JPS6033722A - 振幅制限装置 - 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 本発明は信号の振幅制限装置すなわちリミッタに関する
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ッ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、４．６は抵抗であっ
て、それぞれ第１．第２のエミッ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によシバイアスされ、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。９，１ｏ
はトランジスタ、１１．１２はエミッタ抵抗、１３は電
流源、１４．１５はコレクタ抵抗であって、それぞれ第
１の増幅器を構成し、トランジスタ９゜１００ベースは
それぞれトランジスタ２，３のエミッタに接続され、ト
ランジスタ９，１ｏのエミッタはそれぞれエミッタ抵抗
１１．１２を介して電流源１３に接続され、トランジス
タ９，１００コレクタはそれぞれコレクタ抵抗１４．１
６に接続されている。１６．１７はトランジスタ、１８
゜１９は抵抗であって、それぞれ第３．第４のエミッタ
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９，１０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って、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のエミッタに接続され、トランジスタ２
０．２１のエミッ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は出力端子であって、ト
ランジスタ２０．２１のエミッタは端子２６，２了を介
して容量２８で結合され、トランジスタ２０．２１のコ
レクタは出力端子２９．３０に接続されている。

以」二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
のエミッタホロア回路を介して、低インピーダンスで第
」の増幅器を構成するトランジスタ９０ベースに入力さ
れる。トランジスタ９，１０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
ッタホロア回路でバイアスされ、入力信号が微小の時は
エミッタ抵抗１°１，１２、電流源１３の電流値に反比
例するトランジスタ９，１０の交流エミッタ抵抗、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のエミッ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のエミッ
タホロア回路によシ出力される第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２２
゜２３０電流値に反比例するトランジスタ２０．２１の
交流エミッタ抵抗、容量２８およびコレクタ抵抗２４．
２５でほぼ決まる増幅度で増幅され、出力端子２９．３
０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ｖｉ、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Ｊｌりん管＾Ａ〜山■欽ロロｔ＼１４１
Ｌ≧にｈ↓２−」うｇＪつ−ａ１Ｚ、Ｊｉ　、＋ＧＩＺ
７ｉ となる、第２の増幅器の線形動作時における増幅度をＧ
２、出力端子２９．３０に出力される出力信号をＶ。、
−ｖｏとすると、ｖｉが十分に小さい時、 ｖｏ−Ｇ１Ｇ２ｖｉ　・・・・・・・・・（１）となる
。ここで、 ｎ。

た牟し、Ｉ８はトランジスタ２０．２１における交流エ
ミッタ抵抗で電流源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、 Ｔ　１ ｅｑ工２ であシ、Ｓは複素角周波数でＳ＝ｊ・２πｆ、ｆは入力
信号の周波数、Ｃは容量２８の容量値、Ｒ６はコレクタ
抵抗２４．２５の抵抗値であり、トランジスタ２０．２
１の電流増幅率ｈＦＥ　は十分に大きいものとする。−
次に、抵抗２４．２６における電圧降下は電流源２２．
２３の電流値がそれぞれ工、であるから、入力信号がな
い時はそれぞれＲｃ−Ｉ２であシ、交流信号が入力され
る時、電圧降下の最大値は２ＲｏＩ２、最小値は零であ
る。従って、Ｇ１Ｇ２ｖｉが正または負の方向にＲ６工
、または−ＲＣ！■、を越える時、振幅制限されて交流
信号レベルＲ２■２または−Ｒ２工、一定で出力される
。

ここで、微小入力信号 に対する出力信号の周波数特性は式（１）　、　（２）
よりとなる。Ｇ、は定数であるので、式（３）は高域通
過ろ波特性となって、その遮断周波数ｆｃはとなる。こ
こで、具体的な数値例として、工、＝０．１ｍＡとする
と■。中２６００であるので、この時ｆ。＝５００ＫＨ
ｚ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４，６、抵抗６，７、トランジスタ
９　、　Ｉ　Ｑ、抵抗１１，１２、抵抗、１４゜１５、
トランジスタ１６．１７、抵抗１８．１９がそれぞれ全
く同じ特性を持つ場合、入力端子１が無人力の時、トラ
ンジスタ１６．１７のエミッ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ッ
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
のリミッタバランスの例として、振幅制限装置の入力信
号Ｚ７．の振幅Ｖａ、周波数をｆｌ １）ｉ＝Ｖａｃｏｓ　２ｙｒ　Ｊ’　ｔとし、振幅制限
装置の増＠度が十分に大と仮定し、その出力信号υ。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だケスれＶ、−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ｆの奇数次の高調波
成分の外に偶数次の高調波成分を持つことになる。そこ
で、周波数ｆの成分の振幅をＶ。１、周波数２ｆの成分
の振幅を■。２とするとＶ。１．■ｏ２はフーリエ級数
の定理 ＶＯｎ＝　−ｆ”　ｌ）’、、　（ｅ）ｃｏｓ　ｎΦｄ
Φπ　０ ただし、Φ−２πｆｔ より、 がまる。結局、 ■０ｌ−ｖａ Ｖ０２　ΔＶ であって、リミッ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人力時の直流電圧の
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ｖａを大きくする。

