JPH05886B2

JPH05886B2 -

Info

Publication number: JPH05886B2
Application number: JP58143182A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Hashimoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1993-01-07
Also published as: JPS6033722A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は信号の振幅制限装置すなわちリミツタ
に関するものである。振幅制限装置は、種々の用
途に使用され、その適用範囲は著しく広い。例え
ば周波数変調信号を送信する場合、又は周波数変
調信号を復調する場合等においては特に振幅制限
装置を使用する必要がある。本発明の振幅制限装
置は、例えば磁気記録再生装置における様に、比
較的高い変調周波数に対する周波数復調器に適用
して好適なものであり、また集積回路化に適した
ものである。

従来例の構成とその問題点近年、集積回路化に適した振幅制限装置として
は、容量またはコイルを使用してリミツタバラン
スを改善する、すなわち振幅制限に伴なう偶数次
高調波成分の発生を少なくするようにしたものが
一般的である。

以下に従来の集積回路に使用される振幅制限装
置について説明する。

第１図は従来の集積回路に使用される振幅制限
装置の回路図を示すものであり、１は振幅制限す
べき微小信号の入力端子、２，３はトランジス
タ、４，５は抵抗であつて、それぞれ第１、第２
のエミツタホロア回路を構成し、トランジスタ
２，３のベースはそれぞれ抵抗６，７を介して電
圧源８によりバイアスされ、トランジスタ２のベ
ースはまた、入力端子１に接続されている。９，
１０はトランジスタ、１１，１２はエミツタ抵
抗、１３は電流源、１４，１５はコレクタ抵抗で
あつて、それぞれ第１の増幅器を構成し、トラン
ジスタ９，１０のベースはそれぞれトランジスタ
２，３のエミツタに接続され、トランジスタ９，
１０のエミツタはそれぞれエミツタ抵抗１１，１
２を介して電流源１３に接続され、トランジスタ
９，１０のコレクタはそれぞれコレクタ抵抗１
４，１５に接続されている。１６，１７はトラン
ジスタ、１８，１９は抵抗であつて、それぞれ第
３、第４のエミツタホロア回路を構成し、トラン
ジスタ１６，１７のベースはトランジスタ９，１
０のコレクタに接続されている。２０，２１はト
ランジスタ、２２，２３は電流源、２４，２５は
コレクタ抵抗であつて、それぞれ第２の増幅器を
構成し、トランジスタ２０，２１のベースはトラ
ンジスタ１６，１７のエミツタに接続され、トラ
ンジスタ２０，２１のエミツタはそれぞれ電流源
２２，２３に接続され、トランジスタ２０，２１
のコレクタはコレクタ抵抗２４，２５に接続され
ている。２６，２７は集積回路内部と外部回路を
接続するため集積回路に設けられた端子、２８は
容量、２９，３０は出力端子であつて、トランジ
スタ２０，２１のエミツタは端子２６，２７を介
して容量２８で結合され、トランジスタ２０，２
１のコレクタは出力端子２９，３０に接続されて
いる。

