JP6695262B2 - 可変ローパスフィルタ回路 - Google Patents

Description

本発明は、可変ローパスフィルタ回路に関し、特に、小型化に適した可変減衰回路付きの可変ローパスフィルタ回路に関する。

従来から、オペアンプを有してフィルタのカットオフ周波数を可変可能とした可変ローパスフィルタ回路が知られている。

このような可変ローパスフィルタ回路は、オペアンプと複数のフィルタ回路用可変抵抗器と複数の可変キャパシタとを有して構成される。例えば、２次ローパスフィルタであるローパスフィルタ回路９２０を有した可変ローパスフィルタ回路９００について図５を用いて説明する。

図５に示すように、可変ローパスフィルタ回路９００内のローパスフィルタ回路９２０は、可変抵抗器Ｒ０ａと、可変抵抗器Ｒ０ｂと、可変抵抗器Ｒ０ｃと、可変キャパシタＣ０ａと、可変キャパシタＣ０ｂと、オペアンプＯＰ０１と、から成る。

可変抵抗器Ｒ０ａの一端が入力端となり、可変抵抗器Ｒ０ａの他端に可変抵抗器Ｒ０ｂの一端が接続され、可変抵抗器Ｒ０ｂの他端がオペアンプＯＰ０１の反転入力端子に接続され、可変抵抗器Ｒ０ｃの一端が可変抵抗器Ｒ０ａの他端に接続されていると共に、他端が出力端に接続されている。可変キャパシタＣ０ａは、可変抵抗器Ｒ０ａの他端とグランドとの間に接続されており、可変キャパシタＣ０ｂは、オペアンプＯＰ０１の反転入力端子と出力端との間に接続されている。また、オペアンプＯＰ０１の非反転入力端子がグランドに接続されている。

ローパスフィルタ回路９２０は、可変抵抗器Ｒ０ａと可変抵抗器Ｒ０ｂと可変抵抗器Ｒ０ｃと可変キャパシタＣ０ａと可変キャパシタＣ０ｂそれぞれの抵抗値又は容量値を変更することによって、フィルタのカットオフ周波数を可変することができる。

特開２００８−２５２２１３号公報 特開２０１２−１５６９７３号公報 特開平０５−３２７３７０号公報 特開２００４−０９６２６０号公報

しかしながら、ローパスフィルタ回路９２０は、フィルタのカットオフ周波数を設定する変数と帯域内減衰量を設定する変数とが互いに影響を及ぼしていた。従って、カットオフ周波数と帯域内減衰量とを独立して調整することは困難だった。そのために、図５に示すように、オペアンプＯＰ０２と可変抵抗器Ｒ０１と可変抵抗器Ｒ０２とを有して構成された可変増幅回路９１０をローパスフィルタ回路９２０と直列に設ける必要があった。その結果、可変ローパスフィルタ回路９００の回路規模が増大するという問題が生じてしまっていた。

本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、制御が複雑になることを抑制しつつ、回路規模の小型化に適した可変ローパスフィルタ回路を提供する。

上記課題を解決するために本発明の可変ローパスフィルタ回路は、入力端と、一端が前記入力端に接続された第１可変抵抗器と、電源とグランドとの間に直列接続された第２可変抵抗器及び第３可変抵抗器と、一端が前記第１可変抵抗器の他端に接続された第４可変抵抗器と、を有して、前記第２変抵抗器と前記第３可変抵抗器との接続点が前記第１可変抵抗器の他端に接続されている可変減衰回路と、オペアンプと複数のフィルタ回路用可変抵抗器と複数の可変キャパシタとを有して、前記可変減衰回路に接続されたローパスフィルタ回路と、複数の前記フィルタ回路用可変抵抗器及び前記第１可変抵抗器乃至前記第４可変抵抗器それぞれの抵抗値を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路からの制御信号によって前記可変減衰回路の減衰量を可変する、という特徴を有する。

このように構成された可変ローパスフィルタ回路は、オペアンプを使用しない可変減衰回路をローパスフィルタ回路に接続したので、フィルタのカットオフ周波数に関わらず帯域内減衰量を独立して調整することができる。その結果、制御が複雑になることを抑制しつつ、回路規模を小さくすることができる。

