JPH0334717A - フイルタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、周波数特性が可変高精度で低消費電力のＭＯ
ＳＦＥＴ−Ｃ（ＭＯＳＦｆｉＴ−Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
）フィルタ回路に関するものである。

〔従来の技術〕

従来からの代表的なフィルタ回路として、アクティブＲ
Ｃフィルタ、スイッチトキャパシタフィルタ（ＳＣＦ）
　、ＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタ等がある。

このうちＭＯＳＦＥＴ−ＣフィルタはＭＯＳＦＥＴのド
レイン・ソース間の抵抗領域を抵抗体として使用するア
ナログフィルタである。第６図にＭＯＳ　Ｆ　ＥＴのゲ
ート・ソース間電圧ＶＧＳをパラメータにした場合のド
レイン電流Ｉ、対ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳの特性
を示す、信号が小振幅の場合にはＩｏ　　Ｖ！＋３特性
の傾斜すなわちドレイン・ソース間抵抗ＲＯＢは線形抵
抗近似領域Ｓに示すように一定と近似することができ、
この近似抵抗を抵抗体として使用するものである。図示
するように、この抵抗値はＶＣＳに依存し、ＶＯ２をパ
ラメータとして抵抗値を制御することができる。また、
この抵抗値はＶＯ２にも依存するため、使用する信号の
振幅に応じて抵抗値も異なる。

第７図（ａ）に、ゲート・ソース間を制御端子とし、電
圧制御抵抗として使用するＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ抵抗の構成
を示す。第７図（ｂｌは上記ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ抵抗の等
価回路図である。第７図＋ａ）において、？−１はドレ
イン端子、７−２はゲート端子、７−３はソース端子、
７−４はＭＯＳＦＥＴ、？−５はバイアス電圧保持用コ
ンデンサであり、ゲート端子７−２とソース端子７−３
の間にコンデンサ７−５を設け、コンデンサ７−５で保
持するバイアス電圧により抵抗値を設定する。

このバイアス電圧設定法の従来例として大別して２つの
方法がある。１つは間接制御方法、もう１つは直接制御
方法である。

まず、間接制御方法について説明する。これは「同じチ
ンプ上に作られた同じサイズのＭＯＳＦＥＴは等しい特
性を有する」という経験則を利用した方法である。この
−例を第８図に示す。同図において、８−１は入力端子
、８−２は出力端子、８−３はフィルタ回路、８−４は
スレーブＭＯ３ＦＥＴ、８−５は電圧制御発振器、８−
６はマスクＭＯ３ＦＥＴ、８−７は周波数比較器および
制御回路、８−８は基準発振器である。第８図において
、フィルタ回路８−３と同じＩＣチップ上に、フィルタ
内で使用しているスレーブＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ８−４と同
じサイズのＭＯＳ　Ｆ　ＥＴを製作する。

このＭＯＳ　Ｆ　ＥＴを以下マスクＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ　
８６と呼ぶ。このマスクＭＯ３ＦＥＴ８−６で電圧制御
発振器８−５あるいはフィルタを構成して、電圧制御ル
ープあるいは位相制御ループでマスクＭＯ３ＦＥＴ８−
６の抵抗値を設定する。このマスクＭＯ３ＦＥＴ８−６
の抵抗値で発振周波数が決まるようにリファレンス発振
器８−８で抵抗値を設定する。リファレンス発振器８−
８で設定した目標抵抗値からマスクＭＯ３ＦＥＴ８−６
を用いた発振器８−５の発振周波数が決まり、外部の基
準発振器８−８の発振周波数を上記目標抵抗値で決まる
発振周波数にセットし、それぞれの周波数を周波数比較
器および制御回路８−７で比較し、双方の周波数が等し
くなるようにマスクＭＯ３ＦＥＴ８−６のバイアス電圧
を変化させる。発振周波数が等しくなった時に、そのゲ
ート・ソース間電圧をフィルタ回路８−３内のスレーブ
ＭＯ３ＦＥＴ８−４に与えるものである。