以上のように構成された従来の振幅制限装置に
ついて、以下その動作について説明する。

第１図において、入力端子１から入力された信
号は第１のエミツタホロア回路を介して、低イン
ピータンスで第１の増幅器を構成するトランジス
タ９のベースに入力される。トランジスタ９，１
０は差動増幅器を構成し、それぞれのベースは前
記バイアス回路、第１、第２のエミツタホロア回
路でバイアスされ、入力信号が微小の時はエミツ
タ抵抗１１，１２、電流源１３の電流値に反比例
するトランジスタ９，１０の交流エミツタ抵抗、
およびコレクタ抵抗１４，１５でほぼ決まる増幅
度で増幅され、第３、第４のエミツタホロア回路
を介して、低インピーダンスで出力される。ここ
で、第３、第４のエミツタホロア回路により出力
される第１の増幅器の出力信号は入力端子１に入
力された信号とはそれぞれ逆相および同相の関係
にある。これらは第２の増幅器を構成するトラン
ジスタ２０，２１のベースに入力され、電流源２
２，２３の電流値に反比例するトランジスタ２
０，２１の交流エミツタ抵抗、容量２８およびコ
レク抵抗２４，２５でほぼ決まる増幅度で増幅さ
れ、出力端子２９，３０から出力される。今、入
力端子１に入力される入力信号の交流成分をV_i、
第１の増幅器が線形動作しているものとして、そ
の増幅度をG₁とすると、第１の増幅器の出力信
号すなわち第２の増幅器の入力信号はそれぞれ −G₁V_i，G₁V_i となる。第２の増幅器の線形動作時における増幅
度をG₂、出力端子２９，３０に出力される出力
信号をV_p，−V_pとすると、V_iが十分に小さい時、 V_p＝G₁G₂V_i ……(1) となる。ここで、 G₂＝R_c／r_e＋１／２・¹／_SC……(2) ただし、r_eはトランジスタ２０，２１における
交流エミツタ抵抗で電流源２２，２３の電流値を
I₂、ｋをボルツマン定数、ｑを電子の電荷、Ｔを
絶対温度として、 r_e＝kT／ｑ・１／I₂ であり、Ｓは複素角周波数でＳ＝ｊ・2π、は
入力信号の周波数、Ｃは容量２８の容量値、R_c
はコレクタ抵抗２４，２５の抵抗値であり、トラ
ンジスタ２０，２１の電流増幅率hFEは十分に大
きいものとする。次に、抵抗２４，２５における
電圧降下は電流源２２，２３の電流値がそれぞれ
I₂であるから、入力信号がない時はそれぞれR_c・
I₂であり、交流信号が入力される時、電圧降下の
最大値は2R_cI₂、最小値は零である。従つて、
G₁G₂V_iが正または負の方向にR_cI₂または−R_cI₂を
越える時、振幅制限されて交流信号レベルR₂I₂−
または−R₂I₂一定で出力される。ここで、微小入
力信号｜V_i｜＜R_cI₂／G₁G₂ に対する出力信号の周波数特は性式(1)、(2)より V_p／V_i＝G₁×R_c／r_e×j4πf・r_eＣ／１＋j4πj・r_eＣ……(3) となる。G₁は定数であるので、式(3)は高域通過
ろ波特性となつて、その遮断周波数f_cは f_c＝１／2π×１／2r_eＣとなる。ここで、具体的な数値例として、I₂＝
0.1mAとするとr_e≒260Ωであるので、この時_c＝
500KHzを得るためにはＣ≒612pFを必要とする。

一方、上記回路の直流電位について考察する
と、トランジスタ２，３、抵抗４，５、抵抗６，
７、トランジスタ９，１０、抵抗１１，１２、抵
抗１４，１５、トランジスタ１６，１７、抵抗１
８，１９がそれぞれ全く同じ特性を持つ場合、入
力端子１が無入力の時、トランジスタ１６，１７
のエミツタ電位は等しくなる。しかしながら、集
積回路においてはこれらの特性は一定分布のバラ
ツキを有し、直流電位差を持つことになる。

一般に振幅制限回路の性能を評価するものとし
てリミツタバランス（振幅制限装置における入力
信号周波数成分に対する偶数次高調波成分発生の
割合）がある。今、このリミツタバランスの例と
して、振幅制限装置の入力信号V_iの振幅V_a、周
波数を、 V_i＝V_acos2πt とし、振幅制限装置の増幅度が十分に大と仮定
し、その出力信号V_pが振幅１の矩形波であるも
のとする。ここで振幅制限装置の直流バイアスが
ΔVだけずれV_i＝ΔVのタイミングが矩形波の立
上り、立下りのタイミングになる様、増幅されて
いる場合、矩形波は周波数の奇数次の高調波成
分の外に偶数次な高調波成分を持つことになる。
そこで、周波数の成分の振幅をV_p1、周波数2
の成分振幅をV_p2とするとV_p1，V_p2はフーリエ級
数の定理 V_p＝V_pp／２＋V_p1cosφ＋V_p2cos2φ＋…… V_po＝２／π∫〓_pU_p（φ）cosnφdφ ただし、φ＝2πt より、が求まる。結局、 V_p1／V_p2＝V_a／ΔV であつて、リミツタバランスは振幅制限動作を行
なう増幅器入力における入力信号振幅と無入力時
の直流電圧のずれの比で評価することができる。

