JPH0716428U - アクティブフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 少ないコンデンサ容量で低いカットオフ周波
数を得ることができるようにしたアクティブフィルタを
提供する。 【構成】 Ｇｍアンプ１２の出力電流を第一〜第三差動
増幅器１８、２４、１５からなるマルチプライヤに供給
し、第一、第二差動増幅器１８、２４のベースバイアス
の電流源１９、２２の電流の比を［Ｉ_{2 2}／Ｉ_{1 9}］とし、
その電流源に接続されるダイオード回路２０、２３の各
々のダイオード個数をＮとするとき、カットオフ周波数
（ｆ＝ＫＧｍ／２πＣ）を決めるＫをＫ＝［Ｉ_{2 2}／
Ｉ_{1 9}］^N で得て、コンデンサＣの容量を大きくすること
なく、カットオフ周波数を低下させる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、Ｇｍアンプ、マルチプライヤ及びコンデンサから構成したアクティ ブフィルタに係り、特にコンデンサ容量を少なくできるようにしてＩＣ（集積回 路）内に取り込め、しかも低いカットオフ周波数を得ることがでるようにしたロ ーパスフィルタとしてのアクティブフィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図２に従来のローパスフィルタとしてのアクティブフィルタの回路を示す。こ の回路は、電流が２Ｉａの定電流源１に同値の抵抗Ｒ１、Ｒ２を共通接続し、そ の抵抗Ｒ１、Ｒ２にトランジスタＱ１、Ｑ２を差動接続してＧｍアンプ６を構成 し、そのトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタにダイオード接続のトランジスタＱ ３、Ｑ４を負荷として接続し、そのトランジスタＱ３、Ｑ４のエミッタを定電圧 源２に接続している。

【０００３】 そして、Ｇｍアンプ６の両トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ出力の差成分を トランジスタＱ５〜Ｑ８からなるマルチプライヤ７に出力している。このマルチ プライヤ７のトランジスタＱ５、Ｑ６はＧｍアンプ６の出力差成分を入力し、そ れらのコレクタには負荷としてカレントミラー接続のトランジスタＱ７、Ｑ８が 接続される。３は電流が２Ｉｂの定電流源である。Ｃはコンデンサである。

【０００４】 この回路では、トランジスタＱ１のベースの入力端子４に印加した入力電圧を Ｖｉとし、出力端子５から得られる出力電圧をＶｏとすると、 Ｖｏ（ｓ）＝Ｖｉ（ｓ）／（１＋ＳＣ／ＫＧｍ） ・・（１） が得られる。Ｓは演算子（ｊω）、ＣはコンデンサＣの容量、ＧｍはＧｍアンプ ６の相互コンダクタンス、Ｋは定数である。

【０００５】 この式（１）から明らかなように、カットオフ周波数ｆは、 ｆ＝ＫＧｍ／２πＣ ・・（２） で表される。

【０００６】 ここで、ダイオード接続のトランジスタＱ３、Ｑ４のコレクタ間の電圧をＶｘ （但し、トランジスタＱ３のコレクタ側を正とする）とし、循環電流をｉａ、Ｖ _BEQ3 、Ｖ_BEQ4をトランジスタＱ３、Ｑ４のベース・エミッタ間電圧とすれば、 Ｖ_BEQ3＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉａ＋ｉａ）／Ｉｓ］ ・・（３） Ｖ_BEQ4＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉａ−ｉａ）／Ｉｓ］ ・・（４） Ｖｘ ＝Ｖ_BEQ3−Ｖ_BEQ4 ＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉａ＋ｉａ）／（Ｉａ−ｉａ）］ ・・（５） となる。Ｖ_T はトランジスタのサーマル電圧、ｌ_n は自然対数、Ｉｓはトランジ スタの飽和電流である。

【０００７】 この電圧Ｖｘはマルチプライヤ７のトランジスタＱ５、Ｑ６のベース間の電圧 でもあるので、そこの循環電流をｉｂ、Ｖ_BEQ5、Ｖ_BEQ6をトランジスタＱ５、Ｑ ６のベース・エミッタ間電圧とすれば、 Ｖ_BEQ5＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉｂ＋ｉｂ）／Ｉｓ］ ・・（６） Ｖ_BEQ6＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉｂ−ｉｂ）／Ｉｓ］ ・・（７） Ｖｘ ＝Ｖ_BEQ5−Ｖ_BEQ6 ＝Ｖ_T ・ｌ_n ［（Ｉｂ＋ｉｂ）／（Ｉｂ−ｉｂ）］ ・・（８） となる。