また、上記の構成において、前記ローパスフィルタ回路は、出力端を有し、複数の前記フィルタ回路用可変抵抗器は、第５可変抵抗器と第６可変抵抗器とから成ると共に、複数の前記可変キャパシタは、第１可変キャパシタと第２可変キャパシタとから成り、前記第５可変抵抗器の一端が前記第４可変抵抗器の他端に接続されていると共に、前記第５可変抵抗器の他端が前記オペアンプの反転入力端子に接続され、前記第６可変抵抗器の一端が前記第４可変抵抗器の他端に接続されていると共に、他端が前記出力端に接続され、前記第１可変キャパシタは、前記第４可変抵抗器の他端とグランドとの間に接続されており、前記第２可変キャパシタは、前記オペアンプの反転入力端子と前記出力端との間に接続されており、前記オペアンプの非反転入力端子がグランドに接続されていて、前記制御回路からの制御信号によってカットオフ周波数を可変する、という特徴を有する。

このように構成された可変ローパスフィルタ回路は、カットオフ周波数の変更を、帯域内減衰量の変更とは独立して行うことができるため、容易にカットオフ周波数を変更することができる。それと共に、第４可変抵抗器を可変減衰回路とローパスフィルタ回路とで共有化することができるため、回路規模を更に小さくすることができる。

本発明の可変ローパスフィルタ回路は、オペアンプを使用しない可変減衰回路をローパスフィルタ回路に接続したので、フィルタのカットオフ周波数に関わらず帯域内減衰量を独立して調整することができる。その結果、制御が複雑になることを抑制しつつ、回路規模を小さくすることができる。

本発明の実施形態における可変ローパスフィルタ回路のブロック図である。 可変減衰回路とローパスフィルタ回路の回路図である。 各可変抵抗器の抵抗値の変更方法を示す回路図である。 差動回路化されたローパスフィルタ回路の回路図である。 従来例に関わる可変ローパスフィルタ回路の回路図である。

以下、本発明の可変ローパスフィルタ回路について、図面を参照しながら説明する。本発明の可変ローパスフィルタ回路は、例えば、パソコン等のタッチパネルに内蔵された静電容量センサ用に使用される。本発明の可変ローパスフィルタ回路の用途については、以下説明する実施形態に限定されるものではなく適宜変更が可能である。

［実施形態］
最初に、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態に係る可変ローパスフィルタ回路１００の各ブロックの構成及び働きについて説明する。図１は、可変ローパスフィルタ回路１００のブロック図であり、図２は、可変減衰回路１０とローパスフィルタ回路２０それぞれの回路図であり、図３は、可変抵抗器１１、可変抵抗器１２、及び可変抵抗器１３それぞれの抵抗値の変更方法を示す回路図である。

可変ローパスフィルタ回路１００は、図１に示すように、可変減衰回路１０と、ローパスフィルタ回路２０と、可変減衰回路１０及びローパスフィルタ回路２０に接続された制御回路３０と、を備えて構成されている。

可変ローパスフィルタ回路１００では、可変減衰回路１０に入力信号Ｖｉｎが入力され、当該入力信号Ｖｉｎが減衰された減衰回路出力信号Ｖｏｕｔ１が可変減衰回路１０からローパスフィルタ回路２０に入力され、フィルタリングされた出力信号Ｖｏｕｔがローパスフィルタ回路２０から出力される。また、可変減衰回路１０とローパスフィルタ回路２０とは、制御回路３０によって制御される。

可変減衰回路１０は、図２に示すように、入力端１７と、一端が入力端１７に接続された抵抗値Ｒ１を有する第１可変抵抗器１１と、電源電圧Ｖｄｄを有する電源４１とグランド４３との間に直列接続された抵抗値Ｒ２を有する第２可変抵抗器１２及び抵抗値Ｒ３を有する第３可変抵抗器１３と、一端が第１可変抵抗器１１の他端に接続された抵抗値Ｒａを有する第４可変抵抗器１４と、を有し、第２可変抵抗器１２と第３可変抵抗器１３との接続点が第１可変抵抗器１１の他端に接続されている。

