JP4768426B2

JP4768426B2 - フィルタの自動調整装置

Info

Publication number: JP4768426B2
Application number: JP2005357302A
Authority: JP
Inventors: 和久石黒
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: WO2007069359A1; TW200729974A; US20090128259A1; CN101366178A; US7812685B2; JP2007166054A

Description

本発明はフィルタの自動調整装置に関し、特に、入力信号に対して所定のフィルタリング処理を行うフィルタ回路の周波数特性を自動的に調整可能な装置に用いて好適なものである。

一般に、無線通信機に用いられるＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などのフィルタ回路は、周波数特性において非常に高い精度が要求される。そこで、フィルタ回路をＩＣ（集積回路）に内蔵する場合に、素子のバラツキに起因する抵抗値や容量値のずれによって周波数特性が所望の特性からずれてしまうことを防止するために、フィルタの自動調整装置が用いられている。

フィルタの自動調整装置は、入力信号に対して本来のフィルタリング処理を行うフィルタ回路（メインフィルタ）の他に、ダミーのフィルタ回路（ダミーフィルタ）を設けて構成する（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１ではダミーフィルタをＢＰＦで構成しているが、２次のＬＰＦ（ローパスフィルタ）で構成されたＶＣＦ（Voltage Controlled Filter）をダミーフィルタとして用いたものも存在する。
特開平９−９８４４６号公報

図５は、従来のフィルタの自動調整装置を示す図である。図５において、１０１はメインフィルタであり、入力信号に対して本来のフィルタリング処理を行うものである。１０２はダミーフィルタであり、基準周波数の基準信号Ｆｒに対してフィルタリング処理を行う。このダミーフィルタ１０２は、メインフィルタ１０１と同じ形式で構成されている。例えば、メインフィルタ１０１がバターワースのフィルタならダミーフィルタ１０２もバターワースのフィルタで構成し、メインフィルタ１０１がチェビシェフのフィルタならダミーフィルタ１０２もチェビシェフのフィルタで構成する。

１０３は位相比較器であり、基準信号Ｆｒとダミーフィルタ１０２から出力される信号との位相差を検出し、その位相差に応じた位相エラー信号を出力する。一般に２次のフィルタは、入力周波数の変化に応じて出力信号の位相が０度から１８０度まで変化する。ダミーフィルタ１０２には２次のフィルタが使用されるため、ダミーフィルタ１０２のカットオフ周波数が所望値からずれていなければ（理想状態であれば）、位相比較器１０３の出力は位相差が９０度ずれた状態で収束する。しかし、素子のバラツキ等によってダミーフィルタ１０２のカットオフ周波数が所望値からずれると、位相比較器１０３の出力の位相差は９０度＋Δθとなる。位相比較器１０３は、このズレΔθに相当する誤差位相分の位相エラー信号を出力する。

１０４はループフィルタであり、抵抗ＲおよびコンデンサＣの並列回路により構成されている。このループフィルタ１０４は、位相比較器１０３より出力される位相エラー信号に基づいてコンデンサＣの電荷を充放電することにより、位相比較器１０３にて検出された誤差位相分に比例した信号を出力する。１０５はオペアンプであり、ループ利得を上げる目的でループフィルタ１０４とダミーフィルタ１０２との間に挿入されている。ループフィルタ１０４より出力された信号は、オペアンプ１０５を介して、ダミーフィルタ１０２の制御電圧としてダミーフィルタ１０２にフィードバックされる。

以上のように、基準周波数の基準信号Ｆｒをダミーフィルタ１０２と位相比較器１０３とに入力するとともに、ダミーフィルタ１０２の出力を位相比較器１０３に入力する。そして、位相比較器１０３の出力を、ループフィルタ１０４およびオペアンプ１０５を介してダミーフィルタ１０２の制御電圧として入力することにより、ダミーフィルタ１０２の自動調整を行っている。すなわち、素子のバラツキ等によってダミーフィルタ１０２のカットオフ周波数が所望値からずれても（位相比較器１０３の出力の位相差が９０度からずれても）、位相比較器１０３から出力される位相エラー信号を利用した制御ループによって位相差が９０度となるように調整される。

上述のように、メインフィルタ１０１はダミーフィルタ１０２と同じ形式で構成されている。これにより、ダミーフィルタ１０２の制御電圧をメインフィルタ１０１の制御電圧としても入力することにより、メインフィルタ１０１の自動調整も行うことが可能である。すなわち、素子のバラツキ等によってメインフィルタ１０１のカットオフ周波数が所望値からずれても（出力信号の位相が９０度からずれても）、位相比較器１０３から出力される位相エラー信号によって、メインフィルタ１０１の出力信号の位相が９０度となるように調整される。

