(57)【要約】【課題】Ｇｍセルが有するコンダクタンスのばらつきの影響を受けず、フィルタの電圧利得のばらつきが抑制されるＧｍ−Ｃフィルタを提供する。【解決手段】フィルタ回路は、第１回路と、第２回路と、第３回路とを具備する。第１回路は、差動入力信号の一方の信号である第１入力信号と、差動出力信号の一方の信号である第１出力信号とを入力し、第１入力信号と第１出力信号との電圧差を所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を出力する。第２回路は、差動入力信号の他方の信号である第２入力信号と、差動出力信号の他方の信号である第２出力信号とを入力し、第２出力信号と第２入力信号との電圧差を所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を出力する。第３回路は、第１回路から出力される差動信号と第２回路から出力される差動信号とを合成した合成差動信号を入力し、差動出力信号を出力する。【選択図】図３
2008167356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動入力信号の一方の信号である第１入力信号と、差動出力信号の一方の信号である第１出力信号とを差動信号として入力し、前記第１入力信号と前記第１出力信号との電圧差を所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を出力する第１回路と、
前記差動入力信号の他方の信号である第２入力信号と、前記差動出力信号の他方の信号である第２出力信号とを差動信号として入力し、前記第２出力信号と前記第２入力信号との電圧差を所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を出力する第２回路と、
前記第１回路から出力される差動信号と前記第２回路から出力される差動信号とを合成した合成差動信号を入力し、前記差動出力信号を出力する第３回路と
を具備する
フィルタ回路。
【請求項２】
前記第３回路は、
前記合成差動信号を入力する入力ノード間に接続される第１容量素子と、
前記差動出力信号を出力する出力ノード間に接続される第２容量素子と、
前記第１容量素子により生成される電圧を入力し、所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を前記出力ノードに出力する第４回路と、
前記差動出力信号を入力し、所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を前記出力ノードに出力する第５回路と
を備える請求項１に記載のフィルタ回路。
【請求項３】
前記第１回路及び前記第２回路と前記第４回路及び第５回路とは、Ｇｍセルを含む
請求項２に記載のフィルタ回路。
【請求項４】
前記第３回路は、
前記合成差動信号を入力する入力ノード間に接続される第１容量素子を備え、
前記入力ノードは、前記差動出力信号を出力する出力ノードにそれぞれ接続される
請求項１に記載のフィルタ回路。
【請求項５】
前記第３回路は、
前記合成差動信号を入力する入力ノードと、前記差動出力信号を出力する出力ノードとがそれぞれ接続され、
前記入力ノードに印加される差動信号を入力し、所定のコンダクタンスに応じて電流に変換して差動信号を出力する第６回路と、
前記第６回路が出力する差動信号を電圧に変換する第２容量素子と、
前記第２容量素子により電圧に変換された電圧を入力し、所定のコンダクタンスに応じて電流に変換した逆相の差動信号を前記出力ノードに出力する第７回路と
を備える
請求項１に記載のフィルタ回路。
【請求項６】
前記第３回路は、さらに、前記入力ノード間に接続される第３容量素子を備える
請求項５に記載のフィルタ回路。
【請求項７】
前記第１回路及び前記第２回路と、前記第６回路及び第７回路とは、Ｇｍセルを含む
請求項５または請求項６に記載のフィルタ回路。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載のフィルタ回路を組み合わせて縦続接続してなるフィルタ回路。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載のフィルタ回路を搭載する半導体集積回路装置。
【請求項１０】
差動入力信号が入力される第１入力ノード及び第２入力ノードと、
差動出力信号が出力される第１出力ノード及び第２出力ノードと、
