JP5554464B2

JP5554464B2 - フィルタ装置

Info

Publication number: JP5554464B2
Application number: JP2006105974A
Authority: JP
Inventors: 昭彦松岡; 謙太郎宮野; 克明安倍
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: US20090051422A1; JP2009147401A; US7664811B2; WO2007116974A1

Description

本発明は、サンプリング処理により離散時間化された信号を、キャパシタなどの容量性負荷を用いて帯域制限する、フィルタ装置に関する。

現在、ディジタル信号処理技術の進展に伴い、高周波信号をディジタル信号処理する回路方式の検討が進められている。スイッチドキャパシタを用いた受信信号の離散信号処理技術も、一例としてあげられるが、サンプリングしながら帯域制限を行うフィルタ機能を持つ信号処理技術も、一手法として提案されている。従来のフィルタ装置としては、サンプリング信号を電流に変換する電圧電流変換部と、複数のスイッチドキャパシタを持つキャパシタセットを含み、サンプリング信号を定められた順序によってキャパシタにチャージし、複数のキャパシタからまとめて電荷を抽出することによって、サンプリングダウンによるミキサ効果と、複数のキャパシタをまとめる平均化によるフィルタ効果を作用として有するものがあった（例えば、特許文献１参照）。図６は前記特許文献１に記載された従来のフィルタ装置を示すものである。

図６において、従来のフィルタ装置は、サンプリングした受信信号２０を電流に変換した信号２１を、タイミング制御を行うＤＣＵ３４からの制御信号３１、３２、３３により制御されるスイッチを介して、あらかじめ定めた順番にキャパシタＣにチャージする。チャージした複数の電荷をまとめて取り出し、電圧変換して出力信号２６を得る。

まとめて電荷を取り出す複数のキャパシタの容量比を変更することによって、フィルタ係数の重み付けを変更することが可能で、単純なデシメーションフィルタとは異なる特性のフィルタ効果を得ることができる。
米国特許出願公開第２００３／００５００２７号明細書（図５）

しかしながら、前記従来の構成では、キャパシタの容量比によってフィルタ特性を制御する構成のため、フィルタの重み付け係数として負の係数を設定することができず、急峻な特性を持つフィルタを少ないキャパシタ数で実現することが困難であるという課題を有していた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、チャージ時と取り出し時のキャパシタの電荷の極性を制御することによって、フィルタの重み付け係数として負の係数を実現し、周波数特性を改善したフィルタ装置を提供することを目的とする。

本発明のフィルタ装置は、ＲＦ信号を電流変換するＲＦ変換部と、電流を電荷として蓄える複数のサンプリングキャパシタと、前記複数のサンプリングキャパシタから電圧を読み出す読み出し部と、前記複数のサンプリングキャパシタの各々の一方の端子を前記読み出し部に接続する複数の正極性読み出し選択スイッチと、前記複数のサンプリングキャパシタの各々の他方の端子を前記読み出し部に接続する複数の負極性読み出し選択スイッチと、前記複数のサンプリングキャパシタの各々の前記一方の端子を共通グランドに接続する複数の負極性グランド接続スイッチと、前記複数のサンプリングキャパシタの各々の前記他方の端子を共通グランドに接続する複数の正極性グランド接続スイッチと、前記各スイッチに制御信号を出力して該各スイッチの動作タイミングを制御するタイミング制御部と、を備え、前記複数のサンプリングキャパシタは、同じ個数の複数のサンプリングキャパシタから構成されるサンプリングキャパシタセットを複数個備えるものであり、前記各サンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの容量の組み合わせが等しく、前記サンプリングキャパシタセットの個数は、一つのサンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの個数より一つ多い構成を採る。

上記構成により、スイッチを制御することによって電荷を蓄えるサンプリングキャパシタの極性を自由に制御することが可能であり、フィルタ係数として負の係数を設定することが可能となるため、フィルタ特性の改善を行うことができる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、複数個の前記サンプリングキャパシタから構成されるサンプリングキャパシタセットに分け、前記電荷の蓄積は、前記サンプリングキャパシタセット毎に行うものとする。

上記構成のように、各サンプリング時刻の信号を複数キャパシタに蓄えておくことによって、たたみ込みフィルタのように、同一時刻のサンプリング信号を複数回必要とする構成のフィルタを実現することが可能となる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットは、サンプリングキャパシタの合計容量が等しいものとする。

上記構成により電流源から見た負荷を一定に保つことができる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットは、同じ個数のサンプリングキャパシタで構成されているものとする。