しかしながら、一般に、ダミーフィルタ１０２の次数とメインフィルタ１０１の次数は異なるため、ダミーフィルタ１０２を用いて生成した制御電圧をそのままメインフィルタ１０１に印加しても、メインフィルタ１０１の周波数特性を正しく調整することができないという問題があった。また、電源電圧や周囲の環境温度が変動すると、ダミーフィルタ１０２の制御電圧が所望値からずれてしまい、メインフィルタ１０１の周波数特性の調整を正確に行うことができなくなってしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、ダミーフィルタの次数とメインフィルタの次数とが異なっていても、メインフィルタの周波数特性を所望の特性に調整することができるようにすることを目的とする。
また、本発明は、電源電圧や環境温度の変動があっても、メインフィルタの周波数特性を所望の特性に調整することができるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のフィルタの自動調整装置では、ダミーフィルタの制御電圧を出力する第１のオペアンプとメインフィルタとの間にインタフェース回路として第２のオペアンプを配置し、第２のオペアンプの基準電圧を最適化する。すなわち、メインフィルタについて所望の周波数特性を得るのに必要な上記メインフィルタの制御電圧の理想値と、ダミーフィルタについて所望の周波数特性を得るのに必要な上記ダミーフィルタの制御電圧の理想値との差に等しい値の電圧を、第２のオペアンプの基準電圧として供給する。

また、本発明のフィルタの自動調整装置は、周囲の環境温度や電源電圧の変化に依存して第２のオペアンプの基準電圧が変動するようにする。具体的には、電源電圧に従って動作するＭＯＳダイオードと、ＭＯＳダイオードのしきい値電圧を抵抗比に応じて分圧することによって基準電圧を生成する第２の分圧用抵抗とを備える。

上記のように構成した本発明によれば、メインフィルタの次数とダミーフィルタの次数とが異なっていても、ダミーフィルタを用いて求められた制御電圧がインタフェース回路によってメインフィルタに最適な制御電圧に変換されることとなる。これにより、メインフィルタの周波数特性を所望の特性に調整するのに必要な制御電圧を得ることができ、メインフィルタに関してほぼ理想に近い所望の周波数特性を得ることができるようになる。

本発明の他の特徴によれば、メインフィルタの制御電圧を出力する第２のオペアンプに入力される基準電圧が、周囲の環境温度や電源電圧の変動に依存して変化するようになる。これにより、環境温度や電源電圧の変動があっても、メインフィルタの周波数特性を所望の特性に調整するのに必要な最適な制御電圧を得ることができ、メインフィルタに関してほぼ理想に近い所望の周波数特性を得ることができるようになる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態によるフィルタの自動調整装置の構成例を示す図である。図１において、１はメインフィルタであり、入力端子ＩＮより入力される信号に対して本来のフィルタリング処理を行い、その結果を出力端子ＯＵＴより出力する。このメインフィルタ１は、例えば高次のＬＰＦ、ＨＰＦ、ＢＰＦ、ＢＥＦにより構成される。

２はダミーフィルタであり、例えば２次のＬＰＦにより構成され、基準周波数の基準信号Ｆｒに対してフィルタリング処理を行う。このダミーフィルタ１０２は、メインフィルタ１と同じ形式で構成されている。例えば、メインフィルタ１がバターワースのフィルタならダミーフィルタ２もバターワースのフィルタで構成し、メインフィルタ１がチェビシェフのフィルタならダミーフィルタ２もチェビシェフのフィルタで構成する。

３は位相比較器であり、基準周波数の基準信号Ｆｒとダミーフィルタ２から出力される信号との位相差を検出し、その位相差に応じた位相エラー信号を出力する。ダミーフィルタ２は２次のフィルタで構成されているため、入力周波数の変化に応じて出力信号の位相は０度から１８０度まで変化する。よって、ダミーフィルタ２のカットオフ周波数が所望値からずれていなければ、位相比較器３の出力は位相差が９０度ずれた状態で収束する。ところが、素子のバラツキ等によってダミーフィルタ２のカットオフ周波数が所望値からずれると、位相比較器３の出力の位相差は９０度＋Δθとなる。位相比較器３は、このズレΔθに相当する誤差位相分の位相エラー信号を出力する。