また、ローパスフィルタ回路２０は、オペアンプ２１と複数のフィルタ回路用可変抵抗器２３と複数の可変キャパシタ２５とを有しており、上述した可変減衰回路１０の第４可変抵抗器１４の他端に接続されている。尚、第４可変抵抗器１４は、可変減衰回路１０とローパスフィルタ回路２０とによって共用されている。

ローパスフィルタ回路２０は、出力端２７を有し、上述した複数のフィルタ回路用可変抵抗器２３は、抵抗値Ｒｂを有する第５可変抵抗器２３ａと抵抗値Ｒｃを有する第６可変抵抗器２３ｂとから成ると共に、複数の可変キャパシタ２５は、容量値Ｃａを有する第１可変キャパシタ２５ａと容量値Ｃｂを有する第２可変キャパシタ２５ｂとから成る。また、第５可変抵抗器２３ａの一端が第４可変抵抗器１４の他端に接続されていると共に、第５可変抵抗器２３ａの他端がオペアンプ２１の反転入力端子２１ａに接続され、第６可変抵抗器２３ｂの一端が第４可変抵抗器１４の他端に接続されていると共に、他端が出力端２７に接続されている。

また、第１可変キャパシタ２５ａは、第４可変抵抗器１４の他端とグランド４３との間に接続されており、第２可変キャパシタ２５ｂは、オペアンプ２１の反転入力端子２１ａと出力端２７との間に接続されており、オペアンプ２１の非反転入力端子２１ｂがグランド４３に接続されている。

制御回路３０は、図１に示すように、制御回路３０からの制御信号Ｓｇ１及び制御信号Ｓｇ２によって、可変減衰回路１０における帯域内減衰量ＡＴＴ及びローパスフィルタ回路２０におけるカットオフ周波数Ｆ１を制御することができる。

制御回路３０からの制御信号Ｓｇ１は、複数のスイッチ素子を制御することによって、図２に示す第１可変抵抗器１１、第２可変抵抗器１２、第３可変抵抗器１３、及び第４可変抵抗器１４それぞれの抵抗値を制御することができる。また、制御回路３０からの制御信号Ｓｇ２は、複数のスイッチ素子を制御することによって、第５可変抵抗器２３ａ、第６可変抵抗器２３ｂ、第１可変キャパシタ２５ａ、及び第２可変キャパシタ２５ｂそれぞれの抵抗値又は容量値を制御することができる。

例えば、第１可変抵抗器１１と第２可変抵抗器１２と第３可変抵抗器１３それぞれの抵抗値の制御は、図３に示すように行なわれる。

第１可変抵抗器１１は、抵抗器素子Ｒ１ａ、抵抗器素子Ｒ１ｂ、抵抗器素子Ｒ１ｃ、及び抵抗器素子Ｒ１ｄ、とスイッチ素子Ｓ１ａ、スイッチ素子Ｓ１ｂ、スイッチ素子Ｓ１ｃ、及びスイッチ素子Ｓ１ｄ、とで構成されている。抵抗器素子Ｒ１ａ、抵抗器素子Ｒ１ｂ、抵抗器素子Ｒ１ｃ、及び抵抗器素子Ｒ１ｄは、抵抗器素子Ｒ１ａの一端から抵抗器素子Ｒ１ｄの他端までが直列接続されており、スイッチ素子Ｓ１ａ、スイッチ素子Ｓ１ｂ、スイッチ素子Ｓ１ｃ、及びスイッチ素子Ｓ１ｄそれぞれの一端は、それぞれ抵抗器素子Ｒ１ａの他端、抵抗器素子Ｒ１ｂの他端、抵抗器素子Ｒ１ｃの他端、及び抵抗器素子Ｒ１ｄの他端に接続されている。また、スイッチ素子Ｓ１ａ、スイッチ素子Ｓ１ｂ、スイッチ素子Ｓ１ｃ、及びスイッチ素子Ｓ１ｄのそれぞれの他端同士が接続されて、その接続点が、第２可変抵抗器１２と第３可変抵抗器１３との接続点に接続されている。