前記第１入力ノードに接続される非反転入力ノードと、前記第１出力ノードに接続される反転入力ノードと、差動信号を出力する非反転出力ノード及び反転出力ノードとを備える第１Ｇｍセルと、
前記第２出力ノードに接続される非反転入力ノードと、前記第２入力ノードに接続される反転入力ノードと、差動信号を出力する非反転出力ノード及び反転出力ノードとを備える第２Ｇｍセルと、
前記第１Ｇｍセルの非反転出力ノードと前記第２Ｇｍセルの非反転出力ノードとに接続される第３入力ノードと、前記第１Ｇｍセルの反転出力ノードと前記第２Ｇｍセルの反転出力ノードとに接続される第４入力ノードと、前記第１出力ノードに接続される第３出力ノードと、前記第２出力ノードに接続される第４出力ノードと、容量素子とを備える回路ブロックと
を具備する
フィルタ回路。
【請求項１１】
前記回路ブロックは、
前記第３入力ノードと前記第４入力ノードとの間に接続される第１容量素子と、
前記第３出力ノードと前記第４出力ノードとの間に接続される第２容量素子と、
前記第３入力ノードに接続される非反転入力ノードと、前記第４入力ノードに接続される反転入力ノードと、前記第３出力ノードに接続される非反転出力ノードと、前記第４出力ノードに接続される反転出力ノードとを備える第３Ｇｍセルと、
前記第４出力ノードに接続される非反転入力ノードと、前記第３出力ノードに接続される反転入力ノードと、前記第３出力ノードに接続される非反転出力ノードと、前記第４出力ノードに接続される反転出力ノードとを備える第４Ｇｍセルと
を具備する
請求項１０に記載のフィルタ回路。
【請求項１２】
前記回路ブロックは、
前記第３入力ノードと前記第４入力ノードとの間に接続される第１容量素子を具備し、
前記第３出力ノードは前記第３入力ノードに接続され、前記第４出力ノードは前記第４入力ノードに接続される
請求項１０に記載のフィルタ回路。
【請求項１３】
前記回路ブロックは、
前記第３入力ノードに接続される非反転入力ノードと、前記第４入力ノードに接続される反転入力ノードと、差動信号を出力する非反転出力ノード及び反転出力ノードとを備える第５Ｇｍセルと、
前記第５Ｇｍセルの非反転出力ノードと反転出力ノードとの間に接続される第３容量素子と、
前記第５Ｇｍセルの非反転出力ノードに接続される非反転入力ノードと、前記第５Ｇｍセルの反転出力ノードに接続される反転入力ノードと、前記第４出力ノードに接続される非反転出力ノードと、前記第３出力ノードに接続される反転出力ノードとを備える第６Ｇｍセルと
を具備し、前記第３入力ノードと前記第３出力ノードとは接続され、前記第４入力ノードと前記第４出力ノードとは接続されている
請求項１０に記載のフィルタ回路。
【請求項１４】
前記回路ブロックは、前記第３入力ノードと前記第４入力ノードとの間に接続される第４容量素子をさらに備える
請求項１３に記載のフィルタ回路。
【請求項１５】
請求項１０から請求項１４のいずれかに記載のフィルタ回路を縦続接続してなるフィルタ回路。
【請求項１６】
請求項１０から請求項１５のいずれかに記載のフィルタ回路を搭載する半導体集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差動信号の周波数帯域を制限するフィルタ回路及びそのフィルタ回路を搭載する半導体集積回路装置に関し、特に、電圧電流変換を行うＧｍセルとキャパシタとを組み合わせたＧｍ−Ｃフィルタ及びそのＧｍ−Ｃフィルタを搭載する半導体集積回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の大画面ＴＶ（Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）セットでは、画面の大型化に伴う高画質化への要求が強くなっている。そのため、従来からの標準画質のアナログビデオ入力信号の処理においても、高度な画質改善が可能であって信号処理に伴う画質の劣化が無いデジタル回路による信号処理が行われている。そこでは、入力されたアナログビデオ信号は、デジタル信号に一旦変換された後、デジタル回路で信号処理が行われる。このような信号処理を行うＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）は実現されている。それは、アナログビデオ信号を受けるアナログフィルタと、アナログフィルタ出力を受けてデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器（以後、ＡＤ変換器と略す）と、ＡＤ変換器からのデジタル信号を受けて主要な信号処理を行うデジタル信号処理回路を有している。