(57)【要約】【課題】コンデンサの通電時間のデューティ制御を行っても、出力変化が滑らかで、時定数を一定範囲内で調整することのできるフィルタ回路を提供する。【解決手段】実施形態のフィルタ回路は、反転入力端子と出力端子とが接続されたオペアンプＯＰ１と、その非反転入力端子と入力信号端子ＩＮとの間に接続された抵抗Ｒ１と、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と接地端子との間に接続されたコンデンサＣ１と、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と接地端子との間に直列に接続されたスイッチＳＷ１およびコンデンサＣ２と、スイッチＳＷ１とコンデンサＣ２の接続点と、オペアンプＯＰ１の出力端子との間に接続されたスイッチＳＷ２と、を備える。スイッチＳＷ１のオン／オフは、周期性のあるスイッチ制御信号φにより制御され、スイッチＳＷ２のオン／オフは、スイッチ制御信号φの反転信号φｎにより制御され、スイッチ制御信号φのデューティが可変である。【選択図】  図１
2014022915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転入力端子と出力端子とが接続されたオペアンプと、
前記オペアンプの非反転入力端子と入力信号端子との間に接続された抵抗と、
前記非反転入力端子と接地端子との間に接続された第１のコンデンサと、
前記非反転入力端子と前記接地端子との間に直列に接続された第１のスイッチおよび第２のコンデンサと、
前記第１のスイッチと前記第２のコンデンサの接続点と、前記オペアンプの前記出力端子との間に接続された第２のスイッチと
を備え、
前記第１のスイッチのオン／オフが、周期性のあるスイッチ制御信号により制御され、
前記第２のスイッチのオン／オフが、前記スイッチ制御信号の反転信号により制御され、
前記スイッチ制御信号のデューティが可変である
ことを特徴とするフィルタ回路。
【請求項２】
遮断周波数の設定に応じて、前記スイッチ制御信号の前記デューティが決定される
ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ回路。
【請求項３】
前記オペアンプの出力レベルが所定の値となるよう、前記スイッチ制御信号の前記デューティが調整される
ことを特徴とする請求項２に記載のフィルタ回路。
【請求項４】
前記オペアンプの出力レベルを検出するレベル検出部と、
前記レベル検出部の出力にもとづいて前記スイッチ制御信号の前記デューティを調整するデューティ調整部と
を備えることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、フィルタ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
映像信号などを処理する半導体集積回路に格納されるフィルタとして、ボルテージ・フォロワとして動作するオペアンプの非反転入力端子に、抵抗とコンデンサからなる積分回路（ＣＲ回路）を接続した構成のアクティブ・フィルタがある。
【０００３】
このアクティブ・フィルタの遮断周波数ｆ０は、抵抗の抵抗値をＲ、コンデンサの容量をＣとすると、ｆ０＝１／（２πＣＲ）と、表わされる。したがって、ＣＲ回路の時定数を変化させれば、フィルタの遮断特性を変化させることができる。
【０００４】
そこで、従来、コンデンサへ流れる電流を通電／遮断するスイッチを設け、このスイッチのオン／オフの時間比（デューティ）を制御することより、ＣＲ回路の時定数を変化させることが行われている。この場合、スイッチがオフしている間はコンデンサへの充電が中断するので、スイッチのオフ時間の割合が大きいほど、ＣＲ回路の時定数が大きくなる。
【０００５】
しかし、この従来のフィルタ回路では、スイッチがオフしている間は、コンデンサの出力電圧が変化しないのでオペアンプの出力も変化せず、フィルタの出力波形に階段状の歪みが生じるという問題がある。
【０００６】
また、時定数の大きさも、最小値をＣＲとして、それより大となる方向の1方向にしか変化させられない、という問題がある。一般に、半導体集積回路は、製造上のバラつきなどにより素子の電気的特性が変動するため、その変動に応じて回路動作を調整できることが望まれる。例えば上述のフィルタ回路の場合、ある範囲内で時定数を調整できることが望まれる。しかし、従来の方法では、そのような調整を行うことが難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５８９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、コンデンサの通電時間のデューティ制御を行っても、出力変化が滑らかで、時定数を一定範囲内で調整することのできるフィルタ回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態のフィルタ回路は、反転入力端子と出力端子とが接続されたオペアンプと、前記オペアンプの非反転入力端子と入力信号端子との間に接続された抵抗と、前記非反転入力端子と接地端子との間に接続された第１のコンデンサと、前記非反転入力端子と前記接地端子との間に直列に接続された第１のスイッチおよび第２のコンデンサと、前記第１のスイッチと前記第２のコンデンサの接続点と、前記オペアンプの前記出力端子との間に接続された第２のスイッチとを備える。