上記構成によりスイッチ制御の複雑度を抑圧することができる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットは、同じ容量のサンプリングキャパシタで構成されているものとする。

上記構成によりサンプリングキャパシタの設計が容易になる。また、使用するサンプリングキャパシタを選別することによってばらつきに対する許容量が増大する。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットは、同じ容量のサンプリングキャパシタを、同じ個数用いて構成されているものとする。

上記構成によりサンプリングキャパシタのセットがすべて等しくなり設計が容易になる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットの個数は、一つのサンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの個数より一つ多いものとする。

上記構成によりサンプリングキャパシタのセットに対する電荷の蓄積と取り出しが同時に発生することを回避できる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの個数は、ＦＩＲフィルタのタップ数であるものとする。

上記構成によりＦＩＲフィルタを容易に構成することができる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの容量比は、ＦＩＲフィルタのタップ係数の重み付け係数比の絶対値と等しいものとする。

上記構成とし、サンプリングキャパシタの極性を制御することによって、任意の重み付け係数を持つＦＩＲフィルタを容易に実現することができる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、一度の読み出しで複数のサンプリングキャパシタから読み出し、かつ、蓄積時と読み出し時とで選択する複数のサンプリングキャパシタの組み合わせが異なるものとする。

上記構成により、異なる時刻に蓄えた電荷をまとめて取り出すことが可能となる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、一度の読み出しで選択される複数のサンプリングキャパシタは、電荷を蓄積済みのサンプリングキャパシタセット毎に一つずつであるものとする。

上記構成により、異なる時刻にそれぞれの重み付け係数を乗算して蓄えた電荷をまとめて取り出し、ＦＩＲフィルタを実現することが可能となる。

本発明のフィルタ装置は、前記グランド接続スイッチと読み出し選択スイッチを制御するタイミング制御部５を、更に、備えるものである。

上記構成により、スイッチを制御することによって電荷を蓄えるサンプリングキャパシタの極性をタイミング制御部からの信号によって自由に制御することが可能であり、フィルタ係数として負の係数を設定することが可能となるため、フィルタ特性の改善を行うことができる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、一度の電荷の蓄積で対象とする前記サンプリングキャパシタセットを構成するサンプリングキャパシタの個数がＦＩＲフィルタのタップ数と等しく、当該サンプリングキャパシタの容量比が、ＦＩＲフィルタの重み付け係数比の絶対値と等しく、前記サンプリングキャパシタセットの個数がＦＩＲフィルタのタップ数より一つ多いものとする。

上記構成とし、サンプリングキャパシタの極性をタイミング制御部からの信号によって制御することで、任意の重み付け係数を持つＦＩＲフィルタを容易に実現することができる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、一度の読み出しで対象とする複数のサンプリングキャパシタの個数がＦＩＲフィルタのタップ数と等しく、電荷蓄積中のサンプリングキャパシタセット以外から一つずつ選択されるものとする。

上記構成により、異なる時刻にそれぞれの重み付け係数を乗算して蓄えた電荷をまとめて取り出しＦＩＲフィルタを実現することが可能となる。

また、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記グランド接続スイッチと及び前記読み出し選択スイッチの少なくとも一つが、ＭＥＭＳスイッチであるものとする。

上記構成により、スイッチの小型低損失化を実現しより特性の優れたフィルタを実現することが可能となる。

本発明によれば、フィルタの係数として負の重み付け係数を実現することができ、より急峻で自由度の高い特性を持つフィルタ装置を提供できる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線受信装置の構成図である。

第１の実施形態の無線受信装置は、無線通信を行うアンテナ１と、電圧電流変換部２と、サンプリングフィルタ部３と、電圧読み取り部４と、タイミング制御部５とを備えており、タイミング制御部５からの制御信号によって、サンプリングフィルタ部３内部のスイッチの動作を制御し、所望のサンプリングおよびフィルタ動作を実現している。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るサンプリングフィルタ部３の内部構成を示した図である。サンプリングフィルタ部３は、サンプリングスイッチ１１、書き込みキャパシタ選択スイッチ１２１１〜１２５４、正極性選択スイッチ１３１１〜１３５４、負極性選択スイッチ１４１１〜１４５４、反転回路１５１１〜１５５４、サンプリングキャパシタ１６１１〜１６５４、正極性読み出しスイッチ１７１１〜１７５４、負極性読み出しスイッチ１８１１〜１８５４、電荷読み出しスイッチ１９によって構成されている。各スイッチの動作はタイミング制御部５からの制御信号に基づいて制御されている。