入力されたアナログビデオ信号には、アナログビデオ信号の信号源側で除去しきれずに残留しているクロックノイズや、装置内部において、この信号処理ＬＳＩの周囲で使用されるその他のデジタルＬＳＩなどからの干渉によるクロックノイズなどが重畳している場合がある。そのため、ここで使用されるアナログフィルタは、これらのクロックノイズを周波数分離により除去し、クロックノイズとＡＤ変換器のサンプリングクロックとの干渉で生じるビート妨害などの画質劣化を防止している。
【０００３】
このアナログフィルタは、設計上の自由度が高く所望の周波数特性が容易に得られるアクティブフィルタで構成されることが多い。その回路方式としては、アナログビデオ信号が十分通過できるように広帯域なフィルタが実現できるものを選ぶ必要がある。そのような回路方式の一つとして、Ｇｍセルと呼ばれる広帯域な電圧電流変換器と容量とを組み合わせてフィルタを構成するＧｍ−Ｃフィルタがあり、アナログビデオ信号用のフィルタとして使用されている。
【０００４】
また、このアナログフィルタは、同一ＬＳＩチップ上に作られたデジタル回路を発生源とするスイッチングノイズの干渉を受けないように、回路的にもレイアウト的にもデジタル回路とは出来る限り分離されている。少なくとも、アナログフィルタの電源系配線とデジタル回路の電源系配線とは分離されている。しかしながら、ＬＳＩチップでは、逆バイアスされたＰＮ接合がＬＳＩチップ上の素子分離に使用されている。この逆バイアスを維持するために、ＬＳＩチップのサブストレート基板は、デジタル回路及びアナログフィルタの両方のグランドに接続せざるを得ない。したがって、デジタル回路のグランドからサブストレート基板を経由してアナログフィルタのグランドに至るスイッチングノイズの侵入経路がどうしても出来てしまう。よって、アナログフィルタとしては、このグランド経由のスイッチングノイズの干渉を受けにくい回路形式にする必要がある。そのため、入力から出力までの信号の伝達を差動信号で行う差動型Ｇｍ−Ｃフィルタがアナログフィルタとして使用される。
【０００５】
特許文献１に開示されているＧｍ−Ｃフィルタの回路図が図１に示される。図１に示されるように、このＧｍ−Ｃフィルタは、Ｇｍセル９１〜９４と、キャパシタ９７（容量Ｃ１）と、キャパシタ９８（容量Ｃ２）とを具備し、差動入力信号を受ける非反転入力ノード１１及び反転入力ノード１２、差動出力信号を出力する非反転出力ノード１３及び反転出力ノード１４を備える。Ｇｍセル９１〜９４は、それぞれｇｍ１〜ｇｍ４なるコンダクタンスを有する。Ｇｍセル９１〜９４の各々は、非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−に受けた入力電圧をコンダクタンスに応じた電流に変換し、非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−に出力する。
【０００６】
Ｇｍ−Ｃフィルタの入力ノード１１、１２に差動入力信号が印加される。即ち、非反転入力ノード１１に入力信号＋ｅｉ、反転入力ノード１２に入力信号−ｅｉが入力される。非反転入力ノード１１は、Ｇｍセル９１の非反転入力ノードＩ＋に接続され、反転入力ノード１２は、Ｇｍセル９１の反転入力ノードＩ−に接続されている。Ｇｍセル９１は、非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−に入力される差動信号の差電圧をＧｍセル９１が有するコンダクタンスｇｍ１に応じた電流に変換し、差動出力信号を非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−から出力する。
【０００７】
Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３及び反転出力ノード１４から出力される差動信号は、Ｇｍセル９２及びＧｍセル９４に反転されて入力される。即ち、非反転出力ノード１３は、Ｇｍセル９２の反転入力ノードＩ−及びＧｍセル９４の反転入力ノードＩ−に接続され、反転出力ノード１４は、Ｇｍセル９２の非反転入力ノードＩ＋及びＧｍセル９４の非反転入力ノードＩ＋に接続されている。
【０００８】