このフィルタ回路は、前記第１のスイッチのオン／オフが、周期性のあるスイッチ制御信号により制御され、前記第２のスイッチのオン／オフが、前記スイッチ制御信号の反転信号により制御され、前記スイッチ制御信号のデューティが可変である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態のフィルタ回路の構成の例を示す回路図。
【図２】第１の実施形態のフィルタ回路の動作説明図。
【図３】比較例の回路図および動作波形図。
【図４】第１の実施形態のフィルタ回路のコンデンサの等価容量値を説明するための図。
【図５】第１の実施形態のフィルタ回路のスイッチ制御信号のデューティとコンデンサの等価容量値との関係を示す図。
【図６】第１の実施形態のフィルタ回路の遮断周波数の設定範囲を説明するための図。
【図７】第１の実施形態のフィルタ回路の別の例を示す回路図。
【図８】第２の実施形態のフィルタ回路の構成の例を示す回路図。
【図９】第２の実施形態のフィルタ回路の動作説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のフィルタ回路の構成の例を示す回路図である。このフィルタ回路は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）として機能する。
【００１３】
本実施形態のフィルタ回路は、反転入力端子と出力端子とが接続されたオペアンプＯＰ１と、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と入力信号端子ＩＮとの間に接続された抵抗Ｒ１と、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と接地端子との間に接続されたコンデンサＣ１と、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と接地端子との間に直列に接続されたスイッチＳＷ１およびコンデンサＣ２と、スイッチＳＷ１とコンデンサＣ２の接続点と、オペアンプＯＰ１の出力端子との間に接続されたスイッチＳＷ２と、を備える。
【００１４】
このフィルタ回路は、スイッチＳＷ１のオン／オフが、周期性のあるスイッチ制御信号φにより制御され、スイッチＳＷ２のオン／オフが、スイッチ制御信号φの反転信号φｎにより制御される。
【００１５】
次に、本実施形態のフィルタ回路の動作について、図２を用いて説明する。
【００１６】
図２に示すように、本実施形態では、スイッチ制御信号φは、ローレベル（‘Ｌ’）とハイレベル（‘Ｈ’）を周期Ｔで繰り返す周期性を有する。この制御信号φのデューティ（周期Ｔに対する‘Ｈ’期間Ｔｈの割合）は、変化させることができる。
【００１７】
スイッチ制御信号φが‘Ｌ’のときスイッチＳＷ１がオフするものとすると、このときは、入力信号端子ＩＮから入力される信号により、コンデンサＣ１のみが充電される。したがって、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、時定数Ｃ１・Ｒ１で上昇する。
【００１８】
このとき、オペアンプＯＰ１はボルテージ・フォロワとして動作するので、オペアンプＯＰ１の出力電圧もほぼＶとなる。
【００１９】
したがって、スイッチ制御信号φが‘Ｌ’のときスイッチＳＷ２がオンするものとすると、コンデンサＣ２の端子電圧もＶとなる。
【００２０】
次に、スイッチ制御信号φが‘Ｈ’へ変化すると、スイッチＳＷ１はオンし、スイッチＳＷ２はオフする。そのため、このときは、入力信号端子ＩＮから入力される信号により、コンデンサＣ１に加えてコンデンサＣ２も充電される。
【００２１】
このとき、スイッチ制御信号φが‘Ｈ’へ変化する直前のオペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧をＶ１とすると、オペアンプＯＰ１の出力電圧もＶ１であるので、コンデンサＣ２もコンデンサＣ１と同様、電圧Ｖ１から充電が開始される。
【００２２】
したがって、スイッチ制御信号φが‘Ｈ’の期間、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、時定数（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｒ１で上昇する。
【００２３】
その後、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧がＶ２に達した時点で、スイッチ制御信号φが‘Ｌ’ へ変化すると、スイッチＳＷ１がオフ、スイッチＳＷ２がオンし、再び、コンデンサＣ１のみが充電される状態になる。したがって、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、Ｖ２からは時定数Ｃ１・Ｒ１で上昇する。