【０００８】 よって、式（５）と（８）とから、 （Ｉａ＋ｉａ）／（Ｉａ−ｉａ）＝（Ｉｂ＋ｉｂ）／（Ｉｂ−ｉｂ） ・・（９） となるので、 ｉａ＝ｉｂ・Ｉａ／Ｉｂ ・・（１０） となる。

【０００９】 よって、上記した式（１）の定数Ｋを Ｋ＝ｉｂ／ｉａ ・・（１１） とすれば、この定数Ｋは、 Ｋ＝Ｉｂ／Ｉａ ・・（１２） となる。

【００１０】 前述の式（２）により、カットオフ周波数ｆを変化させるには、Ｋの値、すな わち、［Ｉｂ／Ｉａ］の値を変化させれば良い。例えば、最低のカットオフ周波 数を得るには、Ｇｍを限界まで小さくし、式（１２）のＫの値を小さくするため に、Ｇｍアンプ６の定電流源１の電流２Ｉａの値に対し、マルチプライヤ７の定 電流源３の電流２Ｉｂの値を小さく設定すれば良い。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

しかながら、このような［Ｉｂ／Ｉａ］の値には限界があり、ある限度以下に することはできない。それは、［Ｉｂ／Ｉａ］による大きな電流比を得ることは 精度上困難であること、マルチプライヤ７の出力がＧｍアンプ６の入力に帰還さ れているので［Ｉｂ／Ｉａ］の電流比が大きすぎる場合、Ｇｍアンプ６のベース 電流の影響が大きくなるためである。従って、コンデンサＣの容量を大きくする 必要があり、ＩＣに組み込む際の大きな障害となっていた。

【００１２】 本考案の目的は、少ないコンデンサ容量で低いカットオフ周波数を得ることが できるようにして上記した問題を解決したアクティブフィルタを提供することで ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

このために本考案のアクティブフィルタは、入力電圧を電流に変換するＧｍア ンプと、該Ｇｍアンプの出力電流がコレクタに入力する第一トランジスタとコレ クタが出力端子に接続される第二トランジスタを差動接続し、該出力端子と接地 間にコンデンサを接続し、且つ該出力端子から上記Ｇｍアンプに帰還をかけた第 一差動増幅器と、上記第一トランジスタにコレクタ電流を供給する第三トランジ スタと上記第二トランジスタにコレクタ電流を供給する第四トランジスタとを差 動接続した第二差動増幅器と、上記Ｇｍアンプの上記電流の極性及びレベルに応 じて上記第一差動増幅器と上記第二差動増幅器の動作電流を差動的に変化させる 第三差動増幅器とを設け、上記第一及び第三トランジスタのベースを共通接続し てそこを第一共通接続点とし、該第一共通接続点に第一定電流源から定電流を供 給すると共に、該第一共通接続点と基準電圧源との間にＮ個の直列接続ダイオー ドからなる第一ダイオード回路を接続し、上記第二及び第四トランジスタのベー スを共通接続してそこを第二共通接続点とし、該第二共通接続点に第二定電流源 から定電流を供給すると共に、該第二共通接続点と上記基準電圧源との間に上記 第一ダイオード回路のダイオード接続個数と同一個数の直列接続ダイオードから なる第二ダイオード回路を接続して構成した。

【００１４】

【実施例】

以下、本考案の実施例について説明する。図１はその一実施例のローパスフィ ルタとしてのアクティブフィルタの回路図である。１０は入力端子、１１は出力 端子である。１２はＧｍアンプであって、定電流源１３、トランジスタＱ９、Ｑ １０（図２のトランジスタＱ１、Ｑ２に相当する。）、抵抗Ｒ３、Ｒ４（図２の 抵抗Ｒ１、Ｒ２に相当する。）からなる差動増幅器、一方のトランジスタＱ９の コレクタ電流を転移するトランジスタＱ１１、Ｑ１２からなるカレントミラー回 路、他方のトランジスタＱ１０のコレクタ電流を転移するトランジスタＱ１３、 Ｑ１４からなるカレントミラー回路、トランジスタＱ１２のコレタク電流を転移 するトランジスタＱ１５、Ｑ１６からなるカレントミラー回路等を具備し、トラ ンジスタＱ１６のコレクタ電流とトランジスタＱ１４のコレクタ電流の差分Ｉｉ が、このＧｍアンプ１２の入力端子１０に印加する電圧Ｖｉに応じた出力電流と なる。１４はトランジスタＱ９のベースバイアス用の定電圧源である。

