JPS61274508A - スイツチト・キヤパシタ・フイルタ - 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〕 この発明はＳＣＦ　（スイッチト・キャパシタ・フィル
タ）に関する。

〔発明の概要〕

この発明は、ＳＣＦにおいて、そのコンデンサの値を選
定するとともに、一部のコンデンサおよびスイッチ回路
を兼用することにより、全体の構成を簡略化するととも
に、多目的に使用できるようにしたものである。

〔従来の技術〕

第３図に示すように、スイッチ回路（ＩＯＡ）→コンデ
ンサＣ１ｏ→スイッチ回路（１０Ｂ）の直列回路ＱＩニ
おイテ、スイッチ回路（ＩＯＡ　）　、　　（ＩＯＢ　
＞が信号の周期よりも充分に短い周期Ｔのスイッチング
パルスＰｓにより同相で切り換えられるとする。そして
、スイッチ回路（１０＾）の入力電圧をｖａ、スイッチ
回路＜ｌ０Ｂ）の出力電圧をｖｂとすると、期間Ｔにコ
ンデンサＣｏｏに流れる電荷量ΔＱは、 ΔＱ＝Ｃｔｏ　（Ｖａ　　Ｖｂ） となるので、コンデンサＣ＋ｏに流れる平均電流■は、 １＝ｄＱ／ｄｔ 窒ΔＱ／Ｔ ＝　　（Ｖａ　　−Ｖｂ　）Ｃｓｏ／Ｔ＝　　（Ｖａ−
Ｖｂ）／Ｒ１゜ Ｒｓｏ＝Ｔ／Ｃ１ｏ　　　　　　　　　　　”　　（ｉ
）となる。

すなわち、回路α〔は、（ｉ）式で示される抵抗Ｒｓｏ
と等価である。

したがって、この等価抵抗回路α１に、第４図に示すよ
うに反転入力のオプアンブ（２０）および負帰還用のコ
ンデンサＣ２０が接続されれば、その等価回路は第５図
に示すようになり、これは反転型の積分回路にほかなら
ない、なお、この積分回路の伝達関数Ｈ（５）は、ωＴ
〈〈１のとき、である。

また、第６図に示すように、スイッチ回路（ＩＯＡ）と
（ＩＯＢ）とが逆相で切り換えられれば、同様の理由に
より正転型（非反転型）の積分回路となる。

ところで、一般の２次のフィルタ、例えはローパスフィ
ルタは、第７図のように示すことができる。なお、Ｔ１
は入力端子、Ｔ４は出力端子、（３１）　、　　（３２
）は加算回路、Ｋ１−に４はその加算の係数、（４１）
　、　　（４２）は積分回路である。

したがって、このローパスフィルタに、第４図および第
６図の積分回路を通用してＳＣＦを構成すると、第８図
のようになる。ただし、回路（１１）〜（１４）は回路
αΦと同様の等価抵抗回路、（ＩＡ）〜（４Ｂ）はその
スイッチ回路、（２１）　、　　（２２）は反転入力の
オペアンプであり、回路（１１）　、　　（１３）によ
り加算回路（３１）が構成されるとともに、回路（１１
）　、　　（１３）　、　　（２１）により積分回路（
４１）が構成される。そして、コンデンサＣｓｏに対応
するコンデンサは、加算係数Ｋｌ、に３に対応してＫＩ
　Ｃｔ　、に３　Ｃ１とされ（容量がＫＬ　ＣＬ　、　
Ｋ２Ｏ２とされる）、さらに、回路（１１）　、　　＜
１３）　。

（２１）による積分回路の伝達関数Ｈ（Ｓ）を、Ｈ（Ｓ
）　＝−− Ｔ にするため、（ｉｉ　）式からコンデンサＣ２０に対応
するコンデンサはＣ１とされる。また、回路（１２）。

（１４）　、　　（２２）についても同様とされる。な
お、この図では、パルスＰｓの信号ラインは省略するが
、スイッチ回路ＣＩＡ）　〜（ＩＢ）はＰｓ＝”１″の
とき図の状態、Ｐｓ＝“０３のとき図とは逆の状態とさ
れる。

そして、このようにローパスフィルタをＳＣＦにより構
成すると、■Ｃ化が可能であり、小型で電力が少なく、
しかも、ローコストである。さらに、各コンデンサの容
量の比で特性が決まるので、ばらつきが少なく、また、
温度特性も良好である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上述のフィルタにおいては第８図からも明ら
かなように、使用しているコンデンサおよびスイッチ回
路の数が非常に多い、また、当然のことながらローパス
特性しか得ることができず、バイパス特性やバンドパス
特性は得ることができない。

この発明は、このような問題点を解決しようとするもで
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、ＳＣＦにおいて、そのコンデンサの値を選
定するとともに、一部のコンデンサおよびスイッチ回路
を兼用する。