【００２４】
その後、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧がＶ３に達した時点で、スイッチ制御信号φが‘Ｈ’ へ変化すると、スイッチＳＷ１がオン、スイッチＳＷ２がオフし、再び、コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の両方が充電される状態になる。したがって、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、Ｖ３からは時定数（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｒ１で上昇する。
【００２５】
このように、本実施形態では、スイッチ制御信号φの‘Ｌ’、‘Ｈ’の変化に伴って、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖを変化させる時定数が、Ｃ１・Ｒ１と、（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｒ１とで切り替わる。すなわち、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖの変化の傾きが、スイッチ制御信号φの‘Ｌ’、‘Ｈ’の変化に伴って変化する。
【００２６】
このとき、本実施形態では、オペアンプＯＰ１の出力電圧がスイッチＳＷ２を介してコンデンサＣ２へ印加されるので、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、連続的に滑らかに変化する。
【００２７】
ここで、図３に、本実施形態に対する比較例として、スイッチを周期的にオン／オフさせて時定数を変化させることのできるＣＲ回路の例を示す。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、このＣＲ回路は、抵抗ＲとコンデンサＣとの間に、スイッチ制御信号φｃによりオン／オフが制御されるスイッチＳＷが接続されている。
【００２９】
このＣＲ回路は、スイッチＳＷがオンしている間は時定数ＣＲでコンデンサＣが充電されるが、スイッチＳＷがオフするとコンデンサＣの充電が停止する。したがって、スイッチＳＷをオフさせる期間を長くするほど、コンデンサＣの充電完了までの時間が長くなり、ＣＲ回路の時定数は大きくなる。このＣＲ回路も、本実施形態と同様、制御信号φｃのデューティを変化させることにより、充電回路としての時定数を変化させることができる。
【００３０】
しかし、このＣＲ回路の場合、図３（ｂ）に示すように、スイッチＳＷがオフしている間、出力電圧Ｖｒはオフ直前の電圧を保持する。したがって、出力電圧Ｖｒは、制御信号φｃのオン／オフに対して階段状に変化する。
【００３１】
これに対して、本実施形態の場合、図２に示すように、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、連続的に滑らかに変化する。
【００３２】
次に、図４を用いて、本実施形態における、スイッチ制御信号φのデューティと周期Ｔ期間の等価的なコンデンサ容量との関係について説明する。
【００３３】
図４は、横軸に時間をとって、縦軸にオペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖを示したグラフである。
【００３４】
スイッチ制御信号φが、図２に示すような、周期がＴで‘Ｈ’期間がＴｈである波形であるとし、入力信号端子ＩＮから一定電流Ｉが入力されたとすると、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、実線で示すように変化し、時刻Ｔにおける値は、
Ｖ＝Ｉ・（Ｔ−Ｔｈ）／Ｃ１＋Ｉ・Ｔｈ／（Ｃ１＋Ｃ２）    ・・・（１）
と表わされる。
【００３５】
一方、このＴ期間中一定電流Ｉで充電され、時刻Ｔにおける充電電圧がＶになるコンデンサを仮定すると、その充電特性は、図２の破線で示される。そこで、その容量を期間ＴにおけるコンデンサＣ１、Ｃ２の等価容量Ｃｔｏｔａｌと考えると、電圧Ｖは、等価容量Ｃｔｏｔａｌを用いて、
Ｖ＝Ｉ・Ｔ／Ｃｔｏｔａｌ    ・・・（２）
と表わされる。
【００３６】
したがって、式（１）、（２）より、等価容量Ｃｔｏｔａｌは、
Ｃｔｏｔａｌ＝｛Ｃ１・（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｔ｝／｛（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｔ−Ｃ２・Ｔｈ｝
・・・（３）
と表わされる。
【００３７】
この式（３）が示すように、コンデンサＣ１、Ｃ２の等価容量Ｃｔｏｔａｌは、Ｔｈ＝０のときが最小値Ｃ１であり、Ｔｈが長くなるほど増加して、Ｔｈ＝Ｔのときに最大値（Ｃ１＋Ｃ２）となる。
