と、出力電流を出力をする第二端子（２０３）もしくは第三端子（２０２）と、から構成され、
第一直列共振手段の共振周波数付近の周波数成分をもつ信号電流、もしくは第一直列共振手段の共振周波数以外の周波数成分をもつ信号電流、もしくは両方の信号電流、を取り出すことができるようにしたことを特徴とする、アクティブ・フィルタ。
入力信号電流を入力する第一端子（３０１）と、前記第一端子から電流を入力し第二端子（３０２）と第三端子（３０３）へ電流を出力する第一電流ミラー手段（３３０）と、前記第二端子から電流を入力しインダクタンスとキャパシタンスからなる第一直列共振手段（３１０）と、前記第二端子から電流を入力し前記第三端子へ電流を出力する第二電流ミラー手段（３２０）と、前記第三端子から電流を入力し第四端子（３０４）へ電流を出力する第三電流ミラー手段（３５０）と、から構成され、
入力信号電流から前記第一直列共振手段の共振周波数以外の信号電流を前記第三端子にて減算することによって共振周波数付近の周波数成分をもつ信号電流を出力することができるようにしたことを特徴とする、アクティブ・フィルタ。
入力信号電流を入力する第一端子（４０１）と、前記第一端子から電流を入力し第二端子（４０２）と第三端子（４０３）へ電流を出力する第一電流ミラー手段（４３０）と、前記第二端子から電流を入力しインダクタンスとキャパシタンスからなる第一直列共振手段（４１０）と、前記第二端子から電流を入力し前記第三端子へ電流を出力する第二電流ミラー手段（４２０）と、前記第三端子から電流を入力し第四端子（４０４）へ電流を出力する第一アクティブ・フィルタ手段（４５０）と、から構成され、第一アクティブ・フィルタ手段は前記請求項２のアクティブ・フィルタであって、
フィルタの全体としてのＱを改善することができるようにしたことを特徴とする、アクティブ・フィルタ。