次に、直接制御方法について説明する。従来の直接制御
形ＭＯ３ＦＥＴ−Ｃフィルタの構成を第９図に示す。同
図において、９−１は入力端子、９−２は出力端子、９
−３はフィルタ回路、９４と９−５はＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ
、９−６は比較用可変抵抗、９−７は使用する信号のレ
ベルに対応した基準電圧を入力する入力端子である。こ
の方法は、同じサイズの特性の等しい複数のＭＯＳ　Ｆ
　ＥＴをＩＣチップ上に製作し、それらをフィルタ内で
抵抗体として使用している時に、その中の１つを取り出
してバイアスを再設定し、再設定できたらフィルタ回路
８−３に戻し、また他のスレーブＭＯ５ＦＥＴを取り出
してバイアス再設定する方法である。つまり、単にどれ
か１つのＭＯＳＦＥＴのバイアスを再設定するものであ
る。従って、一般に（ｎ＋１）個のＭＯＳ　Ｆ　ＥＴを
用意して１＠のＭＯＳ　Ｆ　ＥＴを時分割に補足的に使
用することにより、ｎ個の抵抗値を実現できる。第９図
では、ＭＯＳＦＥＴ　（ｎ’）９−５のバイアスを比較
用可変抵抗９−６を用いて再設定する例を示す。この間
、予めバイアス電圧が所要の抵抗値に設定されたＭＯＳ
　Ｆ　ＥＴ＋１１〜（ｎ）９−４をフィルタ回路９−３
で使用する。

第１０図はＭＯＳＦＥＴ９−５のバイアス設定のための
回路図であり、ＭＯＳＦＥＴ９−５の抵抗値は、比較用
可変抵抗９−６の抵抗値Ｒｒｍｔ＝１／（Ｃｒ−ｆ、）
に設定される。ここで、ＣｒはコンデンサＣ１の容量、
ｆ、はＳＷＩ、ＳＷＩ’とＳＷ２．ＳＷ２’の切替え周
波数である。この回路は、文献（アイ・イー・イー・イ
ー、回路およびシステムに関する会報、“スイッチトレ
ジスタフィルターモノリシックＭＯＳフィルタデザイン
への連続時間アプローチ”、２９巻、５号、３０６〜３
１５頁、１９８２年５月ｒ　ＩＥＥＥ、Ｔｒａｎｓａｃ
ｔｉｏｎ　ｏｎ　ＣＡＳ、　”５ｗ１ｔｃｈｅｄ　Ｒｅ
ｇｉｓｔｏｒ　Ｆｉｌｔｅｒ−ａ　ｃ。

ｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｔｉｍｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ
　ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ＭＯ５Ｆｉｌ−ｔｅｒ　Ｄｅ
ｓｉｇｎ　　、Ｖｏｌ、２５．Ｎｏ、５．ｐｐ、３０６
−３１５．Ｍａｙ、１９８２）に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した間接制御方法では、ＩＣチップ上のスレーブＭ
ＯＳ　Ｆ　ＥＴはすべて同し特性であることを仮定して
いる。この場合のフィルタ精度は、バイアス電圧を決定
するマスクＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔを含む発振器８−５あ
るいはフィルタとスレーブ形のＭＯＳＦＥＴ８−４を含
むフィルタ回路８−３とのマツチングによって決定され
る。フィルタ精度は、オペアンプを同一チップ上に構成
しても、せいぜい１〜２％である。このためマスクＭＯ
Ｓ　Ｆ　ＥＴ８−５の抵抗値で設定したバイアス電圧を
すべてのスレーブＭＯＳＦＥＴ８−４に与えるため、ス
レーブＭＯＳＦＥＴ８−４に個別偏差があってもフィル
タ回路８−３上では補正手段はなく、各ＭＯＳＦＥＴの
設定抵抗値からの誤差が積み重なってフィルタ回路８−
３全体の誤差となる。