第１可変抵抗器１１の抵抗値は、スイッチ素子Ｓ１ａ、スイッチ素子Ｓ１ｂ、スイッチ素子Ｓ１ｃ、及びスイッチ素子Ｓ１ｄそれぞれをオン又はオフし、抵抗器素子Ｒ１ａに対して、各抵抗器素子Ｒ１ｂ、抵抗器素子Ｒ１ｃ、及び又は抵抗器素子Ｒ１ｄが直列に接続されるか否かによって、求める抵抗値に設定される。尚、本実施形態では、第１可変抵抗器１１を構成する各抵抗器素子の数及び各スイッチ素子の数を４としているが、４以外の複数の数であっても良い。

第１可変抵抗器１１以外の可変減衰回路１０用の可変抵抗器即ち、第２可変抵抗器１２と第３可変抵抗器１３と第４可変抵抗器１４、及びフィルタ回路用可変抵抗器２３の第５可変抵抗器２３ａと第６可変抵抗器２３ｂの構成も第１可変抵抗器１１の構成と同様である。更に、ローパスフィルタ回路２０の第１可変キャパシタ２５ａと第２可変キャパシタ２５ｂについても、基本的に同様の回路によって構成されるが、可変キャパシタの場合は、複数の可変キャパシタ素子を有し、各可変キャパシタ素子が並列に接続されるか否かによって、求める容量値に設定される。

前述したローパスフィルタ回路２０の構成は、図５に示した従来例に関わる可変ローパスフィルタ回路９００におけるローパスフィルタ回路９２０と同様であり、制御回路３０からの制御信号Ｓｇ２によって、第５可変抵抗器２３ａ及び第６可変抵抗器２３ｂの抵抗値Ｒｂ及び抵抗値Ｒｃと、第１可変キャパシタ２５ａ及び第２可変キャパシタ２５ｂの容量値Ｃａ及び容量値Ｃｂと、を可変させてカットオフ周波数Ｆ１を変更可能とすることができる。

通常、フィルタの設計の際には、そのＱ値であるＱ１の値を設定した後、カットオフ周波数Ｆ１やゲインＡ１を設定する。そして、カットオフ周波数Ｆ１を変更させる場合には、Ｑ１の値が保たれるように各抵抗値や各容量値を設計する。

例えば、図５に示した従来例に関わる可変ローパスフィルタ回路９００のローパスフィルタ回路９２０におけるＱ１の値、カットオフ周波数Ｆ１、及びゲインＡ１は、以下のように表される。

上述したＱ１の値、カットオフ周波数Ｆ１、及びゲインＡ１を設定した後、各抵抗値及び容量値を設定する。尚、当該各抵抗値及び容量値の設定の仕方については、公知であるため、その説明を省略する。このようにして求めた各抵抗値及び容量値を、ローパスフィルタ回路２０における複数のフィルタ回路用可変抵抗器２３及び複数の可変キャパシタ２５の各抵抗値及び容量値に適用すれば、カットオフ周波数Ｆ１を変更させることができる。

しかし、従来例に関わる可変ローパスフィルタ回路９００の構成は、本発明の可変ローパスフィルタ回路１００の構成とは異なる。即ち、可変ローパスフィルタ回路９００では、ローパスフィルタ回路９２０の前段に可変増幅回路９１０のオペアンプＯＰ０２が直列に接続されていたが、本発明の可変ローパスフィルタ回路１００では、ローパスフィルタ回路２０の前段に可変減衰回路１０が接続されている。

従って、可変ローパスフィルタ回路１００では、可変減衰回路１０の出力側から見た抵抗値を、従来例に関わる可変ローパスフィルタ回路９００における可変抵抗器Ｒ０ａの抵抗値（Ｒ０ａ）と同一の抵抗値となるようにする必要がある。言い換えれば、第１可変抵抗器１１、第２可変抵抗器１２、第３可変抵抗器１３、及び第４可変抵抗器１４の合成抵抗の抵抗値を、可変ローパスフィルタ回路９００における可変抵抗器Ｒ０ａの抵抗値Ｒ０ａに設定する必要がある。