〔作用〕

全体の構成が簡略化される。多目的に使用できる。

〔実施例〕

ＳＣＦは一般のフィルタと異なり、離散的動作を行うの
で、Ｚ変換による解析が必要になる。

そこで、第８図のＳＣＦにおいて電荷に関して差分方程
式を立て、これを整理して２変換すると、Ｑｚ　−Ｑｔ
　Ｚ−”−に３０１　Ｖｏｕｔ　＋ＫＩＣｔ　ＶｉｎＺ
−”Ｃ２−Ｃ２Ｚ−”−に４　Ｇ２　Ｖ’ｏｕｔ　＋に
２　Ｃ２Ｑｔ　Ｚ−”／ＣｔＶｏｕｔ　＝Ｃ２／Ｃ２ となるので、第８図のＳＣＦのＺ変換による伝達関数Ｈ
（Ｚ）は、 Ｈ（Ｚ）　＝Ｖｏｕｔ　／Ｖｔｎ （Ｚ　　１）２＋に４　Ｚ　（Ｚ　　１）＋に２　Ｋ３
Ｚ・・・・（ｉｉｉ　） となる。

そして、 Ｚ＝　（１＋ｓＴ／２）／　（１−３Ｔ／２）を（ｉｉ
ｉ　）式に代入して伝達関数Ｈ（Ｓ）を求めると、 ＩＫ２ Ｂ−１＋に４／２　　Ｋ２に３／４（字１）となる。

一方、バターワース型やベッセル型のフィルタの伝達関
数Ｈ（Ｓ）は、 ・・・・　（ｖ） λ＝　ｊω／ωＣ ＝Ｓ／ωＣ ωＣ：カットオフ周波数 であり、値Ωｏ、Ｑはフィルタの型により決り、フィル
タ図表から求めることができる。

そして、（ｖ）式は第７図のフィルタにもあてはまるの
で、（ｉｖ　）式と（ｖ）式とを比較して（ｚｉ／２＝
ｌとする）、 Ｋｓ　＝に３　　　　　　　　　・・”　（ｖｉ）Ｋ２
　Ｋ３　＝ωｇ　Ｔ２／Ａ　　　”＝　（ｖｉ）Ｋ４＝
ωｏ　Ｔ／　（ＡＱ）　　　”　（ｖｉｉ）となる、そ
して、さらに、 Ｋ２　＝に４　　　　　　　　　・・・・（ｉｘ　）と
すれば、 Ｋｌ　＝に３　＝（ｄｏ　ＴＱ　　　　・・・・（ｘ）
となる。

すなわち、第８図のＳＣＦにおいて、（ｖｉ　）〜（ｖ
ｉｉ）式が成立していれば、必要なローパスフィルタ特
性を得ることができる。そして、その場合、（ｉｘ）　
＋　　（ｘ）式から、 Ｋｉ　＝Ｋｔ　、　　Ｋ２　＝に４　”　（ｉｘ）　、
　　（ｘ）にすることができる。

この発明は、（ｉｘ）、　　（ｘ）式に着目して全体の
構成を簡略化したものである。

すなわち、第１図において、等価抵抗回路（１１）とし
てスイッチ回路（ＩＡ）　、　　（ＩＢ）が設けられる
とともに、それらの親接点間にコンデンサＫＩＣ１（容
量もＫＩＣｌとする）が接続される。そして、スイッチ
回路（ＩＡ）の″Ｏ″接点は第１の入力端子Ｔ１に接続
され、スイッチ回路（ＩＢ）の“０”接点は接地される
とともに、その１”接点はオペアンプ（２１）の反転入
力端に接続され、このアンプ　（２１）の出力端と反転
入力端との間に負帰還用のコンデンサＣ１（容置Ｃｔ）
が接続される。

なお、アンプ（２１）の正転入力は接地される。

さらに、等価抵抗回路（１２）としてスイッチ回路（２
Ａ）　、　　（２Ｂ）　、コンデンサに２Ｃ２，Ｃ２（
容量はそれぞれに２Ｃ２，Ｃ２）およびアンプ（２２）
が同様に接続されるととも、スイッチ回路（２Ａ）の１
０”接点がアンプ（２１）の出力端に接続され、アンプ
（２２）の出力端が出力端子Ｔ４に接続される。また、
アンプ（２２）の出力端がスイッチ回路（２Ａ）　、　
　（ＩＡ）の各“１”接点に接続される。さらに、第２
および第３の入力端子Ｔ２゜Ｔ３が、コンデンサＫｓ　
Ｃ１，Ｋｓ　Ｃ１（容量はそれぞれに５　Ｃ１，ＫＩ　
Ｃ１）を通じてアンプ（２２）　、　　（２１）の反転
入力に接続される。なお、第１〜第３の入力端子Ｔ１〜
Ｔ３は、それぞれローパス特性、バイパス特性、バンド
パス特性を得るときに使用される。