【００１５】 従って、このＧｍアンプ１２では、入力端子１０に印加する電圧Ｖｉがトラン ジスタＱ１０のベース電圧より高くなると、トランジスタＱ１４、Ｑ１６の共通 接続部から流れる電流Ｉｉが実線の矢印方向に流れてその電圧Ｖｉの増大に比例 してその値が大きくなり、逆に低くなるとその破線の矢印方向（実線の矢印方向 と反対方向）に流れてその電圧Ｖｉの減少に比例してその値が大きくなる。

【００１６】 １５は第三差動増幅器であって、定電流源１６、トランジスタＱ１７〜Ｑ２０ からなり、トランジスタＱ１７はトランジスタＱ１６とＱ１４のコレクタ共通接 続点の電位に応じて動作し、トランジスタＱ１８はベース接地で定電圧源１７に よって固定バイアスされている。

【００１７】 よって、この第三差動増幅器１５では、上記したＧｍアンプ１２の出力電流Ｉ ｉが実線の矢印方向に流れるときはそのレベルに応じてトランジスタＱ１７のコ レクタ電流が減少し、トランジスタＱ１８のコレクタ電流はこれと反対に増大す る。逆に、電流Ｉｉが破線の矢印方向に流れるときはそのレベルに応じてトラン ジスタＱ１７のコレクタ電流が増大し、トランジスタＱ１８のコレクタ電流はこ れと反対に減少する。

【００１８】 １８は第一差動増幅器であって、トランジスタＱ２１〜Ｑ２５からなる。差動 回路を構成する一方のトランジスタＱ２３のベースバアイス回路は、定電流源１ ９、ダイオード接続したトランジスタをＮ個直列接続したダイオード回路２０及 び基準電圧源としての定電圧源２１から構成され、他方のトランジスタＱ２４の ベースバアイス回路は、定電流源２２、ダイオード接続したトランジスタをＮ個 直列接続したダイオード回路２３及び上記定電圧源２１から構成されている。

【００１９】 また、上記トランジスタＱ２３のコレクタには上記したＧｍアンプ１２の出力 電流Ｉｉが流れ、上記トランジスタＱ２４のコレクタはコンデンサＣ、Ｇｍアン プ１２のトランジスタＱ１０のベース及び出力端子１１に接続されている。

【００２０】 そして、この第一差動増幅器１８の動作電流を決めるトランジスタＱ２５は前 述の第三差動増幅器１５のトランジスタＱ２０とカレントミラー回路を構成し、 そのトランジスタＱ２０のコレクタ電流がその動作電流となる。

【００２１】 ２４は第二差動増幅器であって、トランジスタＱ２６〜Ｑ３０からなる。差動 回路を構成する一方のトランジスタＱ２８のベースは、上記トランジスタＱ２３ のベースと共通接続され、他方のトランジスタＱ２９のベースも上記トランジス タＱ２４のベースと共通接続されている。

【００２２】 トランジスタＱ２６は上記トランジスタＱ２１とカレントミラー回路を構成し 、トランジスタＱ２６のコレクタ電流がトランジスタＱ２１のコレクタに転移さ れる。またトランジスタＱ２７も上記トランジスタＱ２２とカレントミラー回路 を構成し、トランジスタＱ２７のコレクタ電流がトランジスタＱ２２のコレクタ に転移される。

【００２３】 そして、この第二差動増幅器２４の動作電流を決めるトランジスタＱ３０は前 述の第二差動増幅器１５のトランジスタＱ１９とカレントミラー回路を構成し、 そのトランジスタＱ１９のコレクタ電流がその動作電流となる。以上の第三差動 増幅器１５、第一差動増幅器１８及び第二差動増幅器２４はマルチプライヤを構 成する。

【００２４】 さて、この図１のアクティブフィルタでは、入力端子１０に電圧Ｖｉを印加す ると、Ｇｍアンプ１２によりこれが電流Ｉｉに変換され、この電流がトランジス タＱ２３のコレタク電流を増減させ、出力電流Ｉｏが得られる。

【００２５】 いま、電流Ｉｉが実線矢印方向に流れるときは、そのレベルに応じて第三差動 増幅器１５のトランジスタＱ１７のコレクタ電流が減少しトランジスタＱ１８の コレクタ電流が増大して、第一差動増幅器１８の動作電流を決めるトランジスタ Ｑ２５のコレクタ電流が増大し、第二差動増幅器２４の動作電流を決めるトラン ジスタＱ３０のコレクタ電流が減少する。このため、実線矢印方向に流れる電流 Ｉｏが電流Ｉｉのレベルに応じたレベルで流れる。