第１図の従来例の場合、第１の増幅器において
微小入力信号を増幅して上記V_aを大くする。容
量２８は第１の増幅器で発生する直流電位差を遮
断するものであつて、第３、第４のエミツタホロ
ア回路出力における交流信号だけ第２の増幅器で
増幅、振幅制限する効果を有するので上記ΔVは
第２の増幅器で発生するものだけになつて非常に
小さくなり、リミツタバランスが改善される。

ところで、集積回路上に集積できる容量はたか
だか10pF程度であつて、上記の様な構成で、数
100KHz以上の通過帯域を有する増幅器を集積回
路だけで実現することは不可能である。このた
め、上記のような構成では集積回路に端子を２つ
設けて容量を外部から接続しなければならないと
いう問題を有していた。

一方他の構成としてはコイルを使う例がある
が、これは第１の増幅器を構成するトランジスタ
９，１０のコレクタ間にコイルを挿入し、第２の
増幅器を構成するトランジスタ２０，２１のエミ
ツタを直結するものであつて、この場合もコイル
は集積回路上に設けることが出来ず、集積回路に
端子２つを設けて外部からコイルを接続しなけれ
ばならないという問題を有している。

発明の目的本発明は上記従来の問題点を解消するもので、
集積回路化可能なトランジスタ、ダイオード、抵
抗、および微少な容量で構成でき、性能的にも微
小入力信号に対して、偶数次高調波成分の発生が
少ない、集積回路化に適した振幅制限装置を提供
することを目的とする。

発明の構成本発明は第１、第２の増幅手段と、第１、第２
のクランプ手段を備えた振幅制限装置であり、第
１の増幅手段で微小入力信号を線形増幅して、振
幅が等しく、互いに逆相の２つの出力信号を得、
それぞれ第１、第２のクランプ手段で等しい直流
電圧にクランプし、第２の増幅手段でその差信号
を増幅、振幅制限することにより、第１の増幅手
段が発生する直流レベル変動を除去し、入力信号
中における交流信号成分のみを増幅、振幅制限す
ることのできるものである。

実施例の説明第２図は本発明の１実施例における振幅制限装
置のブロツク図を示すものであつて、１は振幅制
限すべき微小信号の入力端子、３１は第１の増幅
器、３２，３３はそれぞれ第１の増幅器の第１、
第２の出力端子、３４は第２の増幅器、３５，３
６はそれぞれ第２の増幅器の第１、第２の入力端
子、３７，３８は第１、第２のクランプ回路、２
９，３０は振幅制限された信号の第１、第２の出
力端子である。ここで、第１の増幅器３１は入力
端子１に入力された信号を線形増幅し、第１のク
ランプ回路３７は第１の増幅器３１の第１の出力
端子３２と第２の増幅器３４の第１の入力端子３
５の間に、第２のクランプ回路３８は第１の増幅
器３１の第２の出力端子３３と第２の増幅器３４
の第２の入力端子３６の間に配置され、第２の増
幅器３４は入力端子３５，３６に入力される信号
の差電圧を非線形増幅、すなわち差電圧が一定レ
ベルを越える時、電圧制限して出力端子２９，３
０から振幅制限された信号を出力する。

以上の様に構成された本実施例の振幅制限装置
について、以下その動作を説明する。

入力端子１から入力された増幅制限すべき微小
信号は第１の増幅器３１で適当な振幅まで増幅さ
れ、第１、第２の出力端子３２，３３から振幅が
等しく、互いに逆相の関係で出力される。今、第
１の増幅器３１を構成する素子、バイアス回路等
のバラツキにより、第１の増幅器３１の第１、第
２の出力端子３２，３３の直流電圧に差が生じた
場合、これをこのまま第２の増幅器３４増幅、振
幅制限すると、前述したように、第１の増幅器３
１の第１、第２の出力端子３２，３３における交
流信号の振幅と、各々の出力端子に逆相の信号が
出力されている故その直流電位差の1/2との比が
ほぼ振幅制限された信号の基本周波数成分と第２
次高調波成分の比となり、入力信号の振幅が小さ
く、第１の増幅器３１の増幅度が大きい程、リミ
ツタバランスが悪くなる。第１、第２のクランプ
回路は第１の増幅器３１の第１、第２の出力端子
３２，３３における直流電圧を遮断し、かつ、等
しい直流電流を第２の増幅器３４の第１、第２の
入力端子３５，３６に与えるもので、その結果、
第２の増幅器３４で第１の増幅器３１の出力交流
信号成分のみを増幅、振幅制限することができ
る。