また、上述した直接制御方法では、フィルタ回路９−３
内で使用するＭＯＳ　Ｆ　ＥＴのバイアス電圧を直接設
定するために上記の間接制御方法よりはフィルタ精度は
良い。この場合のフィルタ精度はバイアス電圧設定回路
のチューニング条件によって決定される。すなわち、Ｍ
Ｏ３ＦＥＴ抵抗はＶＧＳに依存するだけでなくＶｏｓに
も依存するため、バイアス電圧設定回路の信号のレベル
は実際に使用する信号と同レベルにしなければならない
。さらに、ＭＯ３ＦＥＴ抵抗は周波数特性を有し、これ
らの設定条件を厳密に一致させることは困難である。ま
た、アナログ量で保持しているために、バイアス電圧は
低下し、実現抵抗値は設定抵抗値からずれてくる。従っ
て、複数のＭＯＳＦＥＴを用意してバイアス電圧が下が
る前にＭＯＳ　Ｆ　ＥＴをスイッチングする必要がある
。このスイッチング時の雑音がフィルタ回路９−３の出
力に現れる。

〔課題を解決するための手段〕

このような課題を解決するために本発明は、容量を決定
するコンデンサと抵抗体としてのＭＯＳトランジスタと
を有するフィルタ回路と、このフィルタ回路のフィルタ
特性を制御する制御回路とを含むフィルタ装置において
、制御回路は、フィルタ回路の出力信号から所要信号の
みを取り出すフィルタと、このフィルタの出力信号レベ
ルをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、フィルタ回
路への入力信号レベルとフィルタ通過後の信号レベルと
を比較して所要のフィルタ特性になるようにＭＯＳトラ
ンジスタにかけるバイアス電圧を計算する制御部と、計
算したバイアス電圧値をアナログ電圧に変換してフィル
タ回路に供給するＤ／Ａ変換器とから成るようにしたも
のである。

〔作用〕

本発明によるフィルタ装置においては、制御ループを繰
り返して制御することにより、フィルタ特性全体が最適
値に設定される。

〔実施例〕

従来のＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタ回路は抵抗値変化のた
めのパラメータであるゲート・ソース間電圧をアナログ
量で保持するため、コンデンサを使用しなければならな
い。このアナログ量は放電するために、しきい値以下に
バイアス電圧が下がった場合には新たにバイアス電圧を
設定しなければならなかった。

本発明は、従来のＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタ回路と異な
り、ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間電圧をデジタル量
で保持することを特徴とする。所要の抵抗値を実現する
バイアス電圧がデジタル量で求まれば、その値は容易に
ラッチ回路を用いて保持できる。この保持した値をＤ／
Ａ変換器によりアナログ電圧に変換してＭＯＳ　Ｆ　Ｅ
Ｔのゲート・ソース間に印加することを特徴とする。

また、従来の方法では、アナログ制御なので、制御回路
と実際のフィルタ回路とのミスマツチは補償できない。

さらに、バイアス電圧を設定する回路はアナログだから
、バイアス電圧の範囲はその設定回路に用いるオペアン
プの特性で制限されるため、実現抵抗の範囲が制限され
る欠点があった。

本発明は、ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ抵抗を含むフィルタ特性の
最適値を制御部を使用してソフトウェア的に設定するこ
とを第２の特徴とする。

本発明によるフィルタ装置の一実施例を第１図に示す。

同図において、１−１は入力信号端子、１−２は出力信
号端子、１−３はＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタ回路、ｌ−
４は基準発振器としての周波数可変発振器、ｌ−５は制
御信号を取り出すフィルタ、１−６はＡ／Ｄ変換器、１
−７は制御部としてのマイクロプロセッサ、１−８はバ
イアス電圧を保持するラッチ回路、１−９はＤ／Ａ変換
器、１−１０はスイッチである。バイアス電圧の設定制
御は入力信号が無いときに行なうから、ここではスイッ
チ１−１０を用い、フィルタ回路ｌ−３への信号を切り
替えて行なう。フィルタ回路１−３の周波数特性を設定
するときには、そのフィルタ回路１−３の遮断域又は減
衰域の周波数の信号を制御信号として周波数可変発振器
１−４から受信入力する。上記制御信号はフィルタ回路
１−３では通過域の信号ではないので、フィルタ回路１
−３は、この信号を減衰し、歪ませる。従って、フィル
タ回路１−３の出力側で、上記制御信号成分を低域フィ
ルタ１−５で取り出し、それをＡ／Ｄ変換器１−６でデ
ジタルに変換して制御部１−７に人力する。

