(57)【要約】【課題】アナログ式のアクティブフィルタ回路において、起動時に出力が安定するまでの時間の短縮を実現する。【解決手段】アクティブフィルタ回路は、第１抵抗Ｒ１と、演算増幅器３と、第２抵抗Ｒｆと、キャパシタＣｆと、スイッチＳＷ１とを具備する。演算増幅器３は、＋入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆを供給され、−入力端子に第１抵抗Ｒ１を介して入力電圧Ｖｉｎを供給される。第２抵抗Ｒｆは、一端を演算増幅器３の出力端子に、他端を−入力端子にそれぞれ接続されている。キャパシタＣｆは、一端を出力端子に接続されている。スイッチＳＷ１は、起動時にキャパシタＣｆの他端を＋入力端子に接続し、所定時間経過後にキャパシタＣｆの他端を−入力端子に接続するように切り替わる。【選択図】図２
2011055376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１抵抗と、
＋入力端子に基準電圧を供給され、−入力端子に前記第１抵抗を介して入力電圧を供給される演算増幅器と、
一端を前記演算増幅器の出力端子に、他端を前記−入力端子にそれぞれ接続された第２抵抗と、
一端を前記出力端子に接続されたキャパシタと、
起動時に前記キャパシタの他端を前記＋入力端子に接続し、所定時間経過後に前記キャパシタの他端を前記−入力端子に接続するように切り替わるスイッチと
を具備する
アクティブフィルタ回路。
【請求項２】
請求項１に記載のアクティブフィルタ回路において、
前記＋入力端子側から前記−入力端子側への前記スイッチの切り替え時に、前記＋入力端子と前記−入力端子とは同電位である
アクティブフィルタ回路。
【請求項３】
請求項２に記載のアクティブフィルタ回路において、
前記スイッチの切り替えを制御する制御信号を前記スイッチに出力する制御回路を更に備える
アクティブフィルタ回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアクティブフィルタ回路と、
前記第１抵抗に入力電圧を供給する第１回路と、
前記演算増幅器の出力電圧を受信する第２回路と、
を更に具備する
半導体装置。
【請求項５】
アクティブフィルタ回路の動作方法であって、
ここで、前記アクティブフィルタ回路は、
＋入力端子に基準電圧を供給され、−入力端子に第１抵抗を介して入力電圧を供給される演算増幅器と、
一端を前記演算増幅器の出力端子に、他端を前記−入力端子にそれぞれ接続された第２抵抗と、
一端を前記出力端子に接続されたキャパシタと、
前記キャパシタの他端に接続されたスイッチと
を備え、
前記アクティブフィルタ回路の動作方法は、
前記スイッチを用いて、起動時に前記キャパシタの他端を前記＋入力端子に接続するステップと、
前記スイッチを用いて、所定時間経過後に前記キャパシタの他端を前記−入力端子に接続するように切り替えるステップと
を具備する
アクティブフィルタ回路の動作方法。
【請求項６】
請求項５に記載のアクティブフィルタ回路の動作方法において、
前記＋入力端子側から前記−入力端子側への前記スイッチの切り替え時に、前記＋入力端子と前記−入力端子とは同電位である
アクティブフィルタ回路の動作方法。
【請求項７】
請求項６に記載のアクティブフィルタ回路の動作方法において、
前記スイッチの切り替えを制御する制御信号を前記スイッチに供給するステップを更に具備する
アクティブフィルタ回路の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナログ式のアクティブフィルタ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、センサ用の回路において、特定の周波数帯の信号のみを通過させ、その他のノイズ成分を遮断する等の機能を有するアクティブフィルタ回路が知られている。アクティブフィルタ回路は、比較的構成が簡単であり、一般に広く用いられている。そのようなアクティブフィルタ回路として、例えば、ローパスフィルタ回路が知られている。