Ｇｍセル９２は、非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−に入力される差動信号の差電圧をコンダクタンスｇｍ２に応じた電流に変換し、差動出力信号を非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−から出力する。Ｇｍセル９２の非反転出力ノードＯ＋とＧｍセル９１の非反転出力ノードＯ＋とは共通に接続され、合成された信号は、Ｇｍセル９３の非反転入力ノードＩ＋に入力される。Ｇｍセル９２の反転出力ノードＯ−とＧｍセル９１の反転出力ノードＯ−とは共通に接続され、合成された信号は、Ｇｍセル９３の反転入力ノードＩ−に入力される。つまり、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力ノード１３、１４からＧｍセル９２を介してＧｍセル９３に入力する帰還経路が形成される。
【０００９】
また、Ｇｍセル９１、９２の非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−との間にキャパシタ９７が接続されており、Ｇｍセル９１の出力電流とＧｍセル９２の出力電流との合成電流がキャパシタ９７に流れる。その合成電流値は、Ｇｍセル９１がＧｍ−Ｃフィルタの入力電圧を変換した電流値から、Ｇｍセル９２がＧｍ−Ｃフィルタの出力電圧を変換した電流値を差し引いた電流値となる。この電流は、キャパシタ９７が有するインピーダンスにより電圧に変換されてＧｍセル９３の入力となる。
【００１０】
Ｇｍセル９３は、非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−に入力される差動信号の差電圧をコンダクタンスｇｍ３に応じた電流に変換し、差動出力信号を非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−からキャパシタ９８に出力する。Ｇｍセル９４は、非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−に入力されるＧｍ−Ｃフィルタの出力信号−ｅｏ、＋ｅｏの差電圧をコンダクタンスｇｍ４に応じた電流に変換し、非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−から出力する。Ｇｍセル９４の非反転出力ノードＯ＋とＧｍセル９３の非反転出力ノードＯ＋とは共通に接続される。Ｇｍセル９４の反転出力ノードＯ−とＧｍセル９３の反転出力ノードＯ−とは共通に接続される。即ち、Ｇｍセル９４の出力ノードＯ＋、Ｏ−は、Ｇｍセル９４の入力ノードＩ−、Ｉ＋に接続され、帰還経路を形成している。したがって、Ｇｍセル９３、９４の非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−から出力される電流は、合成されてキャパシタ９８に出力される。
【００１１】
キャパシタ９８には、Ｇｍセル９３の出力電流とＧｍセル９４の出力電流とを合成した電流が流れる。その電流は、Ｇｍセル９３がその入力電圧をコンダクタンスｇｍ３に応じて変換した電流から、Ｇｍセル９４が入力されるＧｍ−Ｃフィルタの出力電圧をコンダクタンスｇｍ４に応じて変換した電流を差し引いた値になる。この電流が、キャパシタ９８が有するインピーダンスにより電圧に変換されて、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３及び反転出力ノード１４から出力される。したがって、非反転出力３と反転出力４との間の出力電圧とキャパシタ９８の電圧とが等しいとした、下記の（１）式が成り立つ。
【数１】
2008167356.tif 000003
【００１２】
これを整理すると、下記の（２）式を得る。
【数２】
2008167356.tif 000004
【００１３】
（２）式の左辺は、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力電圧ｅｏと入力電圧ｅｉとの比であり、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得を示す。（２）式の右辺は、分母がｓの２次関数で分子が定数である２次の伝達関数となり、周波数領域では２次のＬＰＦ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）特性を示す。つまり、図１に示されるＧｍ−Ｃフィルタは、２次のＬＰＦとなる。
【００１４】