制御部１−７では、Ａ／Ｄ変換器１−６から受信した信
号レベルと予め定めたフィルタ回路１３への人力信号レ
ベルとの差をとってフィルタ回路１−３の減衰量を計算
する。そして、この減衰量が予め定めた値になるように
バイアス電圧値を計算し、フィルタ回路１−３のバイア
ス電圧を制御する。制御部１−７から出力されたバイア
ス電圧値をラッチ回路ｉ８で保持し、Ｄ／Ａ変換器１−
９でアナログ量に変換後、フィルタ回路１３に加える。

なお、フィルタ回路１−３の制御信号の出力εしては人
力信号と同じ周波数成分をとらないで、その高調波を利
用することもできる。

その場合には、フィルタ１−５としては帯域通過フィル
タを用いる。

また、ＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタ回路１−３のＱを設定
するときには、このフィルタの通過域であってかつカン
トオフ周波数に近い信号を制御信号として用いればよい
。このように周波数可変発振器１−４の出力を調節する
には手動で行なってもよいが、制御部１−７が制御する
ようにすれば迅速に調節できる。

第１図の実施例を少し具体化した実施例を第２図に示す
。第２図では、基準発振器１−４の具体的構成として基
準発振器２−１と分周器２−２を用いる。他の部分につ
いては第１図と同様である。

ＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタ回路１−３から出力される信
号から制御に使用する信号のみを取り出すフィルタ１−
５には、特願昭６２−３１３３３９号で提案したＳＣＦ
−ＭＯＳＦＥＴ−Ｃ併用形の可変帯域フィルタが適用で
きる。ＳＣＦはクロック周波数でフィルタ周波数特性を
変化でき、これを用いればデジタル的にＭＯＳＦＥＴの
抵抗値、従ってＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタの周波数特性
を変化することができる。周波数可変発振器１−４は基
準発振器２−１と可変分周器２−２で分周数を変化させ
ることにより実現できる。

フィルタ回路の一例として、二次パイカッドＬＰＦの場
合のフィルタ特性の制御方法を説明する回路を第３図に
示す。同図において、３〜１は入力端子、３−２は出力
端子、３−３はフィルタ回路、Ｃ１，Ｃ２は値がｃｌ、
ｃ２のコンデンサ、Ｒ１−Ｒ６は値がｒ１〜ｒ６の抵抗
、３−４は演算増幅器、３−５はフィルタ、３−６はＡ
／Ｄ変換器、３−７はマイクロプロセッサ、３−８はラ
ッチ、３−９はＤ／Ａ変換器、１１０．３−１１はスイ
ッチである。

図示するように素子を決めると、フィルタ回路３−３の
カットオフ周波数、Ｑ値、直流利得はそれぞれ次式で表
わされる。

Ｗｏ　＝１／　（ｒ２ｒ４ｃｌｃ２）　　・−−１１）
Ｑ＝　　ｒｌ”　ｃｌ／　（ｒ２ｒ４ｃ２）　　・・１
２）Ｈ＝＝　ｒ２／ｒ３　　　・・・・・（３）制御の
仕方はまず、スイッチ３−１０をオンにして抵抗Ｒ１，
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の値を同じパイアスミ圧で変化させる
ことにより、Ｑ、Ｈを変化させずに周波数特性を変化で
きる。制御ループで周波数特性が最適値になるように制
御する。次に、スイッチ１１１をオンにして抵抗Ｒ１の
値を変化させて、カットオフ周波数の信号をフィルタに
参照信号として人力し、制御ループでＱ値が最適値にな
るように制御する。

一般に、カットオフ周波数、Ｑ値、直流利得のパラメー
タのうち、制御するパラメータの数だけＤ／Ａ変換器、
ランチ回路を用意する。素子値は、コンデンサの値を適
当に設定して抵抗値が同じになるようにすることにより
、Ｄ／Ａ変換器、ラッチ回路を共有できる。

また、別の実施例を第４図に示す。第４図において第１
図と同一部分又は相当部分には同一符号が付しである。

第４図の基本的構成は第１図と同様であるが、基準発振
器１−４を省略して、相手局からの基準信号を受信して
動作させる構成である。このフィルタ装置を例えば自動
車電話の移動機に用いたときに、発振器１−１４は基地
局１１３に設ける。基地局１〜１３からの信号を受信す
るために５．受信部１−１２とＡＧＣ回路１−１１を付
加する。また、１−１５は復調回路である。