図１は、ローパスフィルタ回路の構成を示す回路図である。ローパスフィルタ回路１０１は、演算増幅器１０３と、第１抵抗Ｒａと、第２抵抗Ｒｆと、キャパシタＣｆとを具備する。演算増幅器（オペアンプ）１０３は、＋入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆを供給され、−入力端子に第１抵抗Ｒａを介して入力電圧Ｖｉｎを供給される。第２抵抗Ｒｆは、一端を演算増幅器１０３の出力端子に、他端を−入力端子にそれぞれ接続されている。キャパシタＣｆは、一端を演算増幅器１０３の出力端子に、他端を−入力端子にそれぞれ接続されている。すなわち、第２抵抗ＲｆとキャパシタＣｆとは、演算増幅器１０３に対して並列接続されている。演算増幅器１０３の出力端子は、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【０００３】
関連する技術として、特開２００７−２５１４６０号公報（対応米国特許ＵＳ７５０１８８５（Ｂ２））に、フィルタ回路が開示されている。このフィルタ回路は、抵抗とキャパシタと電圧増幅器とを備えたアナログ式のアクティブフィルタ回路である。キャパシタの第１電極をフィルタ回路に接続する第１アナログスイッチと、キャパシタの第２電極をフィルタ回路に接続する第２アナログスイッチとを有する。電圧増幅器の電源投入時には各アナログスイッチをオフ動作させ、フィルタ回路の出力電圧が安定した時点で各アナログスイッチをオン動作させ、電圧増幅器の電源遮断時には各アナログスイッチをオフ動作させることを特徴とする。キャパシタと各アナログスイッチとの接続点の電圧を一定電圧にクランプするクランプ回路を備えていてもよい。
【０００４】
また、特開平１−１３８６６６号公報に位置決め装置が開示されている。この位置決め装置は、補正値手段と、コンデンサと、演算増幅器と、スイッチとを含む。補正値手段は、目標位置のうちの目的とするものに対応する補正値信号を出力する。コンデンサは、補正値信号により充電される。演算増幅器は、位置信号を入力する反転増幅器を構成する。スイッチは、演算増幅器とコンデンサが位置信号を入力し補正位置信号を出力する積分器を構成するようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２５１４６０号公報
【特許文献２】特開平１−１３８６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のローパスフィルタ回路では、電源が投入されてから出力が安定し正常なフィルタ特性を得られるまでにある程度の起動時間を要する。その理由は、ローパスフィルタ回路のようなアナログ式のアクティブフィルタでは、フィルタ回路を構成するキャパシタ及び抵抗によって規定される時定数により、電源投入時の立ち上がり特性が決定されるからである。そのため、高速起動が必要な場合や、電源の投入と遮断とを繰り返す間欠動作を高速に行う場合には、ローパスフィルタ回路のようなアナログ式のアクティブフィルタを使用することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００８】
本発明のアクティブフィルタ回路は、第１抵抗（Ｒ１）と、演算増幅器（３）と、第２抵抗（Ｒｆ）と、キャパシタ（Ｃｆ）と、スイッチ（ＳＷ１）とを具備する。演算増幅器（３）は、＋入力端子に基準電圧（Ｖｒｅｆ）を供給され、−入力端子に第１抵抗（Ｒ１）を介して入力電圧（Ｖｉｎ）を供給される。第２抵抗（Ｒｆ）は、一端を演算増幅器（３）の出力端子に、他端を−入力端子にそれぞれ接続されている。キャパシタ（Ｃｆ）は、一端を出力端子に接続されている。スイッチ（ＳＷ１）は、起動時にキャパシタ（Ｃｆ）の他端を＋入力端子に接続し、所定時間経過後にキャパシタ（Ｃｆ）の他端を−入力端子に接続するように切り替わる。
【０００９】