４はループフィルタであり、抵抗ＲａおよびコンデンサＣａの並列回路により構成されている。このループフィルタ４は、位相比較器３より出力される位相エラー信号に基づいてコンデンサＣａの電荷を充放電することにより、位相比較器３にて検出された誤差位相分に比例した信号を出力する。

５は第１のオペアンプであり、ループ利得を上げる目的でループフィルタ４とダミーフィルタ２との間に挿入されている。ループフィルタ４より出力された信号は、第１のオペアンプ５のプラス入力端子に入力される。一方、第１のオペアンプ５のマイナス入力端子には、抵抗Ｒ１を介してバイアス電圧ＶＢが入力されるとともに、第１のオペアンプ５の出力が抵抗Ｒ２を介して負帰還入力されている。第１のオペアンプ５は、ループフィルタ４より入力した信号を増幅し、その出力信号をダミーフィルタ２の制御電圧Ｖcdとしてダミーフィルタ２にフィードバックする。

以上のように、本実施形態では、基準周波数の基準信号Ｆｒをダミーフィルタ２と位相比較器３とに入力するとともに、ダミーフィルタ２の出力を位相比較器３に入力する。そして、位相比較器３の出力を、ループフィルタ４および第１のオペアンプ５を介してダミーフィルタ２に制御電圧Ｖcdとして入力することにより、ダミーフィルタ２の自動調整を行っている。すなわち、素子のバラツキ等によってダミーフィルタ２のカットオフ周波数が所望値からずれても（位相比較器３の出力の位相差が９０度からずれても）、位相比較器３から出力される位相エラー信号によって位相差が９０度となるように調整される。

ここで、ダミーフィルタ２の制御電圧Ｖcdの収束値は、電源電圧の変動により変化する。そこで、本実施形態では、第１のオペアンプ５のマイナス入力端子に入力するバイアス電圧ＶＢを、周囲の環境温度が常温（２５℃）で、ダミーフィルタ２の素子のバラツキが無く、電源電圧も推奨値通りのときにおける制御電圧Ｖcdの収束値と等しくなるように設定する。また、図２に示すような回路を用いて、バイアス電圧ＶＢを電源電圧ＶＤＤに依存させる。

図２は、バイアス電圧ＶＢの発生回路の構成例を示す図である。図２に示すように、本実施形態のバイアス電圧発生回路は、抵抗Ｒ７，Ｒ８（本発明の第１の分圧用抵抗に相当する）と第３のオペアンプ１１とを備えて構成されている。抵抗Ｒ７，Ｒ８は、電源とグランドとの間に直列に接続され、電源電圧ＶＤＤを抵抗比に応じた電圧値に分圧する。第３のオペアンプ１１は、電源電圧ＶＤＤの分圧値をプラス入力端子に入力するとともに、自身の出力であるバイアス電圧ＶＢをマイナス入力端子に負帰還入力している。このようにバイアス電圧発生回路を構成することにより、第１のオペアンプ５のマイナス入力端子に入力するバイアス電圧ＶＢは、電源電圧ＶＤＤの変動に伴って変化する。

また、本実施形態では、第１のオペアンプ５とメインフィルタ１との間にインタフェース回路６を設けている。このインタフェース回路６は、抵抗Ｒ３，Ｒ４と第２のオペアンプ７と抵抗Ｒ５，Ｒ６とを備えて構成されている。抵抗Ｒ３，Ｒ４は、第１のオペアンプ５の出力端子とグランドとの間に直列に接続され、第１のオペアンプ５より出力されるダミーフィルタ２の制御電圧Ｖcdを抵抗比に応じた電圧値に分圧する。

第２のオペアンプ７は、制御電圧Ｖcdの分圧値をプラス入力端子に入力するとともに、自身の出力であるメインフィルタ１の制御電圧Ｖcmを、抵抗Ｒ６を介して自身のマイナス入力端子に負帰還入力している。第２のオペアンプ７のマイナス入力端子には、抵抗Ｒ５を介して基準電圧Ｖｒも入力されている。以下、このように構成したインタフェース回路６について詳しく説明する。