ここで、電荷読み出しスイッチ１９及び電圧読み取り部４を用いて、サンプリングキャパシタ１６１１〜１６５４から電流を電圧に変換して読み出す。

以下、具体的な例として、タップ数が４、タップ１とタップ４の係数が負であるＦＩＲフィルタを実現する場合の動作について説明する。

サンプリングキャパシタ１６１１〜１６５４は、容量比がＦＩＲフィルタのタップ係数の絶対値の比と同じとなる５つのサンプリングキャパシタセットで構成され、サンプリングキャパシタ１６１１−１６１４で第１のサンプリングキャパシタセットを構成し、同様に、サンプリングキャパシタ１６２１−１６２４、サンプリングキャパシタ１６３１−１６３４、サンプリングキャパシタ１６４１−１６４４、サンプリングキャパシタ１６５１−１６５４で、第２から第５のサンプリングキャパシタセットを構成し、総キャパシタ数は２０である。

以上より、複数個のサンプリングキャパシタから構成されるサンプリングキャパシタセットに分け、電荷の蓄積は、サンプリングキャパシタセット毎に行うことにより、各サンプリング時刻の信号を複数キャパシタに蓄えておくことによって、たたみ込みフィルタのように、同一時刻のサンプリング信号を複数回必要とする構成のフィルタを実現することが可能となる。

また、サンプリングスイッチ１１と電荷読み出しスイッチ１９との動作周波数は同一とし、デシメーションは行わないものとする。

なお、本発明は、上記のフィルタ装置であって、前記サンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの個数は、ＦＩＲフィルタのタップ数であるものとすることで、ＦＩＲフィルタを容易に構成することができる。

また、サンプリングキャパシタセットを構成するサンプリングキャパシタの容量比は、ＦＩＲフィルタのタップ係数の重み付け係数比の絶対値と等しいものとすることで、サンプリングキャパシタの極性を制御することによって、任意の重み付け係数を持つＦＩＲフィルタを容易に実現することができる。

まず、電荷の書き込み、すなわち、電荷の蓄積の動作について説明する。サンプリング時刻１では、１番目のセットを構成する４つのサンプリングキャパシタ１６１１〜１６１４に電荷の書き込みが行われる。次のサンプリング時刻２では、図示しない２番目のセットを構成する４つのサンプリングキャパシタ１６２１〜１６２４に電荷の書き込みが行われる。以下、時刻が進むにつれて３番目から５番目のサンプリングキャパシタのセットに書き込みが行われる。５番目のサンプリングキャパシタのセットに書き込みを行った次の時刻では、１番目のサンプリングキャパシタのセットに書き込みが行われる。以降は同様にして、周期的にサンプリングキャパシタのセットに電荷の書き込みが行われていく。

次に、電荷の読み出し、すなわち、電荷の取り出しの動作について説明する。サンプリング時刻１では、書き込みを行っている1番目のセットを除く、４つのセットから、各時刻に応じたタップに相当するキャパシタが１ずつ選択されて電荷が読み出される。具体的には１時刻前に書き込まれた５番目のサンプリングキャパシタのセットからＦＩＲフィルタのタップ１にあたるキャパシタ１６５１、２時刻前に書き込まれた４番目のサンプリングキャパシタのセットからＦＩＲフィルタのタップ２にあたるキャパシタ１６４２、３時刻前に書き込まれた３番目のサンプリングキャパシタのセットからＦＩＲフィルタのタップ３にあたるキャパシタ１６３３、４時刻前に書き込まれた２番目のサンプリングキャパシタのセットからＦＩＲフィルタのタップ４にあたるキャパシタ１６２４が選択される。

ここでは、ＦＩＲフィルタのタップ番号の小さい方から入力信号が入力されるものとする。また、タップ１とタップ４の係数を負と設定しているため、キャパシタ１６２４と１６５１の読み出しは反転して行われる。

時刻２の読み出しも同様にして行われる。各サンプリング時刻における書き込みと読み出しを一覧表にまとめたものを図３に示す。以上のようにして、毎サンプリング時刻において、１つのサンプリングキャパシタのセットに書き込みが行われると同時に、残りのサンプリングキャパシタのセットから１ずつ選択されたキャパシタから読み出しが行われる。

以上より、サンプリングキャパシタセットの個数は、一つのサンプリングキャパシタセットを構成するサンプリングキャパシタの個数より一つ多いものとすることで、サンプリングキャパシタのセットに対する電荷の蓄積と取り出しとが、同時に発生することを回避できる。