このような構成において、端子Ｔ２．Ｔ３を開放とし、
端子Ｔ１に入力電圧Ｖｉｎを供給した場合、には、ロー
パス特性が得られる。すなわち、端子Ｔ１の入力電圧Ｖ
ｉｎから見た場合、Ｐｓ＝“０”のとき、コンデンサＫ
ＩＣｘは電圧Ｖｉｎにより充電され、Ｐｓ＝“１”のと
き、その充電電圧が逆極性にアンプ（２１）に供給され
るので、回路（１１）は第８図の回路（１１）と等価で
ある。また、出力電圧Ｖｏｕｔから見た場合、Ｐｓ−“
１”のとき、コンデンサＫｓ　Ｃｔは電圧Ｖｏｕｔによ
り充電されるとともにアンプ（２１）に供給されるので
、回路（１１）は第８図の回路（１３）においてに３　
＝に１とした場合と等価である。したがって、この回路
（１１）は、第８図の回路（１１）　、　　（１３）に
おいてに１　＝に３としたものと等価である。

そして、同様の理由により回路（１２）は、第８図の回
路（１２）　、　　（１４）においてに２−に４とした
ものと等価である。

したがって、この回路の端子Ｔ１〜Ｔ４間は（ｖｉ　）
〜（Ｘ）式で示されたローパスフィルタとして動作する
ことになる。

また、端子Ｔ１を接地し、端子Ｔ３を開放として端子Ｔ
２に入力電圧Ｖｉｎを供給した場合には、バイパス特性
が得られる。すなわち、端子Ｔ２の入力電圧Ｖｉｎは、
コンデンサに５　Ｃｔおよびアンプ（２２）を通じてそ
の出力端に現れるので、この回路は等価的に第２図のよ
うに示される。そして、このとき、端子Ｔ１は接地され
ているので、この回路の端子Ｔ２〜Ｔ４間は、バイパス
フィルタとして動作することになる。なお、このときの
伝達関数および値は次のとおりである。

Ｋ１＝ωｏＴＱ Ｋ２　＝に４　＝ωＱ　Ｔ／　（ＡＱ）Ｋ５冨１／Ａ さらに、端子Ｔ１を接地し、端子Ｔ２を開放として端子
Ｔ３に入力電圧Ｖｉｎを供給した場合には、バンドパス
特性が得られる。すなわち、端子Ｔ３の入力電圧Ｖｉｎ
は、コンデンサＫｅ　Ｃｔおよびアンプ（２１）を通じ
てその出力端子に現れるので、この回路は等価的にやは
り第２図のように示される。そして、このとき、端子Ｔ
１は接地されているので、この回路の端子Ｔ３〜Ｔ４間
は、バンドパスフィルタとして動作することになる。な
お、このときの伝達関数および値は次のとおりである。

こうして、この発明によれば、１つのＳＣＦフィルタヲ
、ローパスフィルタ、バイパスフィルタあるいはバンド
パスフィルタとして動作させることができる。しかも、
その場合、第１図からも明らかなように、コンデンサお
よびスイッチ回路の数を減らすことができ、構成を簡略
化できる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、１つのＳＣＦフィルタを、ローパス
フィルタ、バイパスフィルタあるいはバンドバスフィル
タとして動作させることができる。

しかも、その場合、第１図からも明らかなように、コン
デンサおよびスイッチ回路の数を減らすことができ、構
成を簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一例の接続図、第２図〜第８図はそ
の説明のための図である。 （２１）　、　　（２２）はオペアンプである。 Ｔ ！部１７１回路図 第３図 学評の口終肥 平静の亨７ａ回柊面 第５図 を舒め口終圀 第Ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１および第２のスイッチ回路の親接点の間に第１のコ
   ンデンサが接続され、 上述第２のスイッチ回路の一方の接点が接地され、 上記第２のスイッチ回路の他方の接点が第１のアンプの
   反転入力端に接続され、 上記第１のアンプの出力端と上記反転入力端との間に第
   ２のコンデンサが接続され、 第３および第４のスイッチ回路と、第３および第４のコ
   ンデンサと、第２のアンプとが、上記第１および第２の
   スイッチ回路と、上記第１および第２のコンデンサと、
   上記第１のアンプと同様の関係に接続され、 第１の入力端子が上記第１のスイッチ回路の一方の接点
   に接続され、 第２および第３の入力端子が、第５および第６のコンデ
   ンサを通じて上記第１および第２のアンプの上記反転入
   力端にそれぞれ接続され、 上記第１のアンプの上記出力端が上記第３のスイッチ回
   路の一方の接点に接続され、 上記第２のアンプの出力端が出力端子に接続されるとと
   もに、 上記第１および第３のスイッチ回路の他方の接点に接続
   され、 上記第１〜第６のコンデンサが所定の容量とされ、 上記第１〜第４のスイッチ回路が同期して切り換えられ
   、 上記出力端子から所定の周波数特性を有する出力信号が
   取り出されるスイッチト・キャパシタ・フィルタ。