特許文献１には、上記とは別のＧｍ−Ｃフィルタも開示されている。そのＧｍ−Ｃフィルタは、図２に示されるように、Ｇｍセル９１と、Ｇｍセル９２と、キャパシタ９７（容量Ｃ１）とを有し、差動入力信号を受ける非反転入力ノード１１と反転入力ノード１２、差動出力信号を出力する非反転出力ノード１３と反転出力ノード１４を備えている。Ｇｍセル９１、９２は、それぞれｇｍ１、ｇｍ２なるコンダクタンスを有する。Ｇｍセル９１、９２の各々は、非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−に受けた入力電圧をそのコンダクタンスに応じた電流に変換して、非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−に出力する。
【００１５】
Ｇｍセル９１は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転入力ノード１１及び反転入力ノード１２を介して非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−にそれぞれ印加される入力信号＋ｅｉ、−ｅｉを電流に変換し、非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−からキャパシタ９７に出力する。Ｇｍセル９２の非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−もキャパシタ９７に接続されている。Ｇｍセル９２は、非反転入力ノードＩ＋及び反転入力ノードＩ−に受けたＧｍ−Ｃフィルタの出力信号−ｅｏ、＋ｅｏを電流に変換してキャパシタ９７に出力する帰還経路を形成する。キャパシタ９７には、Ｇｍセル９１の出力電流とＧｍセル９２の出力電流とを合成した電流が流れる。その値は、Ｇｍセル９１がＧｍ−Ｃフィルタの入力電圧を変換した電流から、Ｇｍセル９２がＧｍ−Ｃフィルタの出力電圧を変換した電流を差し引いた電流値になる。この電流が、キャパシタ９７の有するインピーダンスにより電圧に変換され、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３及び反転出力ノード１４間に生じる出力電圧になる。したがって、両者が等しいとした、下記の（３）式が成り立つ。
【数３】
2008167356.tif 000005
【００１６】
これを整理すると、下記（４）式を得る。
【数４】
2008167356.tif 000006
【００１７】
（４）式の左辺は、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力電圧ｅｏと入力電圧ｅｉとの比であり、Ｇｍ-Ｃフィルタの電圧利得を示す。（４）式の右辺は、分母がＳの１次関数で分子が定数である１次の伝達関数となり、周波数領域では１次のＬＰＦ特性を示す。つまり、図２に示されるＧｍ−Ｃフィルタは、１次のＬＰＦとなる。
【００１８】
上述の２つのＧｍ−Ｃフィルタは、共にフィルタの入力電圧２・ｅｉとフィルタの出力電圧２・ｅｏとを、Ｇｍセル９１及びＧｍセル９２において、それぞれ別々に電流に変換し、その後に合成して帰還をかける回路形式となっている。そのため、フィルタの入力電圧及びフィルタの出力電圧が電流に変換される際のコンダクタンスが同じになるとは限らない。したがって、Ｇｍ−Ｃフィルタの利得には、上記の（２）式及び（４）式に示されるように、Ｇｍセル９１のコンダクタンスｇｍ１とＧｍセル９２のコンダクタンスｇｍ２の比であるｇｍ１／ｇｍ２が伝達関数全体に掛かる形となる。即ち、Ｇｍセル９１及びＧｍセル９２のコンダクタンスのばらつきにより、フィルタの電圧利得はばらついてしまう。
【００１９】
【特許文献１】特開２００２−３１４３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、Ｇｍセルが有するコンダクタンスのばらつきの影響を受けず、フィルタの電圧利得のばらつきが抑制されるＧｍ−Ｃフィルタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］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最良の形態］との対応関係を明らかにするために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。
【００２２】