本発明では、スイッチ（ＳＷ１）が起動時にキャパシタ（Ｃｆ）の他端を＋入力端子に接続するので、起動時に第１抵抗（Ｒ１）と演算増幅器（３）と第２抵抗（Ｒｆ）とで構成される反転増幅器となる。そのため、極めて急速に出力電圧（Ｖｏｕｔ）をＶｏｕｔ＝（Ｒｆ／Ｒ１）・Ｖｉｎに安定化させることができる。それにより、極めて早期にローパスフィルタ回路として動作可能な状態にすることができる。加えて、スイッチ（ＳＷ１）が所定時間経過後にキャパシタ（Ｃｆ）の他端を−入力端子に接続するように切り替わりローパスフィルタ回路を構成するとき、＋入力端子と−入力端子とは仮想接地状態であるので、スイッチングノイズの発生やキャパシタ（Ｃｆ）での電荷の移動などのようなアクティブフィルタ回路動作に悪影響を及ぼす現象を起こすことなく、切り替えを行うことができる。
【００１０】
本発明の半導体装置は、上記のアクティブフィルタ回路（１）と、第１抵抗（Ｒ１）に入力電圧（Ｖｉｎ）を供給する第１回路（図示されず）と、演算増幅器（３）の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を受信する第２回路（図示されず）とを具備する。
【００１１】
本発明は、アクティブフィルタ回路（１）の動作方法である。ここで、アクティブフィルタ回路（１）は、＋入力端子に基準電圧（Ｖｒｅｆ）を供給され、−入力端子に第１抵抗（Ｒ１）を介して入力電圧（Ｖｉｎ）を供給される演算増幅器（３）と、一端を演算増幅器（３）の出力端子に、他端を−入力端子にそれぞれ接続された第２抵抗（Ｒｆ）と、一端を出力端子に接続されたキャパシタ（Ｃｆ）と、キャパシタ（Ｃｆ）の他端に接続されたスイッチ（ＳＷ１）とを備える。そして、アクティブフィルタ回路（１）の動作方法は、スイッチ（ＳＷ１）を用いて、起動時にキャパシタ（Ｃｆ）の他端を＋入力端子に接続するステップと、スイッチ（ＳＷ１）を用いて、所定時間経過後にキャパシタ（Ｃｆ）の他端を−入力端子に接続するように切り替えるステップとを具備する。
【００１２】
本発明の半導体装置やアクティブフィルタ回路の動作方法についても、本発明のアクティブフィルタ回路と同様の作用・効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、アナログ式のアクティブフィルタ回路において、起動時に出力が安定するまでの時間の短縮を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、ローパスフィルタ回路の構成を示す回路図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るアクティブフィルタ回路の構成及び動作を示す回路図（起動時）である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係るアクティブフィルタ回路の構成及び動作を示す回路図（所定時間経過後）である。
【図４】図４は、図１のアクティブフィルタ回路と本実施の形態に係るアクティブフィルタ回路との起動波形の比較例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のアクティブフィルタ回路の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００１６】
まず、本発明の実施の形態に係るアクティブフィルタ回路の構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係るアクティブフィルタ回路の構成を示す回路図である。アクティブフィルタ回路１は、半導体装置（図示されず）に含まれ、第１抵抗Ｒ１と、演算増幅器３と、第２抵抗Ｒｆと、キャパシタＣｆと、スイッチＳＷ１とを具備している。
【００１７】
第１抵抗Ｒ１は、入力抵抗であり、一端から入力電圧Ｖｉｎを供給される。他端は演算増幅器３の−入力端子（ノードＮ２）に接続されている。演算増幅器３は、オペアンプであり、＋入力端子（ノードＮ１）に基準電圧Ｖｒｅｆを供給され、−入力端子（ノードＮ２）に第１抵抗Ｒ１を介して入力電圧Ｖｉｎを供給され、出力端子（ノードＮ３）から出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。第２抵抗Ｒｆは、帰還抵抗であり、一端を演算増幅器３の出力端子（Ｎ３）に、他端を−入力端子（Ｎ２）にそれぞれ接続されている。キャパシタＣｆは、一端を演算増幅器３の出力端子（Ｎ３）に、他端をスイッチＳＷ１に接続されている。