【００２６】 反対に、電流Ｉｉが破線矢印方向に流れるときは、第二差動増幅器１５のトラ ンジスタＱ１７、Ｑ１８のコレクタ電流が上記と反対に作用する。つまり、第一 差動増幅器１８の動作電流が減少し、第二差動増幅器２４の動作電流が増大し、 破線矢印方向に流れる電流Ｉｏが電流Ｉｉのレベルに応じたレベルで流れる。

【００２７】 このように、第三、第一、第二差動増幅器１５、１８、２４は、Ｇｍアンプ１ ２の出力電流Ｉｉの極性に応じて出力電流Ｉｏの極性を反転させる。このとき、 出力電流Ｉｏのレベルは、以下に述べるように、電流源１９、２２の電流で制御 できる。

【００２８】 まず、Ｖ_{BEQ2 3} をトランジスタＱ２３のベース・エミッタ間電圧、Ｖ_{BEQ2 4} を トランジスタＱ２４のベース・エミッタ間電圧、ＩｃをトランジスタＱ２１のコ レクタ電流、ＩｄをトランジスタＱ２２のコレクタ電流、ＩｅをトランジスタＱ ２３のコレクタ電流、ＩｆをトランジスタＱ２４のコレクタ電流、Ｖ_{BEQ2 8} をト ランジスタＱ２８のベース・エミッタ間電圧、Ｖ_{BEQ2 9} をトランジスタＱ２９の ベース・エミッタ間電圧、ＩｇをトランジスタＱ２８のコレクタ電流、Ｉｈをト ランジスタＱ２９のコレクタ電流、トランジスタＱ２３、Ｑ２８のベースとトラ ンジスタＱ２４、Ｑ２９のベースとの電位差をＶｘとする。

【００２９】 第一差動増幅器１８の側では、 Ｖｘ＝Ｖ_{BEQ2 4} −Ｖ_{BEQ2 3} ＝Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉｆ／Ｉｅ） が得られる。よって、 Ｉｆ＝Ｉｅ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１３） となる。

【００３０】 また、第二差動増幅器２４の側では、 Ｖｘ＝Ｖ_{BEQ2 9} −Ｖ_{BEQ2 8} ＝Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉｈ／Ｉｇ） が得られる。よって、 Ｉｈ＝Ｉｇ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１４） となる。

【００３１】 ここで、入力電流Ｉｉが入力すると、Ｉｃ＝Ｉｇ、Ｉｄ＝Ｉｈであるので、 Ｉｅ＝Ｉｉ＋Ｉｃ ＝Ｉｉ＋Ｉｇ ・・（１５） Ｉｆ＝Ｉｏ＋Ｉｄ ＝Ｉｏ＋Ｉｈ ・・（１６） となる。

【００３２】 よって、式（１３）、（１５）から、 Ｉｆ＝（Ｉｉ＋Ｉｃ）ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１７） となる。また、式（１４）、（１６）から、 Ｉｆ＝Ｉｏ＋Ｉｇ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１８） となる。

【００３３】 以上から、式（１７）と（１８）によって、 Ｉｏ＝Ｉｉ・ｅｘｐ（Ｖｘ／Ｖ_T ） ・・（１９） を得ることができる。

【００３４】 一方、ダイオード回路２０の順方向電圧Ｖ_{F2 0} は電流源１９の電流値をＩ_{1 9}と すると、ダイオード個数はＮ個であるので、 Ｖ_{F2 0} ＝Ｎ・Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉ_{1 9}／Ｉｓ） ・・（２０） となる。

【００３５】 また、ダイオード回路２３の順方向電圧Ｖ_{F2 3} は電流源２２の電流値をＩ_{2 2}と すると、ダイオード個数は同一のＮ個であるので、 Ｖ_{F2 3} ＝Ｎ・Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉ_{2 2}／Ｉｓ） ・・（２１） となる。

【００３６】 よって、式（２０）、（２１）からＶｘは、 Ｖｘ＝Ｖ_{F2 3} −Ｖ_{F2 0} ＝Ｖ_T ・ｌ_n （Ｉ_{2 2}／Ｉ_{1 9}）^N ・・（２２） で得られる。