上述のように、メインフィルタ１とダミーフィルタ２は、フィルタの形式を同じにしてある。これは、ダミーフィルタ２の制御点に得られた制御電圧Ｖcdをメインフィルタ１でも同様に使えるようにするための従来からの考え方である。しかし、ダミーフィルタ２は２次のフィルタであるのに対し、メインフィルタ１は次数が２次以上の高次フィルタであり、フィルタの次数が異なっている。この場合、ダミーフィルタ２の制御点に得られた制御電圧Ｖcdと、メインフィルタ１に必要な所望の制御電圧Ｖcmとは異なってくる。

そのために、本実施形態では、ダミーフィルタ２の制御点に得られた制御電圧Ｖcdを、メインフィルタ１に必要な所望の制御電圧Ｖcmに変換するためのインタフェース回路６を設けているのである。

また、周囲の環境温度が変化すると、自動調整によって得られるダミーフィルタ２の制御電圧Ｖcdと、メインフィルタ１において所望の周波数特性を得るのに必要な制御電圧Ｖcmとが変動し、両制御電圧の差の大きさにも違いが出てくる。次に示す表１は、このことを示している。

表１において、Ｖcd１〜Ｖcd３は、異なる温度条件下において自動調整によって得られるダミーフィルタ２の制御電圧Ｖcdの値を示している。また、Ｖcm１〜Ｖcm３は、異なる温度条件下においてメインフィルタ１の所望の周波数特性を得るのに必要な制御電圧Ｖcmの値（シミュレーションにより求めた値）を示している。

この表１に示すように、ダミーフィルタ２の制御電圧Ｖcdとメインフィルタ１の制御電圧Ｖcmとの差の大きさは周囲の環境温度に依存して変化する。したがって、インタフェース回路６を単純なレベルシフタ回路で構成したのでは、ある特定の温度条件下で好ましい制御電圧Ｖcmが得られるだけで、様々な温度条件下で好ましい制御電圧Ｖcmを得ることはできない。

そこで、本実施形態では上述したように、第１のオペアンプ５とメインフィルタ１との間のインタフェース回路６に第２のオペアンプ７を配置し、第２のオペアンプ７の基準電圧Ｖｒを最適化することにより、所望の制御電圧Ｖcmを得る。具体的には、周囲の環境温度が常温（２５℃）で、電源電圧ＶＤＤが推奨値の下でのシミュレーション結果から、ダミーフィルタ２の最適な制御電圧Ｖcdとメインフィルタ１の最適な制御電圧Ｖcm（共に本発明の理想値に相当する）を求める。そして、Ｖcd−Ｖcm＝ΔＶと置き、ΔＶの基準電圧Ｖｒを持つ第２のオペアンプ７によってインタフェース回路６を構成することにより、メインフィルタ１の最適な制御電圧Ｖcmを生成する。

上述の表１から、環境温度が常温（２５℃）の下では、ダミーフィルタ２を用いた制御ループで得られるダミーフィルタ２の制御電圧はＶcd1で、メインフィルタ１の最適な制御電圧はＶcm1であることが分かる。ここで、Ｖcd1−Ｖcm1＝ΔＶ１とする。図１においてＲ３＝Ｒ４とし、第２のオペアンプ７の出力に得られる制御電圧をＶcm1とすると、当該制御電圧Ｖcm1は次の（式１）のように求められる。ただし、Ｒ５＝Ｒ６とする。

上記（式１）から、Ｖcd1−Ｖcm1＝Ｖｒが得られる。したがって、ΔＶ１の値を持つ基準電圧Ｖｒを作成することにより、メインフィルタ１の所望の制御電圧Ｖcm1を得ることができる。しかし、この値は常温（２５度）、推奨電源電圧での値である。そこで、環境変化等によりメインフィルタ１の周波数特性が変化してしまう問題を解決するため、周囲の環境温度や電源電圧ＶＤＤ等の変化に依存して第２のオペアンプ５の基準電圧Ｖｒが変動するようにする。

そのために基準電圧発生回路を、例えば図３のように構成する。図３に示すように、本実施形態の基準電圧発生回路は、電源電圧ＶＤＤの電源に接続された定電流回路２１と、当該定電流回路２１に接続されたＭＯＳダイオード２２と、抵抗Ｒ９，Ｒ１０（本発明の第２の分圧用抵抗に相当する）とにより構成されている。ＭＯＳダイオード２２は、そのドレインとゲートとが接続されている。抵抗Ｒ９，Ｒ１０は、ＭＯＳダイオード２２のしきい値電圧Ｖthを抵抗比に応じて分圧することにより、基準電圧Ｖｒを生成する。ＭＯＳダイオード２２のしきい値電圧Ｖthは環境温度に依存して変化するので、基準電圧Ｖｒにも温度依存性を持たせることができる。また、この基準電圧Ｖｒは電源電圧ＶＤＤから作っているので、基準電圧Ｖｒに電源電圧依存性を持たせることもできる。