【００１８】
スイッチＳＷ１は、キャパシタＣｆの他端と、演算増幅器３の＋入力端子（Ｎ１）及び−入力端子（Ｎ２）との間に設けられている。スイッチＳＷ１は、アクティブフィルタ回路１を含む半導体装置の起動時にａ側に切り替わり（又はａ側の状態にあり）、キャパシタＣｆの他端を演算増幅器３の＋入力端子（Ｎ１）に接続する。また、スイッチＳＷ１は、起動後の所定時間経過後にｂ側に切り替わり、キャパシタＣｆの他端を演算増幅器３の−入力端子（Ｎ２）に接続する。このような３端子のスイッチは、例えば、複数のＭＯＳトランジスタの組み合わせにより、容易に構成することができる。ここで、所定時間は、アクティブフィルタ回路１の出力が安定するまでの時間であり、例えば後述されるようにＶｏｕｔ＝（Ｒｆ／Ｒ１）・Ｖｉｎとなるまでの時間である。
【００１９】
また、スイッチＳＷ１の切り替えを制御する制御信号をスイッチＳＷ１に出力する回路として、アクティブフィルタ回路１は制御回路２を備えていてもよい。制御回路２は、例えば、起動時にスイッチＳＷ１をａ側とする制御信号を出力し、起動後の所定時間経過後にスイッチＳＷ１をｂ側に切り替える制御信号を出力する。なお、アクティブフィルタ回路１を含む半導体装置の停止時に、制御回路２がスイッチＳＷ１をａ側にするように制御している場合、又は、停止時に自然にスイッチＳＷ１がａ側となるような回路構成の場合、制御回路２は、起動時には直ぐに制御信号を出力せず、起動後の所定時間経過後にスイッチＳＷ１をｂ側に切り替える制御信号を出力する。ただし、制御回路２は、他の回路の一部であってもよい。
【００２０】
アクティブフィルタ回路１を含む半導体装置は、アクティブフィルタ回路１に加えて、第１抵抗Ｒ１に入力電圧Ｖｉｎを供給する第１回路（図示されず）と、演算増幅器３の出力電圧Ｖｏｕｔを受信する第２回路（図示されず）とを具備している。そのような半導体装置としては、半導体集積回路（ＬＳＩ）やセンサ回路や、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）用回路などに例示される。
【００２１】
次に、本実施の形態に係るアクティブフィルタ回路の動作方法について説明する。図２及び図３は、本発明の実施の形態に係るアクティブフィルタ回路の構成及び動作を示す回路図であり、図２は起動時の状態、図３は起動後の所定時間経過後の状態をそれぞれ示している。
【００２２】
まず、図２に示すように、半導体装置の電源起動時に、制御回路２からの制御信号により、スイッチＳＷ１はａ側になり、演算増幅器３の＋入力端子（Ｎ１）に接続される（又は当初からスイッチＳＷ１はａ側であり＋入力端子（Ｎ１）に接続されている）。その結果、アクティブフィルタ回路１は、第１抵抗Ｒ１と、演算増幅器３と、第２抵抗Ｒｆとで構成される反転増幅器となっている。また、第１抵抗Ｒ１には入力電圧Ｖｉｎが、＋入力端子（Ｎ１）には基準電圧Ｖｒｅｆがそれぞれ供給される。そのため、演算増幅器３の出力は、直ちに、Ｖｏｕｔ＝（Ｒｆ／Ｒ１）・Ｖｉｎとなり、極めて早期に安定する。
【００２３】
ここで、アクティブフィルタ回路１は反転増幅器を構成している。演算増幅器の開ループ電圧利得は無限大に近いので、＋入力端子（Ｎ１）の電圧ＶＮ１と−入力端子（Ｎ２）のＶＮ２とは概ね等しくなる。すなわち、ＶＮ１＝ＶＮ２（＝Ｖｒｅｆ）となり、＋入力端子（Ｎ１）と−入力端子（Ｎ２）とは仮想接地点となる。したがって、スイッチＳＷ１のａ側の電圧Ｖａとｂ側の電圧Ｖｂとは等しくなる。すなわち、Ｖａ＝Ｖｂ（＝Ｖｒｅｆ）となり、スイッチＳＷ１のａ側とｂ側とは仮想接地点となる。
【００２４】