ここで、第１、第２のクランプ回路、第２の増
幅器自体でも直流電圧差を発生するが、入力信号
の交流信号振幅が第１の増幅器で適当な値まで増
幅されている時、実用上問題のない程度まで偶数
次高調波成分を小さくすることができる。

なお、本発明においては第１の増幅器は単に微
小入力信号を増幅するためだけに必要であるので
はなく、互いに逆相の信号を出力することによ
り、第２の増幅器の２つの入力端子におけるクラ
ンプ動作による直流電圧変化量を等しくして、第
２の増幅器でこれを除去出来るようにするために
も不可欠である。

以上のようにその動作を説明した本実施例の振
幅制限装置についつて、第４図の具体回路例を用
いてさらに詳しく説明する。

第３図において、１は振幅制限すべき微小信号
の入力端子、２，３はトランジスタ、４，５は抵
抗であつて、それぞれ第１、第２のエミツタホロ
ア回路を構成し、６，７は抵抗、８は電圧源であ
つて、それぞれバイアス回路を構成し、９，１０
はトランジスタ、１１，１２はエミツタ抵抗、１
３は電圧源、１４，１５はコレクタ抵抗であつ
て、それぞれ第１の増幅器を構成し、１６，１７
はトランジスタ、１８，１９は抵抗であつて、そ
れぞれ第３、第４のエミツタホロア回路を構成
し、２０，２１はトランジスタ、２２，２３は電
流源、２４，２５コレクタ抵抗であつて、それぞ
れ第２の増幅器を構成し、２９，３０は振幅制限
された信号の出力端子であつて、以上は第１図の
構成と同様なものである。第１図の構成と異なる
のは、容量３９，４０、ダイオード４１，４２、
電圧源４３で構成される第１、第２のクランプ回
路をそれぞれ第３、第４のエミツタホロア回路を
構成するトランジスタ１６，１７のエミツタと第
２の増幅器を構成するトラジスタ２０，２１のベ
ースの間に挿入した点、および第１の従来例から
端子２６，２７と容量２８を除去し、トラジスタ
２０，２１のエミツタを直結した点である。

上記のように構成された具体回路例について、
以下その動作を説明する。

第３図において、入力端子１から入力された信
号は第１のエミツタホロア回路を介して第１の増
幅器に入力され、エミツタ抵抗１１，１２、電流
源１３の電流値に反比例する交流エミツタ抵抗、
コレクタ抵抗１４，１５でほぼ決まる増幅度で増
幅され、第３、第４のエミツタホロア回路を介し
て低インピーダンスで出力され、それぞれ容量３
９、ダイオード４０で構成される第１のクラプ回
路、容量４０、ダイオード４１で構成される第２
のクランプ回路を駆動する。第１、第２のクラン
プ回路は第２の増幅器の第１、第２の入力端子で
あるトランジスタ２０，２１のベースに接続され
ている故、クランプ回路の時定数は容量３９，４
０の値の、ダイオード４１，４２の交流インピー
ダンスとトランジスタ２０，２１のベースインピ
ーダンスの並列結合で決定する。今、トランジス
タ２０，２１の電流増幅率をh_FE、電流源２２，
２３の電流値をI₂とすると、入力端子１が無入力
であつて、第３、第４のエミツタホロア回路に出
力がない時、ダイオード４１，４２およびトラン
ジスタ２０，２１にはI₂／（１＋h_FE）なる電流
が流れる。この状態では微小交流電流を流す時の
交流インピーダンスはr_e＝kT／ｑ・１／I₂として、ダイオード４１，４２がそれぞれ（１＋h_FE）r_e、
トランジスタのベース入力インピーダンスが
h_FE・r_eである。したがつて、この時のクランプ
回路の時定数はh_FE≫１として、ほぼ1/2h_FEr_eとな
る。また、入力端子１に適当な振幅の信号が入力
され、第３、第４のエミツタホロア回路出力に十
分大きな信号が出力されている時、第２の増幅器
のそれぞれの入力では電圧源４３で決まる電位で
クランプされる。これらの信号は逆相であるの
で、一方のダイオードがクランプ動作を行なつて
導通状態になつている時、これに接続されたトラ
ンジスタは遮断、他方のダイオードは遮断、また
この他方の、ダイオードに接続されたトランジス
タは導通状態となる。第２の増幅器を構成するト
ランジスタ２０，２１が共に導通状態になるの
は、第３、第４のエミツタホロア回路出力がそれ
ぞれの平均レベル付近にある時で、この時ダイオ
ード３９，４０は共に遮断状態にあり、トランジ
スタ２０，２１のベース入力インピーダンスはそ
れぞれh_FE・r_eであり、この時クランプ回路の時
定数はh_FE・r_e・Ｃとなる。結局、第２の増幅器
が増幅動作を行なう状態での振幅制限装置の周波
数特性は高域通過ろ波特性を示し、その時の遮断
周波数_cは _c＝１／2π・１／h_FE・r_e・Ｃとなる。ここで、具体的な数値例として、I₂＝
0.1mA、h_FE＝100とすると_c＝500KHを得るため
にはＣ≒12pFを必要とする。