従って、（Ｒ２／／Ｒ３）／／Ｒ１＋Ｒａ＝Ｒ０ａ、即ち第４可変抵抗器１４の抵抗値Ｒａとしては、Ｒａ＝Ｒ０ａ―（Ｒ２／／Ｒ３）／／Ｒ１とする必要がある。そのため、Ｒａを、以下の式で表される抵抗値に設定することになる。

ところで、ローパスフィルタ回路２０のカットオフ周波数Ｆ１の変更による第５可変抵抗器２３ａの抵抗値Ｒｂ及び第６可変抵抗器２３ｂの抵抗値Ｒｃの設定値の変更に対応して、図２及び図３に示した可変減衰回路１０における第２可変抵抗器１２と第３可変抵抗器１３との接続点の電圧即ちバイアス電圧Ｖｄｃ、及び可変減衰回路１０の帯域内減衰量ＡＴＴを設定することができる。

バイアス電圧Ｖｄｃ及び帯域内減衰量ＡＴＴは、以下の式で表すことができる。

例えば、バイアス電圧ＶｄｃをＮ＊Ｖｄｄ（Ｎ＜１）とした場合、第３可変抵抗器１３の抵抗値Ｒ３は、以下の式で表すことができる。

また、帯域内減衰量ＡＴＴをＭ（Ｍ＜１）とした場合、第１可変抵抗器１１の抵抗値Ｒ１は、以下の式で表すことができる。即ち、数式［数４］を満たした状態で、制御回路３０からの制御信号Ｓｇ１によって、第１可変抵抗器１１、第２可変抵抗器１２、第３可変抵抗器１３、及び第４可変抵抗器１４それぞれの抵抗値の比率、即ち、抵抗値Ｒ１、抵抗値Ｒ２、抵抗値Ｒ３及び抵抗値Ｒａの比率を変えることによって可変減衰回路１０の帯域内減衰量を可変することができる。

従って、数式［数４］乃至［数７］を基にして、第１可変抵抗器１１の抵抗値Ｒ１、第２可変抵抗器の抵抗値Ｒ２、第３可変抵抗器１３の抵抗値Ｒ３、及び第４可変抵抗器１４の抵抗値Ｒａを決定することができる。

尚、本実施形態の可変ローパスフィルタ回路１００では、バイアス電圧Ｖｄｃを電源電圧Ｖｄｄの１／２、即ちＲ２＝Ｒ３＝Ｒ（Ｒは任意の値）とした。従って、バイアス電圧Ｖｄｃ、帯域内減衰量ＡＴＴ、及び第４可変抵抗器１４の抵抗値Ｒａは、以下の式で表すことができる。

従って、可変ローパスフィルタ回路１００では、数式［数８］乃至［数１０］を基にして、第１可変抵抗器１１の抵抗値Ｒ１、第２可変抵抗器の抵抗値Ｒ２、第３可変抵抗器１３の抵抗値Ｒ３、及び第４可変抵抗器１４の抵抗値Ｒａを決定すれば良い。

次に、図４を参照して、本発明の実施形態に係る可変ローパスフィルタ回路１００のローパスフィルタ回路２０が差動回路化された場合の回路について説明する。図４は、差動回路化されたローパスフィルタ回路５０の回路図である。

可変ローパスフィルタ回路１００で使用されたローパスフィルタ回路２０は、シングルエンド入力の回路であるが、これを差動入力の回路で構成することができる。

差動化されたローパスフィルタ回路５０は、図４に示すように、図２に示したシングルエンド入力のローパスフィルタ回路２０を２個組み合わせて構成した回路であり、それぞれの可変抵抗器又は可変キャパシタの定数は、ローパスフィルタ回路２０の可変抵抗器又は可変キャパシタの定数と同様に計算することができる。また、それらの働きも同様である。

図４では、ローパスフィルタ回路５０の２つの入力端に、それぞれ可変減衰回路１０を接続した構成としているが、２つの入力端のうちの一方だけに可変減衰回路１０を接続してこの経路の信号だけを減衰させ、他方の経路の信号を減衰させないようにすることも可能である。

