JPH04273610A - 集積回路用フィルタ回路 - Google Patents

集積回路用フィルタ回路

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JPH04273610A
JPH04273610A JP3034504A JP3450491A JPH04273610A JP H04273610 A JPH04273610 A JP H04273610A JP 3034504 A JP3034504 A JP 3034504A JP 3450491 A JP3450491 A JP 3450491A JP H04273610 A JPH04273610 A JP H04273610A
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collector
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resistor
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茂業 敏彦
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/02Multiple-port networks
    • H03H11/04Frequency selective two-port networks
    • H03H11/12Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback
    • H03H11/1213Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback using transistor amplifiers

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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は集積回路用フィルタ回路
に関し、特に低い電源電圧で動作するアクティブ・フィ
ルタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】フィルタ回路は信号のさまざまな周波数
成分の内、不要な成分は除去し、必要な成分だけを取り
出すためのものである。フィルタ回路の種類はきわめて
多いが、大きく分けるとパッシブ・フィルタ、アクティ
ブ・フィルタ、及びディジタル・フィルタに分類される
【0003】このうちアクティブ・フィルタは、キャパ
シタ(C)、抵抗(R)等による受動素子とトランジス
タ、演算増幅器等による能動素子とから構成されており
、特に音声周波数帯域ではCR素子と能動素子とを用い
たCR帰還型フィルタが多用されている。ところで、こ
の帯域ではCR素子の時定数が大きくなり、容量の大き
いキャパシタを必要とするうえ、抵抗には高精度が要求
される。従って、フィルタ回路を半導体集積回路とする
場合、CR素子も単一の半導体基板に集積化することは
困難である。
【0004】この問題を解決するため、電圧入力電流出
力型アンプ、即ちトランスコンアクタンス・アンプを用
いてアクティブ・フィルタを集積化し、部品点数の削減
を図った回路が知られている。
【0005】その一例として、図4に1次のローパスフ
ィルタを示す。図中、トランジスタQ41〜Q49 、
抵抗RE、及び定電流回路CS41〜CS43によって
トランスコンダクタンス・アンプ40が構成されている
。41、43はこのローパスフィルタの入力端子、出力
端子をそれぞれ示している。トランスコンダクタンス・
アンプ40の出力線45とグランド(GND)ライン4
6との間にキャパシタ42が接続され、また出力線45
は増幅率が1.0のバッファ回路44の入力端子に接続
されている。バッファ回路44の出力は出力端子43と
トランスコンダクタンス・アンプ40を構成するトラン
ジスタQ42 のベースとに接続されている。 なお、トランスコンダクタンス・アンプ40のトランジ
スタ Q47〜Q49 はウィルソン(Wilson)
のカレントミラー回路を構成しており、そのミラー係数
は1に近い値となっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この種のアクティブ・
フィルタの最低動作電圧VCCMIN は、定電流源C
S42の両端の電圧、トランジスタQ46 のコレクタ
・エミッタ間電圧、トランジスタQ49のベース・エミ
ッタ間電圧、及びトランジスタQ48  のベース・エ
ミッタ間電圧によって決まる。従って、定電流源CS4
2を1つのトランジスタで構成し、トランジスタのコレ
クタ・エミッタ間電圧VCEを0.4V、ベース・エミ
ッタ間電圧VBEを0.6Vとすると、最低動作電圧V
CCMIN は、  VCCMIN =VCE (CS
42) +VCE (Q46)+VBE (Q49)+