【００３８】
これより、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖは、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間Ｔｈが長くなるほど、低くなる。
【００３９】
図５に、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間Ｔｈと、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖの関係を示す。
【００４０】
図５（ａ）は、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間がＴｈ１であるときのグラフである。このときのコンデンサＣ１、Ｃ２の等価容量をＣｔｏｔａｌ１とし、時刻ＴにおけるオペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧をＶ１１とする。
【００４１】
また、図５（ｂ）は、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間がＴｈ２であるときのグラフである。このときのコンデンサＣ１、Ｃ２の等価容量をＣｔｏｔａｌ２とし、時刻ＴにおけるオペアンプＯＰ１の非反転入力端子の電圧をＶ１２とする。
【００４２】
ここで、Ｔｈ２＞Ｔｈ１とすると、Ｃｔｏｔａｌ２＜Ｃｔｏｔａｌ１となり、Ｖ１２＞Ｖ１１となる。
【００４３】
次に、本実施形態のフィルタ回路の遮断周波数の設定について説明する。
【００４４】
本実施形態のフィルタ回路の遮断周波数ｆ０を、等価容量Ｃｔｏｔａｌを用いて表すと、
ｆ０＝１／（２π・Ｃｔｏｔａｌ・Ｒ）
と表わされる。
【００４５】
等価容量Ｃｔｏｔａｌは、上述したように、最小値Ｃ１と最大値（Ｃ１＋Ｃ２）の間に設定することができる。そこで、遮断周波数ｆ０の最小値をｆ０ｍｉｎ、最大値をｆ０ｍａｘと表わすと、
ｆ０ｍｉｎ＝１／｛２π・（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｒ｝
ｆ０ｍａｘ＝１／（２π・Ｃ１・Ｒ）
となる。
【００４６】
図６に、上述の遮断周波数ｆ０の最小値、最大値および設定範囲を示す。
【００４７】
本実施形態では、等価容量Ｃｔｏｔａｌを変化させて時定数（Ｃｔｏｔａｌ・Ｒ）を変化さることにより、遮断周波数ｆ０を、最小値ｆ０ｍｉｎと最大値ｆ０ｍａｘの範囲内で任意に設定することができる。
【００４８】
その際は、所望の遮断周波数ｆ０の設定に必要なＣｔｏｔａｌの値を算出し、そのＣｔｏｔａｌの値にもとづいて、式（３）より、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間Ｔｈを
Ｔｈ＝｛（Ｃ１＋Ｃ２）・（Ｃｔｏｔａｌ−Ｃ１）・Ｔ｝／（Ｃｔｏｔａｌ・Ｃ２）
と設定すればよい。
【００４９】
このように、本実施形態では、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間、すなわちデューティを変化させることにより、フィルタの遮断周波数を変化させることができる。
【００５０】
また、デューティを細かく変化させることにより、フィルタの遮断特性を微細に調整することができる。
【００５１】
図７に、本実施形態のフィルタ回路の別の回路構成の例として、４次のローパスフィルタの例を示す。
【００５２】
図７に示す例では、オペアンプＯＰ１により構成される２次のローパスフィルタに、オペアンプＯＰ２により構成される２次のローパスフィルタが縦続接続されている。
【００５３】
ここでは、オペアンプＯＰ１により構成される２次のローパスフィルタの２段目が、図１に示した回路構成をとる。
【００５４】
すなわち、この２段目は、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と接地端子との間に接続されたコンデンサＣ１と、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子と接地端子との間に直列に接続されたスイッチＳＷ１およびコンデンサＣ２と、スイッチＳＷ２とコンデンサＣ２の接続点と、オペアンプＯＰ１の出力端子との間に接続されたスイッチＳＷ２と、を備える。
【００５５】
この回路においても、スイッチＳＷ１のオン／オフはスイッチ制御信号φにより制御され、スイッチＳＷ２のオン／オフは反転信号φｎにより制御される。したがって、この２段目のフィルタの遮断特性も、スイッチ制御信号φのデューティにより変化させることができる。
【００５６】
なお、オペアンプＯＰ２により構成される後段のローパスフィルタは、前段のフィルタに対する波形整形作用を有するので、図７に示す回路の出力波形は、スイッチ制御信号φの信号レベルの変化に対して、より滑らかに変化する。
【００５７】