なお、上記の回路例において、第２の増幅器の
各々スペースに第５、第６のエミツタホロア回路
を設け、第２の増幅器の入力インピーダンスを大
きくすることにより、クランプ回路の時定数をさ
らにh_FE倍、従つて遮断周波数を１／h_FEにするこ
とができる。ただし、この場合の欠点として、第
５、第６のエミツタホロア回路で直流電位差が発
生するとそれだけリミツタバランスは悪化する。

発明の効果入力信号を線形増幅して互いに逆相の信号を得
る第１の増幅器と、２つの入力信号の差信号を増
幅して振幅制限する第２の増幅器と、第１の増幅
器と２つの出力端子と、第２の増幅器の２つの入
力端子の間に対称な２つのクランプ回路を設ける
ことにより、微小入力信号を第１の増幅器で増幅
して、第２の増幅器で振幅制限可能とするととも
に、第１の増幅器で発生する直流電圧変動により
リミツタバランスが悪化するのを防止するため、
この直流電圧を遮断し、かつ、所定の通過帯域を
得るに必要な容量値を小さくして集積化可能と
し、集積回路の外部に容量またはコイルを必要と
せず、その結果集積回路の端子数を少なくして、
高集積化、集積回路のパツケージの小形化を可能
とすることができ、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の振幅制限装置の回路図、第２図
は本発明の一実地例における振幅制限装置のブロ
ツク図、第３図は同実施例における振幅制限装置
の具体回路図である。１……入力端子、３１……第１の増幅器、３２
……第１の増幅器の第１の出力端子、３３……第
１の増幅器の第２の出力端子、３４……第２の増
幅器、３５……第２の増幅器の第１の入力端子、
３６……第２の増幅器の第２の入力端子、３７…
…第１のクランプ回路、３８……第２のクランプ
回路、２９，３０……出力端子。

Claims

【特許請求の範囲】

１振幅制限すべき信号の入力手段と、前記入力
手段に接続された入力端子および第１、第２の出
力端子を有し、入力端子に印加された信号を増幅
し互いに逆相の信号を前記第１、第２の出力端子
に得る第１の増幅手段と、第１、第２の入力端子
と少なくとも一つの出力端子を有し、第１、第２
の入力端子に印加された信号の差信号を増幅する
第２の増幅手段と、前記第１の増幅手段の第１の
出力端子と前記第２の増幅手段の第１の入力端子
の間に配置された第１のクランプ手段と、前記第
１の増幅手段の第２の出力端子と前記第２の増幅
手段の第２の入力端子の間に配置された第２のク
ランプ手段と、前記第２の増幅手段の出力端子に
接続された振幅制限信号の出力手段とを備えたこ
とを特徴とする振幅制限装置。