VBE (Q48)            =0.4
+0.4+0.6+0.6=2.0Vとなる。
【0007】ところでこのようなフィルタ回路を電池駆
動の集積回路装置に組み込む場合には、1.8V程度の
電源電圧でも動作するように構成することが望ましく、
従って図4に示した従来のフィルタ回路はそのような用
途には適していない。
【0008】また、トランジスタQ41 及びQ42 
で構成される差動増幅器では、エミッタに接続された抵
抗REで電圧降下が生じるので、その分だけ最低動作電
圧は低下することになる。この点でも図4のフィルタ回
路は低い電源電圧で動作させるのには適さない。
【0009】従って本発明は、電源電圧が1.8Vでも
動作可能で、かつ回路構成が簡素なトランスコンダクタ
ンス・アンプを用いた集積回路用フィルタ回路を提供す
るものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、エミッ
タが第1及び第2の定電流源にそれぞれ接続されると共
に互いに抵抗で接続されておりコレクタがダイオード接
続されたトランジスタをそれぞれ介して電源ラインに接
続された第1及び第2のトランジスタを有する第1の差
動増幅器と、エミッタが第3の定電流源に接続されてお
りコレクタがダイオード接続されたトランジスタ及び抵
抗を介して電源ラインに接続されておりベースが第1の
トランジスタのコレクタに接続された第3のトランジス
タ、及びエミッタが第3の定電流源に接続されておりベ
ースが第2のトランジスタのコレクタに接続された第4
のトランジスタを有する第2の差動増幅器と、コレクタ
とベースとが第4のトランジスタのコレクタに接続され
、エミッタが抵抗を介して電源ラインに接続された第5
のトランジスタ、及びコレクタが第4の定電流源に接続
されておりベースが第5のトランジスタのベースに接続
されておりエミッタが抵抗を介して電源ラインに接続さ
れた第6のトランジスタを有するカレントミラー回路と
を含んでおり、第1のトランジスタのベースを入力端子
、第2のトランジスタのベースを帰還入力端子、第6の
トランジスタのコレクタを出力端子とする電圧入力電流
出力型アンプと、入力端子が出力端子に接続されており
、出力端子が帰還入力端子に接続されたバッファ回路と
を備えた集積回路用フィルタ回路が提供される。
【0011】
【作用】電圧入力電流出力型アンプのコンダクタンスg
mは、入力端子に供給される信号の振幅をVOP、出力
電流の振幅をio とすると、gm=VOP/io と
なり、第1と第2の定電流源の電流値をI1 、第3の
定電流源の電流値を2I2 、第4の定電流源の電流値
をI2 、第1の抵抗の値をR1 とすると、コンダク
タンスgmは次式によって表される。
【0012】gm=(1/R1 )・(I2 /I1 
)そしてキャパシタの値をCとし、コンダクタンスgm
を用いて本発明のフィルタ回路の伝達関数T1 (s)
を表すと、 T1 (s)=(gm/C)/{s+(gm/C)}と
なる。この式より本発明のフィルタ回路は、遮断周波数
がgm/2πCである1次のローパスフィルタの周波数
特性を持つことが分かる。
【0013】第3の定電流源を1つのトランジスタを用
いて構成する場合、本発明のフィルタ回路の最低動作電
圧は、第3の定電流源のトランジスタのコレクタ・エミ
ッタ間電圧、第4のトランジスタのコレクタ・エミッタ
間電圧、第6のトランジスタのベース・エミッタ間電圧
、及び第2の抵抗における電圧降下を加えたものとなる
。従って、トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧を
0.4V、ベース・エミッタ間電圧を0.6V、第2の
抵抗における電圧降下をVR とすると、最低動作電圧
は、0.4V+0.4V+0.6V+VR =1.4V
+VR となる。即ち、本発明のフィルタ回路は1.8
Vの電源電圧で十分に動作し、バッテリ駆動の電子機器
に特に適している。また、第1の差動増幅器は、それを
構成する第1及び第2のトランジスタのエミッタが第1
の抵抗で接続された構成となっているので、従来のよう
なエミッタ抵抗における電圧降下の問題は生じず、この
点でも低電圧動作に有利である。しかも回路構成が簡単
である。
【0014】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図1
に本発明の一実施例の集積回路用フィルタ回路を示す。 このフィルタ回路はトランスコンダクタンス・アンプ1
0と増幅率が1倍のバッファ回路14とから主として構
成されている。
【0015】トランスコンダクタンス・アンプ10は第
1の差動増幅器と、第2の差動増幅器と、カレントミラ
ー回路17とにより構成されている。
【0016】第1の差動増幅器は、一端がグランド(G
ND)ライン16に接続された定電流源CS11及びC
S12の他端にエミッタがそれぞれ接続されており、ダ
イオード接続されたトランジスタQ13 及びQ14を