さらに、第４図の基地局１−１３の構成例を第５図に示
す。同図において、５−１．５−４は入力端子、５−２
．５−３は出力端子、５−５，５７．５−１０．５−１
５は帯域フィルタ、５６．５−８．５−１７はミクサ、
５−９は発振器、５−１１はリミッタ増幅器、５−１２
は復調器、５−１３は制御データを出力するフィルタ、
５１４はシンセサイザ、５−１６は電力増幅器、５１８
は変調器、５−１９は増幅器、５−２０は可変発振器で
ある。フィルタ５−７．５−１０の中心周波数は、９０
ＭＨｚ、４５５ｋＨｚであり、変調器５−１８の中心周
波数は１４５ＭＨｚである。第５図においては、可変発
振器５−２０が基準発振器である。これを制御する信号
は移動機側の制御部１−７から出力され、移動機から送
信され、それを受信系の入力端子Ｓ−ｔから入力し、復
調器５−１２で取り出して発振器５−２０を制御する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、制御ループを形成し、デ
ジタル量でバイアス電圧をランチすることにより、−旦
バイアス電圧を設定すれば安定に所要抵抗を実現するこ
とができる。従来の抵抗値を設定する方法では、チップ
上の回路のマツチング条件やバイアス電圧の設定条件に
より、実際使用するフィルタ上では誤差が問題となって
いたが、本発明では、フィルタ特性全体を最適値に設定
すべく制御ループを繰り返して制御することにより、低
誤差（±１％程度）でチップ上にフィルタを実現できる
。また、従来の構成のようにアナログ回路でバイアス電
圧を設定していた場合の回路の制約が無くなり、ＭＯＳ
ＦＥＴ実現抵抗値の範囲、従ってＭＯＳ　Ｆ　ＥＴを含
むフィルタの周波数可変範囲を拡大できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第４図、第５図はは本発明の実施例を
示す系統図、第３図は二次バイカフドＬＰＦの場合のフ
ィルタ特性の制御方法を説明する回路を示す系統図、第
６図はＭＯＳＦＥＴのドレイン電流対ドレイン・ソース
間電圧の特性を示す特性図、第７図はＭＯＳＦＥＴの抵
抗制御を示す説明図、第８図は従来の間接制御形ＭＯＳ
　Ｆ　ＥＴ−Ｃフィルタ回路を示す系統図、第９図は従
来の直接制御形ＭＯＳＦＥＴ−Ｃ：フィルタ回路を示す
系統図、第１Ｏ図は第９図のＭＯＳＦＥＴと比較用可変
抵抗とを詳細に示す回路図である。 １−１・・・入力信号端子、１−２・・・出力信号端子
、１−３・・・ＭＯＳＦＥＴ−Ｃフィルタ、１−４・・
・周波数可変発振器、１−５・・・フィルタ、１−６・
・・Ａ／Ｄ変換器、１−７・・・マイクロプロセッサ、
１−８・・・ラッチ回路、１−９・・・Ｄ／Ａ変換器、
１−１０・・・スイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 容量を決定するコンデンサと抵抗体としてのＭＯＳトラ
   ンジスタとを有するフィルタ回路と、このフィルタ回路
   のフィルタ特性を制御する制御回路とを含むフィルタ装
   置において、 前記制御回路は、 前記フィルタ回路の出力信号から所要信号のみを取り出
   すフィルタと、 このフィルタの出力信号レベルをデジタル値に変換する
   Ａ／Ｄ変換器と、 フィルタ回路への入力信号レベルと前記フィルタ通過後
   の信号レベルとを比較して所要のフィルタ特性になるよ
   うに前記ＭＯＳトランジスタにかけるバイアス電圧を計
   算する制御部と、 前記計算したバイアス電圧値をアナログ電圧に変換して
   前記フィルタ回路に供給するＤ／Ａ変換器と から成ることを特徴とするフィルタ装置。