次に、図３に示すように、電源起動後の所定時間経過後に、制御回路２からの制御信号により、スイッチＳＷ１はｂ側になり、演算増幅器３の−入力端子（Ｎ２）に切り替えられる。その結果、アクティブフィルタ回路１は、第１抵抗Ｒ１と、演算増幅器３と、第２抵抗Ｒｆと、キャパシタＣｆとで構成されるローパスフィルタ回路となっている。これにより、アクティブフィルタ回路１は、通常のアクティブフィルタと同様の動作をすることができる。ここで、演算増幅器３の＋入力端子（Ｎ１）と−入力端子（Ｎ２）とは仮想接地点となっているため、電圧の変動なくスイッチＳＷ１をａ側からｂ側へ切り替えることができる。すなわち、スイッチングノイズの発生やキャパシタＣｆでの電荷の移動などのようなローパスフィルタ回路の動作に悪影響を及ぼす現象を起こすことなく、スイッチＳＷ１を切り替えることができる。その結果、出力が安定してスイッチＳＷ１を切り替えた後にスムーズにアクティブフィルタとしての動作を開始することができる。
【００２５】
図４は、図１のローパスフィルタ回路と本実施の形態に係るアクティブフィルタ回路との起動波形の比較例を示すグラフである。ただし、横軸は起動直後からの経過時間（起動時間）であり、縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔである。また、条件の一例として、Ｖｉｎ＝３Ｖ、Ｖｒｅｆ＝２．５Ｖ、Ｒ１＝Ｒａ＝１００ｋΩ、Ｒｆ＝１００ｋΩ、Ｃｆ＝１０μＦとした。図中、曲線Ａは本実施の形態のアクティブフィルタ回路１の場合を示し、曲線Ｂは図１のローパスフィルタ回路１０１の場合を示す。曲線Ｂに示されるように、図１のローパスフィルタ回路１０１の場合では、電源を投入してから暫く経過してから（約４秒後）、出力Ｖｏｕｔが安定し、正しい出力が得られる。一方、曲線Ａに示されるように、本実施の形態に係るアクティブフィルタ回路１の場合では、電源投入後、スイッチＳＷ１がａ側に接続されている間、オペアンプは反転増幅器として動作し、出力電圧Ｖｏｕｔはすぐに安定し（遅くとも０．０１秒以下）、入力電圧をＶｉｎとすると、Ｖｏｕｔ＝（Ｒｆ／Ｒ１）・Ｖｉｎとなる。従って、その出力が概ね安定した所定時間経過後にスイッチＳＷ１をｂ側に切り替えることにより、切り替え後に瞬時にローパスフィルタ回路としての動作を得ることができる。この図４の例の場合、充電が概ね終了する所定時間としては、約０．０１秒が例示される。
【００２６】
以上説明しように、本実施の形態に係るアクティブフィルタ回路では、スイッチＳＷ１により起動時にアクティブフィルタ回路１を反転増幅器にして出力電圧を早期に安定化させてから、ローパスフィルタにするので、アクティブフィルタの起動時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００２７】
本実施の形態のアクティブフィルタ回路では、追加の回路としてはスイッチＳＷ１及びその切り替えを制御する簡単な制御回路しか必要ない。そのため、追加の回路をほとんど必要としないということができる。したがって、アクティブフィルタ回路の起動時間を大幅に短縮できるので、高速起動が必要な場合や電源の投入と遮断とを繰り返す間欠動作を高速に行う場合のような従来の回路では対応できなかった用途においても用いることができるようになる。
【００２８】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００２９】
１            アクティブフィルタ回路
２            制御回路
３、１０３    演算増幅器
１０１        ローパスフィルタ回路
Ｒａ、Ｒ１    第１抵抗
Ｒｆ          第２抵抗
Ｃｆ          キャパシタ
ＳＷ１        スイッチ
Ｖｉｎ        入力電圧
Ｖｏｕｔ      出力電圧
Ｖｒｅｆ      基準電圧
【図１】
2011055376.tif 000003
【図２】
2011055376.tif 000004
【図３】
2011055376.tif 000005
【図４】
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