介して電源ライン19にコレクタがそれぞれ接続された
トランジスタQ11 及びQ12 を有している。トラ
ンジスタQ11 及びQ12 のエミッタは、抵抗R1
を介して互いに接続されている。
【0017】第2の差動増幅器は、一端がグランドライ
ン16に接続された定電流源CS13の他端にエミッタ
が接続されており、ダイオード接続されたトランジスタ
Q17 及び抵抗R2を介して電源ライン19にコレク
タが接続されており、トランジスタQ11 のコレクタ
にベースが接続されたトランジスタQ15 と、トラン
ジスタQ15 のエミッタにエミッタが接続されており
、トランジスタQ12 のコレクタにベースが接続され
たトランジスタQ16 とを有している。
【0018】ミラー回路17は、トランジスタQ16 
のコレクタにコレクタが接続されており、抵抗R3を介
して電源ライン19にエミッタが接続されており、ダイ
オード接続されたトランジスタQ18 と、一端がグラ
ンドライン16に接続された定電流源CS14の他端に
コレクタが接続されており、トランジスタQ18 のベ
ースにベースが接続されており、抵抗R4を介して電源
ラインにエミッタが接続されたトランジスタQ19 と
から構成されている。
【0019】トランスコンダクタンス・アンプ10は、
トランジスタQ11 のベースに接続された入力端子1
1と、トランジスタQ19 のコレクタに接続された出
力端子15と、トランジスタQ12 のベースに接続さ
れた帰還入力線18とを備えている。
【0020】バッファ回路14は、その入力端子がアン
プ10の出力端子15に接続され、出力端子はフィルタ
回路の出力端子13とアンプ10の帰還入力線18とに
接続されている。
【0021】図2は図1の実施例をより具体化した回路
構成を示している。この図2の回路においては、トラン
スコンダクタンス・アンプ10の出力端子とグランドラ
イン16との間に半導体基板内の酸化膜容量からなるキ
ャパシタ22が接続されている。その他の構成は図1の
構成と全く同じである。
【0022】以下このように構成された1次ロ−パスフ
ィルタ回路の伝達関数を導出する。定電流源CS11、
CS12の電流値をI1 、電流源CS13の電流値を
2I2 、電流源CS14の電流値をI2 、キャパシ
タ22の容量をCとし、各トランジスタの電流増幅率は
無限大であるとする。そして、入力端子11に振幅がV
OPの信号が入力され、そのときの出力電流の振幅をi
o とすると、  VBE11−VBE12=(kT/
q)ln{(I1 +i)/(I1 −i)}    
            =ΔVA   VBE16−
VBE15=(kT/q)ln{(I2 +io )/
(I2 −io )}               
 =ΔVB   ここで、VBE11、VBE12、VBE16、VBE
15は、それぞれトランジスタQ11 、Q12、Q1
6 、Q15 のベース・エミッタ間の電圧、kはボル
ツマン定数、Tは絶対温度、qは電子の電荷、iはトラ
ンジスタQ11 及びQ12 を有する差動増幅器の入
力信号によるコレクタ電流の変化分、io はトランス
コンダクタンス・アンプ10の出力電流である。
【0023】ΔVA =ΔVB であるから、  (I
1 +i)/(I1 −i)=(I2 +io )/(
I2 −io )  io =(I2 /I1 )・i
=(I2 /I1 )・(VOP/R1 )よってトラ
ンスコンダクタンス・アンプ10のコンダクタンスgm
は、   gm=io /VOP=(1/R1 )・(I2 
/I1 )              (1) となる。なお、R1 は抵抗R1の抵抗値を表す。フィ
ルタ回路の伝達関数T1 (s)を求めるため、入力信
号をVIN、出力信号をVOUT とすると、  VO
UT =io /sC   io =gm・(VIN−VOUT )  VOU
T =[(gm/C)/{s+(gm/C)}]・VI
N  T1 (s)=(gm/C)/{s+(gm/C
)}              (2)  となる。(2) 式より、本実施例のフィルタ回路は1
次のローパスフィルタの周波数特性を有することが分か
る。 その遮断周波数fcは、(1) 式及び(2) 式より
次のようになる。
【0024】   fc=gm/2πC=(1/2πCR1 )・(I
2 /I1 )このフィルタ回路の最低動作電圧VCC
MIN は、定電流源CS13に必要な電圧とトランジ
スタQ16 のコレクタ・エミッタ間電圧とトランジス
タQ19 のベース・エミッタ間電圧と抵抗R3の両端
の電圧VR とにより決る。従って、定電流源CS13
を1つのトランジスタで構成し、トランジスタのコレク
タ・エミッタ間電圧を0.4V、ベース・エミッタ間電
圧を0.6Vとすると、最低動作電圧VCCMIN は
1.4V+VR となる。即ち、このフィルタ回路は抵
抗R3における電圧降下を考慮して1.8Vの電源電圧
で十分に動作することになる。また、トランジスタQ1
1 及びQ12 を有する第1の差動増幅器では、従来