図４Ａ〜図４Ｆは、以上のように構成したフィルタの自動調整装置を用いて、次の表２に示す様々な条件でシミュレーションした結果を示す周波数特性図である。なお、ここでは、メインフィルタ１の構成を以下の通りとして、１６次のＢＰＦをＧｍ−Ｃフィルタで実現したときの制御特性を示している。表２に示す６番目の条件は、電源電圧ＶＤＤと環境温度の条件が１番目の条件と同じで、Ｇｍ−ＣフィルタのコンデンサＣの値を変えたものである。
＜メインフィルタ１の構成＞
入力ＢＰＦ：２次ＢＰＦを２段接続
ＢＰＦ：上側４次、下側４次
出力ＢＰＦ：２次ＢＰＦを２段接続

この表２および図４Ａ〜図４Ｆから分かるように、電源電圧ＶＤＤの値や環境温度によらず、メインフィルタ１であるＢＰＦの中心周波数は理想値の５０ＫＨｚから殆どずれておらず、理想値からの偏差はほんの僅かである。このように、本実施形態によれば、ダミーフィルタ２の次数とメインフィルタ１の次数とが異なっていても、また、電源電圧ＶＤＤや周囲の環境温度の変動があっても、メインフィルタ１の周波数特性を所望の特性に調整するのに必要な所望の制御電圧Ｖcmを得ることができ、ほぼ理想に近い所望の周波数特性を得ることができる。

なお、上記実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、ダミーフィルタを用いて、入力信号に対して所定のフィルタリング処理を行うメインフィルタの周波数特性を調整する装置に有用である。

本実施形態によるフィルタの自動調整装置の構成例を示す図である。本実施形態によるバイアス電圧発生回路の構成例を示す図である。本実施形態による基準電圧発生回路の構成例を示す図である。本実施形態によるフィルタの自動調整装置を用いてシミュレーションした結果を示す周波数特性図である。本実施形態によるフィルタの自動調整装置を用いてシミュレーションした結果を示す周波数特性図である。本実施形態によるフィルタの自動調整装置を用いてシミュレーションした結果を示す周波数特性図である。本実施形態によるフィルタの自動調整装置を用いてシミュレーションした結果を示す周波数特性図である。本実施形態によるフィルタの自動調整装置を用いてシミュレーションした結果を示す周波数特性図である。本実施形態によるフィルタの自動調整装置を用いてシミュレーションした結果を示す周波数特性図である。従来のフィルタの自動調整装置を示す図である。

符号の説明

１メインフィルタ
２ダミーフィルタ
３位相比較器
４ループフィルタ
５第１のオペアンプ
６インタフェース回路
７第２のオペアンプ
１１第３のオペアンプ
２１定電流回路
２２ＭＯＳダイオード
Ｒ７，Ｒ８第１の分圧用抵抗
Ｒ９，Ｒ１０第２の分圧用抵抗

Claims

入力信号に対して本来のフィルタリング処理を行うメインフィルタと、
上記メインフィルタと同じ形式で構成されたダミーフィルタと、
上記ダミーフィルタの制御電圧を生成する制御ループの利得を上げるために設けられた第１のオペアンプと、
上記第１のオペアンプより出力される上記ダミーフィルタの制御電圧を変換して上記メインフィルタの制御電圧を生成するインタフェース回路とを備え、
上記インタフェース回路は第２のオペアンプと、
上記メインフィルタについて所望の周波数特性を得るのに必要な上記メインフィルタの制御電圧の理想値と上記ダミーフィルタについて所望の周波数特性を得るのに必要な上記ダミーフィルタの制御電圧の理想値との差に等しい値の電圧を、上記第２のオペアンプの基準電圧として発生させて上記第２のオペアンプに供給する基準電圧発生回路と、を備えるフィルタの自動調整装置であって、
上記基準電圧発生回路は、電源に接続された定電流回路と、上記定電流回路に接続され、そのドレインとゲートとが接続されたＭＯＳダイオードと、上記ＭＯＳダイオードのしきい値電圧を抵抗比に応じて分圧し、その分圧した電圧を上記基準電圧として出力する第２の分圧用抵抗とを備えることを特徴とするフィルタの自動調整装置。