また、上記構成により、異なる時刻に蓄えた電荷をまとめて取り出すことが可能となり、更に、異なる時刻にそれぞれの重み付け係数を乗算して蓄えた電荷をまとめて取り出し、ＦＩＲフィルタを実現することが可能となる。

次に、１番目のサンプリングキャパシタのセットのタップ１に当たるサンプリングキャパシタ１６１１に関連するスイッチ１２１１、１３１１、１４１１、１７１１、１８１１の制御信号を図４に示す。ここでは、図３に示されているように、キャパシタ１６１１からは、負極性の取り出しを行う。

このとき、時刻は図３と同一である。まず時刻１ではスイッチ１２１１が接続され、サンプリングキャパシタ１６１１に電荷が書き込まれる。次に時刻２でスイッチ１４１１、１８１１が接続され、スイッチ１３１１、１７１１が解放されて、サンプリングキャパシタ１６１１の電荷を反転して読み出す。なお、タップ数が４であるため、それより１だけ長い周期５で同一の動作が繰り返される。

上述した本実施形態の構成と手順によれば、書き込み時と読み出し時の電荷の極性を反転することができ、サンプリングフィルタ部３で実施されるタップ数４のＦＩＲフィルタのタップ１とタップ４に相当するサンプリングキャパシタ１６１１、１６１４の係数を負とすることが可能となる。

次に、タップ２に相当するサンプリングキャパシタ１６１２に関するスイッチ１２１２、１３１２、１４１２、１７１２、１８１２の制御信号を図５に示す。ここでは、図３に示されているように、キャパシタ１６１２からは、正極性の取り出しを行う。

このとき、時刻は図３と同一である。まず時刻１ではスイッチ１２１２が接続され、サンプリングキャパシタ１６１２に電荷が書き込まれる。次に時刻２でスイッチ１２１２が解放される。次に、時刻３で、スイッチ１７１２が接続されることで、サンプリングキャパシタ１６１２の電荷を読み出すことができる。

これにより、サンプリングフィルタ部３のフィルタ特性を急峻にすることが可能になり、高速離散時間処理に好適なフィルタ回路を実現することができる。

なお、本実施形態において、電荷の反転を読み出し時に行う構成としたが、書き込み時に反転する構成としてもよい。

また、タップ数４、タップ１とタップ４が負の重み付け係数を持つＦＩＲを例にして説明したが、タップ数または重み付け係数の正負は任意でよい。このとき、タップ数をＮとすると１つのサンプリングフィルタセットを構成するサンプリングフィルタ数はＮ個、サンプリングフィルタのセット数はＮ＋１セットにすればよい。これにより、異なる時刻にそれぞれの重み付け係数を乗算して蓄えた電荷をまとめて取り出しＦＩＲフィルタを実現することが可能となる。

また、デシメーションを行わない例について説明したが、デシメーション比を１に限定するものではない。

なお、デシメーション比をＮにした場合は、サンプリングフィルタ部への入力と出力の動作速度比が変わるため、Ｎ倍のキャパシタのセットで構成する必要がある。また、ＦＩＲフィルタの動作をさせる前に、デシメーションすることも可能である。

また、サンプリングキャパシタの極性をタイミング制御部からの信号によって制御することで、任意の重み付け係数を持つＦＩＲフィルタを容易に実現することができる。

なお、グランド接続スイッチと及び読み出し選択スイッチの少なくとも一つが、ＭＥＭＳスイッチで構成することにより、スイッチの小型低損失化を実現しより特性の優れたフィルタを実現することが可能となる。

また、サンプリングキャパシタセットは、サンプリングキャパシタの合計容量が等しいものとすることで、電流源から見た負荷を一定に保つことができる。

また、サンプリングキャパシタセットは、同じ個数のサンプリングキャパシタで構成されているものとすることで、スイッチ制御の複雑度を抑圧することができる。

また、サンプリングキャパシタセットは、同じ容量のサンプリングキャパシタで構成されているものとすることで、サンプリングキャパシタの設計が容易になる。また、使用するサンプリングキャパシタを選別することによって、ばらつきに対する許容量が増大する。

本発明は、共通グランドとサンプリングキャパシタの二つの端子のいずれかを接続するグランド接続スイッチと、読み出し部の入力とサンプリングキャパシタの二つの端子のいずれかを接続する読み出し選択スイッチを実装し、書き込み時と読み出し時の電荷の特性を反転し、負の重み付け係数を実現することによって、急峻で柔軟度の高い特性を持つスイッチドキャパシタを用いたフィルタ装置等に有用である。