のようにエミッタ抵抗による電圧降下の問題は生じない
ので、この点でも低電圧動作に有利になっている。
【0025】ところで、上述の伝達関数の導出では各ト
ランジスタの電流増幅率を無限大と仮定したが、実際に
はラテラルPNPトランジスタの場合で電流増幅率は4
0程度である。そのため、トランジスタQ18 及びQ
19 を含むミラー回路17のミラー係数は、トランジ
スタの電流増幅率が40の場合1.0ではなく、0.9
5となる。 この影響はフィルタ回路の直流的なオフセットとして現
れ、出力ダイナミックレンジを狭める結果となる。そし
てできるだけ低い電源電圧で回路を動作させようとする
場合には、このような現象は生じないようにすることが
望ましい。
【0026】この問題の原因は、トランジスタQ19 
において、コレクタ電流を流すために電流増幅率によっ
て決るベース電流が必要であり、その結果、トランジス
タQ19 のコレクタ電流の値と定電流源CS14の電
流値とが一致しないという点にある。従って、これら2
つの電流値が一致するように補償を行うことによってこ
の問題を解決することができる。図3に、そのようなベ
−ス電流の補償を行った定電流源CS13及びCS14
の具体例を示す。
【0027】図3の回路において、30に示す回路部分
が図2の定電流源CS13及びCS14に相当する。よ
り詳しくは、トランジスタQ31〜Q33 及び抵抗R
aが図2の定電流源CS13に相当するカレントミラー
回路であり、トランジスタQ34 〜Q38 及び抵抗
Rbは定電流源CS14に相当するカレントミラー回路
である。トランジスタQ35 、Q36 及びQ38 
はベース電流補償用の素子である。
【0028】トランジスタQ31 及びQ32 のコレ
クタは共に上述の第2の差動増幅器を構成するトランジ
スタQ15 及びQ16 のエミッタに接続されており
、エミッタはそれぞれ抵抗Raを介してグランドライン
16に接続されている。また、ベースは共にトランジス
タQ33 のベースに接続されている。トランジスタQ
33 はダイオード接続されており、互いに接続された
ベースとコレクタは、一端が電源ライン19に接続され
た定電流源CS15の他端に接続されており、エミッタ
は抵抗Raを介してグランドライン16に接続されてい
る。
【0029】トランジスタQ34 のコレクタはミラー
回路17のトランジスタQ19 のコレクタに接続され
ており、エミッタは抵抗Rbを介してグランドライン1
6に接続されており、ベースはトランジスタQ35 、
Q36 及びQ37 のベースにそれぞれ接続されてい
る。
【0030】トランジスタQ35 及びQ36 のコレ
クタは共に電源ライン19に接続されており、エミッタ
は抵抗Rbをそれぞれ介してグランドライン16に接続
されている。トランジスタQ37 はダイオード接続さ
れており、そのベースとコレクタとは共にトランジスタ
Q38 のコレクタに接続されており、エミッタは抵抗
Rbを介してグランドライン16に接続されている。ト
ランジスタQ38 は、そのベースがトランジスタQ3
3のコレクタに接続されており、エミッタは、一端が電
源ライン19に接続された定電流源CS16の他端に接
続されている。
【0031】次に、このような回路によってトランジス
タQ19 のコレクタ電流IC19 と定電流源CS1
4の電流、即ちトランジスタQ34 のコレクタ電流I
C34 とが等しくなることを示す。定電流源CS15
及びCS16の電流値をI、トランジスタQ16 、Q
32 のコレクタ電流をそれぞれIC16 、IC32
 とし、NPNトランジスタ及びPNPトランジスタの
電流増幅率をそれぞれβN 、βP とする。
【0032】トランジスタQ34 〜Q38 のベース
電流を考慮した場合、トランジスタQ34 のコレクタ
電流IC34 は、定電流源CS16の電流Iからトラ
ンジスタQ38 、Q34 〜Q37のベース電流を引
いたものとなるので、次のようになる。
【0033】   IC34 =I−I/βP −4I/βN    
                         
(3)   同様にして、トランジスタQ32 のコレクタ電流
IC32 は、定電流源CS15の電流Iにトランジス
タQ38 のベース電流を加え、トランジスタQ31 
〜Q33 のベース電流を引いたものとなり、トランジ
スタQ16 のコレクタ電流IC16 は、トランジス
タQ32 のコレクタ電流からトランジスタQ16 の
ベース電流を引いたものとなる。トランジスQ19 の
コレクタ電流IC19 は、トランジスタQ16 のコ
レクタ電流からトランジスタQ18 及びQ19 のベ
ース電流を引いたものとなるので、それぞれ次のように
表される。
【0034】   IC32 =I+I/βP −3I/βN   I
C16 =IC32 −I/βN   IC19 =I
C16 −2I/βP =I−I/βP −4I/βN
         (4)  即ち、(3) 式と(4) 式とを比較して分かるよう
に、トランジスタQ19 のコレクタ電流IC19 と