【００３７】 以上から、式（１９）、（２２）によって、 Ｉｏ＝Ｉｉ（Ｉ_{2 2}／Ｉ_{1 9}）^N ・・（２３） が得られる。

【００３８】 ここで、出力端子１１の電圧はＶｏ、入力端子１０の電圧はＶｉであるので、 Ｉｉ（ｓ）＝Ｇｍ［Ｖｉ（ｓ）−Ｖｏ（ｓ）］ ・・（２４） Ｖｏ（ｓ）＝Ｉｏ（ｓ）／ＳＣ ・・（２５） となる。

【００３９】 この結果、式（２３）〜（２５）より、出力電圧は、 Ｖｏ（ｓ）＝Ｖｉ（ｓ）／｛１＋ＳＣ／［Ｇｍ（Ｉ_{2 2}／Ｉ_{1 9}）^N ］｝ ・・（２６） となる。この式（２６）を前述の式（１）と比較してみれば、 Ｋ＝（Ｉ_{2 2}／Ｉ_{1 9}）^N ・・（２７） となり、電流源２２の電流Ｉ_{2 2}と電流源１９の電流Ｉ_{1 9}の比のＮ乗倍となる。

【００４０】 以上の結果、カットオフ周波数（ｆ＝ＫＧｍ／２πＣ）は、電流源１９の電流 Ｉ_{1 9}のしくは電流源２２の電流Ｉ_{2 2}の電流値を変化させることよって可変でき、 そのカットオフ周波数の低下は［Ｉ_{2 2}／Ｉ_{1 9}］を小さくすることによって達成で きる。

【００４１】 すなわち、カットオフ周波数は、コンデンサＣの値、Ｇｍ、２つの電流源の電 流比で決定されるが、本実施例では電流源１９、２２の電流比がＮ乗倍されるた め、同じ電流比であっても、同一周波数、同一Ｇｍの場合に、コンデンサＣの値 を大幅に小さくすることができる。

【００４２】

【考案の効果】

以上から本考案のアクティブフィルタによれば、ダイオード回路の直列接続の ダイオード個数Ｎで決る値により、電流源の電流比やＧｍアンプのＧｍの問題等 を発生させることなく、ＩＣ内部に組み込むコンデンサ容量を大幅に小さくする ことができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の一実施例のアクティブフィルタの回
路図である。

【図２】 従来のアクティブフィルタの回路図である。

【符号の説明】

Ｃ：コンデンサ、１：定電流源、２：定電圧源、３：定
電流源、４：入力端子、５：出力端子、６：Ｇｍアン
プ、７：マルチプライヤ、１０：入力端子、１１：出力
端子、１２：Ｇｍアンプ、１３：定電流源、１４：定電
圧源、１５：第三差動増幅器、１６：定電流源、１７：
定電圧源、１８：第一差動増幅器、１９：定電流源、２
０：ダイオード回路、２１：定電圧源、２２：定電流
源、２３：ダイオード回路、２４：第二差動増幅器。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】入力電圧を電流に変換するＧｍアンプと、 該Ｇｍアンプの出力電流がコレクタに入力する第一トラ
   ンジスタとコレクタが出力端子に接続される第二トラン
   ジスタを差動接続し、該出力端子と接地間にコンデンサ
   を接続し、且つ該出力端子から上記Ｇｍアンプに帰還を
   かけた第一差動増幅器と、 上記第一トランジスタにコレクタ電流を供給する第三ト
   ランジスタと上記第二トランジスタにコレクタ電流を供
   給する第四トランジスタとを差動接続した第二差動増幅
   器と、 上記Ｇｍアンプの上記電流の極性及びレベルに応じて上
   記第一差動増幅器と上記第二差動増幅器の動作電流を差
   動的に変化させる第三差動増幅器とを設け、 上記第一及び第三トランジスタのベースを共通接続して
   そこを第一共通接続点とし、該第一共通接続点に第一定
   電流源から定電流を供給すると共に、該第一共通接続点
   と基準電圧源との間にＮ個の直列接続ダイオードからな
   る第一ダイオード回路を接続し、 上記第二及び第四トランジスタのベースを共通接続して
   そこを第二共通接続点とし、該第二共通接続点に第二定
   電流源から定電流を供給すると共に、該第二共通接続点
   と上記基準電圧源との間に上記第一ダイオード回路のダ
   イオード接続個数と同一個数の直列接続ダイオードから
   なる第二ダイオード回路を接続したことを特徴とするア
   クティブフィルタ。