このような本実施形態によれば、コンデンサＣ２に接続されるスイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン／オフを制御するスイッチ制御信号φのデューティを変化させることにより、コンデンサＣ１、Ｃ２および抵抗Ｒにより構成される回路の時定数を、Ｃ１・Ｒ〜（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｒの範囲内で変化させることができる。これにより、この時定数により決定される遮断周波数を、一定の範囲内で変化させることができる。
【００５８】
また、スイッチＳＷ１のオフ時にはスイッチＳＷ２がオンしてオペアンプＯＰ１の出力電圧をコンデンサＣ２へ印加するので、スイッチ制御信号φによるスイッチングの切り替えがあっても、連続的に滑らかに変化する出力波形を得ることができる。
【００５９】
（第２の実施形態）
上述したように、第１の実施形態では、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間Ｔｈを設定することにより、所望の遮断周波数ｆ０を設定することができる。しかし、実際の製品では、製造上の素子特性のばらつきなどにより、動作特性に誤差が生じることがある。そこで、本実施形態では、そのような動作特性の誤差を補償することのできるフィルタ回路の例を示す。
【００６０】
図８は、第２の実施形態のフィルタ回路の構成の例を示す回路図である。
【００６１】
本実施形態のフィルタ回路は、第１の実施形態のフィルタ回路に対して、オペアンプＯＰ１の出力電圧を検出するレベル検出器２１と、レベル検出器２１の出力にもとづいてスイッチ制御信号φのデューティを調整するデューティ調整部２２と、を追加したものである。
【００６２】
デューティ調整部２２は、レベル検出器２１により検出された、所定の周波数におけるオペアンプＯＰ１の出力電圧Ｖｏを、設定電圧Ｖｃと比較し、その値が不一致であるときは、その値が一致するようスイッチ制御信号φのデューティを調整する。
【００６３】
図９に、デューティ調整部２２によるスイッチ制御信号φのデューティ調整の様子を示す。
【００６４】
図９（ａ）に示す例は、スイッチ制御信号φの当初設定のＴｈに対して、オペアンプＯＰ１の出力電圧Ｖｏ１が、設定電圧Ｖｃよりも高くなる（Ｖｏ１＞Ｖｃ）場合である。
【００６５】
この場合、デューティ調整部２２は、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間を増加させて、オペアンプＯＰ１の出力電圧を低下させる。この例では、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間をＴｈ＋ｔ１としたときに、オペアンプＯＰ１の出力電圧がＶｃに合わせ込まれる。
【００６６】
このとき、コンデンサＣ１、Ｃ２の等価容量は所望のＣｔｏｔａｌとなり、遮断周波数は所望のｆ０となる。
【００６７】
一方、図９（ｂ）に示す例は、スイッチ制御信号φの当初設定のＴｈに対して、オペアンプＯＰ１の出力電圧Ｖｏ２が、設定電圧Ｖｃよりも低くなる（Ｖｏ２＜Ｖｃ）場合である。
【００６８】
この場合、デューティ調整部２２は、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間を減少させて、オペアンプＯＰ１の出力電圧を上昇させる。この例では、スイッチ制御信号φの‘Ｈ’期間をＴｈ−ｔ２としたときに、オペアンプＯＰ１の出力電圧がＶｃに合わせ込まれる。
【００６９】
このとき、コンデンサＣ１、Ｃ２の等価容量は所望のＣｔｏｔａｌとなり、遮断周波数は所望のｆ０となる。
【００７０】
このような本実施形態によれば、オペアンプＯＰ１の出力電圧が一定となるようスイッチ制御信号φのデューティを調整することができるので、動作特性の設計値に対する誤差を補償することができる。
【００７１】
以上説明した少なくとも１つの実施形態のフィルタ回路によれば、コンデンサの通電時間のデューティ制御を行っても、出力変化が滑らかで、時定数を一定範囲内で調整することができる。
【００７２】
また、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７３】
ＯＰ１、ＯＰ２  オペアンプ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ２２  コンデンサ
Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２  抵抗
ＳＷ１、ＳＷ２  スイッチ
２１  レベル検出部
２２  デューティ調整部
【図１】
2014022915.tif 000003
【図２】
2014022915.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014022915.tif 000008
【図７】
2014022915.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014022915.tif 000011