トランジスタQ34 のコレクタ電流IC34 とは互
いに一致している。従って、トランジスタの電流増幅率
が有限であることに伴って生じるコレクタ電流IC19
 と定電流源CS14の電流I2 との不一致の問題は
解決され、その結果、フィルタ回路の直流オフセットに
よるダイナミックレンジの低下は発生しない。
【0035】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明の集積
回路用フィルタ回路は、エミッタが第1及び第2の定電
流源にそれぞれ接続されると共に互いに抵抗で接続され
ておりコレクタがダイオード接続されたトランジスタを
それぞれ介して電源ラインに接続された第1及び第2の
トランジスタを有する第1の差動増幅器と、エミッタが
第3の定電流源に接続されておりコレクタがダイオード
接続されたトランジスタ及び抵抗を介して電源ラインに
接続されておりベースが第1のトランジスタのコレクタ
に接続された第3のトランジスタ、及びエミッタが第3
の定電流源に接続されておりベースが第2のトランジス
タのコレクタに接続された第4のトランジスタを有する
第2の差動増幅器と、コレクタとベースとが第4のトラ
ンジスタのコレクタに接続され、エミッタが抵抗を介し
て電源ラインに接続された第5のトランジスタ、及びコ
レクタが第4の定電流源に接続されておりベースが第5
のトランジスタのベースに接続されておりエミッタが抵
抗を介して電源ラインに接続された第6のトランジスタ
を有するカレントミラー回路とを含んでおり、第1のト
ランジスタのベースを入力端子、第2のトランジスタの
ベースを帰還入力端子、第6のトランジスタのコレクタ
を出力端子とする電圧入力電流出力型アンプと、入力端
子が出力端子に接続されており、出力端子が帰還入力端
子に接続されたバッファ回路とを備えている。
【0036】即ち、トランスコンダクタンス・アンプ出
力部のカレントミラ−回路を、ウィルソンのカレントミ
ラ−回路からトランジスタ2個のカレントミラ−回路に
変えたので、フィルタ回路の最低動作電圧が低下し、電
源電圧が1.8Vでも十分に動作可能である。また、入
力部の差動増幅器の構成を変え、従来のエミッタ抵抗に
よる電圧降下の問題が生じないようにしたので、この点
でも低電圧動作に有利になっている。しかも回路構成が
簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による集積回路用フィルタ回路の一実施
例を示す回路図である。
【図2】図1に示した集積回路用フィルタ回路のより具
体的な例を示す回路図である。
【図3】図1に示した集積回路用フィルタ回路の定電流
源の他の構成例を示す部分回路図である。
【図4】従来の集積回路用フィルタ回路を示す回路図で
ある。
【符号の説明】
10  トランスコンダクタンス・アンプ11  入力
端子 13、15  出力端子 14  バッファ回路 17  カレントミラー回路 18  帰還入力線 22  キャパシタ CS11〜CS16  定電流源 Q11 〜Q19 、Q31 〜Q38   トランジ
スタR1〜R4、Ra、Rb  抵抗

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  エミッタが第1及び第2の定電流源に
    それぞれ接続されると共に互いに抵抗で接続されており
    コレクタがダイオード接続されたトランジスタをそれぞ
    れ介して電源ラインに接続された第1及び第2のトラン
    ジスタを有する第1の差動増幅器と、エミッタが第3の
    定電流源に接続されておりコレクタがダイオード接続さ
    れたトランジスタ及び抵抗を介して電源ラインに接続さ
    れておりベースが前記第1のトランジスタのコレクタに
    接続された第3のトランジスタ、及びエミッタが前記第
    3の定電流源に接続されておりベースが前記第2のトラ
    ンジスタのコレクタに接続された第4のトランジスタを
    有する第2の差動増幅器と、コレクタとベースとが前記
    第4のトランジスタのコレクタに接続され、エミッタが
    抵抗を介して電源ラインに接続された第5のトランジス
    タ、及びコレクタが第4の定電流源に接続されておりベ
    ースが前記第5のトランジスタのベースに接続されてお
    りエミッタが抵抗を介して電源ラインに接続された第6
    のトランジスタを有するカレントミラー回路とを含んで
    おり、前記第1のトランジスタのベースを入力端子、前
    記第2のトランジスタのベースを帰還入力端子、前記第
    6のトランジスタのコレクタを出力端子とする電圧入力
    電流出力型アンプと、入力端子が前記出力端子に接続さ
    れており、出力端子が前記帰還入力端子に接続されたバ
    ッファ回路とを備えたことを特徴とする集積回路用フィ
    ルタ回路。
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