容量２８は第１の増幅器で発生する直流電位差を遮断す
るものであって、第３．第４のエミッタホロア回路出力
における交流信号だけを第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
るものだけになって非常に小さくなり、リミッタバラン
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数１
ｏｐＦ程度であって、上記の様な構成で、数１００　Ｋ
Ｈｚ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、」二記のような
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のエミッタを直結するものであって、
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、それぞれを第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シ、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
ック図を示すものであって、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、３５．３６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、２９゜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３５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
ルを越えも時、電圧制限して出力端子２９．３０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から入力された振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３
１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で増幅、
振幅制限すると、前述したように、第１の増幅器３１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−との比がは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シ、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、リミリ４バラソフ充亜どち７！、笛１　笛９の４９
７１回路は第１の増幅器３１の第１．第２の出力端子３
２．３３における直流電圧を遮断し、かつ、等しい直流
電位を第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
号を増幅するだ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は抵抗であって、そ
れぞれ第１．第２のエミッタホロア回路を構成し、６，
７は抵抗、８は電圧源であって、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
ッタ抵抗、１３は電圧源、１４．１５はコレクタ抵抗で
あって、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は抵抗であって、それぞれ第
３．第４のエミッ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はコレ
クタ抵抗であって、それぞれ第２の増幅器を構成し、２
９．３０は振幅制限された信号の出力端子であって、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のエミッタホロア回路を構成するトラ
ンジスタ１６．１７のエミッタと第２の増幅器を構成す
るトランジスタ２０．２１のベースの間に挿入した点、
および第１図の従来例から端子２６．２７と容量２８を
除去し、トランジスタ２０．２１のエミッタを直結した
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
のエミッタホロア回路を介して第１の増幅器に入力され
、エミッタ抵抗１１．１２、電流源１３の電流値に反比
例する交流エミッタ抵抗、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のエミッタホロ
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３９、ダイオード４ｏで構成される第１のクランプ
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３９．４０の値と、ダイオード４１．４
２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ｈＦＥ　、電流源２２
゜２３の電流値を工、とすると、入力端子１が無人力で
あって、第３．第４のエミッ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２０．２
１にはＩ、／　（１＋ｈＦＥ）なる電流が流れる。この
状態で微小交流電流を流す時のダイオード４１．４２が
それぞれ（１＋ｈＦＥ）　ｒｅ。

トランジスタのベース入力インピーダンスがｈＦＥ・ｒ
８　である。したがって、この時のクランプ回路の時定
数はｈＦＥ）１として、はぼ２　ｈ　ｐ　Ｅ　ｒ　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のエミッ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・ｆオードがクラン
プ動作を行なって導通状態になっている時、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
ミッ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゜４ｏ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ｈＦＥ・ｒ８　であり、この時のクラン
プ回路の時定数はｈＦＥ−ｒｅ−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ｆｃは となる。ここで、具体的な数値例として、Ｉ、−０，１
ｍＡ　、ｈｙＢ；：１００とするとｆ。＝ｔｓｏｏＫＨ
を得るためにはＣ中１２ｐＦを必要とする。

なお、上記の回路例１において、第２の増幅器の各々の
ベースに第５．第６のエミッ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太きぐすることによシ
、クランプ回路の時定数をさらにｈＦＥ倍、従って遮断
周波数をｉ／ｈＨ；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のエミッタホロア回路で
直流電位差が発生するとそれだけリミッタバランスは悪
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の増幅器の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の増幅器で発生ずる直流電圧変動により
リミッ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、がっ、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
積回路のパッ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
の一実施例における振幅制限装置のブロック図、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。 代狸人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 妃２図 ８ 第３図

Claims (1)

【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のり２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。