本発明の実施形態に係る無線受信装置の構成図本発明の実施形態に係るフィルタ装置の構成図本発明の実施形態に係る書き込み読み出しのタイミングを示す図本発明の実施形態に係るタイミング制御信号を示す図本発明の実施形態に係るタイミング制御信号を示す図従来のフィルタ装置の構成図

符号の説明

１アンテナ
２電圧電流変換部
３サンプリングフィルタ部
４電圧読み取り部
５タイミング制御部
１１サンプリングスイッチ
１２１１〜１２１４，１２５４書き込みキャパシタ選択スイッチ
１３１１〜１３１４，１３５４正極性選択スイッチ
１４１１〜１４１４，１４５４負極性選択スイッチ
１５１１〜１５１４，１５５４反転回路
１６１１〜１６１４，１６５４サンプリングキャパシタ
１７１１〜１７１４，１７５４正極性読み出しスイッチ
１８１１〜１８１４，１８５４負極性読み出しスイッチ
１９電荷読み出しスイッチ

Claims

ＲＦ信号を電流変換するＲＦ変換部と、
電流を電荷として蓄える複数のサンプリングキャパシタと、
前記複数のサンプリングキャパシタから電圧を読み出す読み出し部と、
前記複数のサンプリングキャパシタの各々の一方の端子を前記読み出し部に接続する複数の正極性読み出し選択スイッチと、
前記複数のサンプリングキャパシタの各々の他方の端子を前記読み出し部に接続する複数の負極性読み出し選択スイッチと、
前記複数のサンプリングキャパシタの各々の前記一方の端子を共通グランドに接続する複数の負極性グランド接続スイッチと、
前記複数のサンプリングキャパシタの各々の前記他方の端子を共通グランドに接続する複数の正極性グランド接続スイッチと、
前記各スイッチに制御信号を出力して該各スイッチの動作タイミングを制御するタイミング制御部と、
を備え、
前記複数のサンプリングキャパシタは、同じ個数の複数のサンプリングキャパシタから構成されるサンプリングキャパシタセットを複数個備えるものであり、
前記各サンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの容量の組み合わせが等しく、
前記サンプリングキャパシタセットの個数は、一つのサンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの個数より一つ多い
フィルタ装置。
請求項１に記載のフィルタ装置であって、
前記サンプリングキャパシタセットは、同じ容量のサンプリングキャパシタを、同じ個数用いて構成されている
フィルタ装置。
請求項１記載のフィルタ装置であって、
前記サンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの個数は、ＦＩＲフィルタのタップ数である
フィルタ装置。
請求項１記載のフィルタ装置であって、
前記サンプリングキャパシタセットを構成する前記サンプリングキャパシタの容量比は、ＦＩＲフィルタのタップ係数の重み付け係数比の絶対値と等しい
フィルタ装置。
請求項１記載のフィルタ装置であって、
一度の読み出しで複数のサンプリングキャパシタから読み出し、かつ、蓄積時と読み出し時とで選択する複数のサンプリングキャパシタの組み合わせが異なる
フィルタ装置。
請求項５に記載のフィルタ装置であって、
一度の読み出しで選択される複数のサンプリングキャパシタは、電荷を蓄積済みのサンプリングキャパシタセット毎に一つずつである
フィルタ装置。
請求項１記載のフィルタ装置であって、
前記グランド接続スイッチと及び前記読み出し選択スイッチの少なくとも一つが、ＭＥＭＳスイッチである
フィルタ装置。
請求項１に記載のフィルタ装置であって、
前記タイミング制御部は、
前記サンプリングキャパシタから負極性の電荷を取り出す場合、
前記サンプリングキャパシタからの電荷読み出し時に、前記負極性グランド接続スイッチと前記負極性読み出し選択スイッチとをオン動作させる、
フィルタ装置。
請求項１に記載のフィルタ装置であって、
前記サンプリングキャパシタの前記一方の端子に接続された書き込みキャパシタ選択スイッチを、さらに具備し、
前記タイミング制御部は、
第１時刻において、前記正極性グランド接続スイッチと、前記書き込みキャパシタ選択スイッチとをオン動作させることで、前記サンプリングキャパシタの前記一方の端子側から前記サンプリングキャパシタに電荷を書き込み、
第２時刻において、前記負極性グランド接続スイッチと前記負極性読み出し選択スイッチとをオン動作させることで、前記サンプリングキャパシタの前記他方の端子側から負極性の電荷を取り出す、
フィルタ装置。