以下、本実施形態としたことによる効果について説明する。

可変ローパスフィルタ回路１００は、オペアンプを使用しない可変減衰回路１０をローパスフィルタ回路２０に接続したので、フィルタのカットオフ周波数Ｆ１に関わらず帯域内減衰量ＡＴＴを独立して調整することができる。その結果、制御が複雑になることを抑制しつつ、回路規模を小さくすることができる。

また、カットオフ周波数Ｆ１の変更を、帯域内減衰量ＡＴＴの変更とは独立して行うことができるため、容易にカットオフ周波数Ｆ１を変更することができる。それと共に、第４可変抵抗器１４を可変減衰回路１０とローパスフィルタ回路２０とで共有化することができるため、回路規模を更に小さくすることができる。

以上説明したように、本発明の可変ローパスフィルタ回路は、オペアンプを使用しない可変減衰回路をローパスフィルタ回路に接続したので、フィルタのカットオフ周波数に関わらず帯域内減衰量を独立して調整することができる。その結果、制御が複雑になることを抑制しつつ、回路規模を小さくすることができる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。

１０ 可変減衰回路
１１ 第１可変抵抗器
１２ 第２可変抵抗器
１３ 第３可変抵抗器
１４ 第４可変抵抗器
１７ 入力端
２０ ローパスフィルタ回路
２１ オペアンプ
２１ａ 反転入力端子
２１ｂ 非反転入力端子
２３ フィルタ回路用可変抵抗器
２３ａ 第５可変抵抗器
２３ｂ 第６可変抵抗器
２５ 可変キャパシタ
２５ａ 第１可変キャパシタ
２５ｂ 第２可変キャパシタ
２７ 出力端
３０ 制御回路
４１ 電源
４３ グランド
１００ 可変ローパスフィルタ回路
ＡＴＴ 帯域内減衰量
Ｆ１ カットオフ周波数
Ｓｇ１ 制御信号
Ｓｇ２ 制御信号
Ｖｉｎ 入力信号
Ｖｏｕｔ 出力信号
Ｖｄｄ 電源電圧
Ｖｄｃ バイアス電圧

Claims (2)

1. 入力端と、一端が前記入力端に接続された第１可変抵抗器と、電源とグランドとの間に直列接続された第２可変抵抗器及び第３可変抵抗器と、一端が前記第１可変抵抗器の他端に接続された第４可変抵抗器と、を有して、前記第２変抵抗器と前記第３可変抵抗器との接続点が前記第１可変抵抗器の他端に接続されている可変減衰回路と、
   オペアンプと複数のフィルタ回路用可変抵抗器と複数の可変キャパシタとを有して、前記可変減衰回路に接続されたローパスフィルタ回路と、
   複数の前記フィルタ回路用可変抵抗器及び前記第１可変抵抗器乃至前記第４可変抵抗器それぞれの抵抗値を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路からの制御信号によって前記可変減衰回路の減衰量を可変する、
   ことを特徴とする可変ローパスフィルタ回路。
2. 前記ローパスフィルタ回路は、出力端を有し、
   複数の前記フィルタ回路用可変抵抗器は、第５可変抵抗器と第６可変抵抗器とから成ると共に、複数の前記可変キャパシタは、第１可変キャパシタと第２可変キャパシタとから成り、
   前記第５可変抵抗器の一端が前記第４可変抵抗器の他端に接続されていると共に、前記第５可変抵抗器の他端が前記オペアンプの反転入力端子に接続され、
   前記第６可変抵抗器の一端が前記第４可変抵抗器の他端に接続されていると共に、他端が前記出力端に接続され、
   前記第１可変キャパシタは、前記第４可変抵抗器の他端とグランドとの間に接続されており、前記第２可変キャパシタは、前記オペアンプの反転入力端子と前記出力端との間に接続されており、前記オペアンプの非反転入力端子がグランドに接続されていて、
   前記制御回路からの制御信号によってカットオフ周波数を可変する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変ローパスフィルタ回路。
   
   
   
   

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