本発明の観点では、フィルタ回路は、第１回路（２１）と、第２回路（２２）と、第３回路（１７、１８、１９、２３、２４、３３、３４）とを具備する。第１回路（２１）は、差動入力信号の一方の信号である第１入力信号（＋ｅｉ）と、差動出力信号の一方の信号である第１出力信号（＋ｅｏ）とを差動信号として入力し、第１入力信号（＋ｅｉ）と第１出力信号（＋ｅｏ）との電圧差（ｅｉ−ｅｏ）を所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を出力する。第２回路（２２）は、差動入力信号の他方の信号である第２入力信号（−ｅｉ）と、差動出力信号の他方の信号である第２出力信号（−ｅｏ）とを差動信号として入力し、第２出力信号（−ｅｏ）と第２入力信号（−ｅｉ）との電圧差（ｅｉ−ｅｏ）を所定のコンダクタンスに応じて電流に変換し、電流に変換された差動信号を出力する。第３回路は、第１回路（２１）から出力される差動信号と第２回路（２２）から出力される差動信号とを合成した合成差動信号を入力し、差動出力信号（＋ｅｏ、−ｅｏ）を出力する。
【００２３】
本発明の他の観点では、フィルタ回路は、差動入力信号が入力される第１入力ノード（１１）及び第２入力ノード（１２）と、差動出力信号が出力される第１出力ノード（１３）及び第２出力ノード（１４）と、第１Ｇｍセル（２１）と、第２Ｇｍセル（２２）と、回路ブロックとを具備する。第１Ｇｍセル（２１）は、第１入力ノード（１１）に接続される非反転入力ノード（Ｉ＋）と、第１出力ノード（１３）に接続される反転入力ノード（Ｉ−）と、差動信号を出力する非反転出力ノード（Ｏ＋）及び反転出力ノード（Ｏ−）とを備える。第２Ｇｍセル（２２）は、第２出力ノード（１４）に接続される非反転入力ノード（Ｉ＋）と、第２入力ノード（１２）に接続される反転入力ノード（Ｉ−）と、差動信号を出力する非反転出力ノード（Ｏ＋）及び反転出力ノード（Ｏ−）とを備える。回路ブロックは、第３入力ノードと、第４入力ノードと、第３出力ノードと、第４出力ノードと、容量素子とを備える。第３入力ノードは、第１Ｇｍセル（２１）の非反転出力ノードと第２Ｇｍセル（２２）の非反転出力ノードとに接続される。第４入力ノードは、第１Ｇｍセル（２１）の反転出力ノードと第２Ｇｍセル（２２）の反転出力ノードとに接続される。第３出力ノードは、第１出力ノードに接続され、第４出力ノードは、第２出力ノードに接続される。
【００２４】
上述のように、本発明のＧｍ−Ｃフィルタは、フィルタの入力電圧と出力電圧の差電圧をとってからＧｍセルにて電流に変換している。別々のＧｍセルで入力電圧と出力電圧を電流に変換してから差をとっていた従来のＧｍ−Ｃフィルタでは、Ｇｍセルのコンダクタンスのばらつきがフィルタの電圧利得のばらつきに影響していた。これに対して、本発明のＧｍ−Ｃフィルタでは、Ｇｍセルのコンダクタンスがばらついた場合においても、フィルタの電圧利得は、影響を受けず、ばらつきを生じない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、Ｇｍセルが有するコンダクタンスのばらつきの影響を受けず、電圧利得のばらつきが抑制されるＧｍ−Ｃフィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図３は、第１の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの回路図である。
【００２８】
図３に示されるように、第１の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタは、Ｇｍセル２１〜２４と、キャパシタ１７、１８とを具備し、差動入力信号を受ける非反転入力ノード１１及び反転入力ノード１２、差動出力信号を出力する非反転出力ノード１３及び反転出力ノード１４を備える。Ｇｍセル２１〜２４は、それぞれコンダクタンスｇｍ１〜ｇｍ４を有し、キャパシタ１７、１８はそれぞれ静電容量Ｃ１、Ｃ２を有する。Ｇｍセル２１〜２４は、それぞれの非反転入力ノードＩ＋と反転入力ノードＩ−とに受けた入力電圧をそのコンダクタンスに応じた電流に変換し、非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−とに出力する。
【００２９】
Ｇｍセル２１の非反転入力ノードＩ＋は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転入力ノード１１に接続され、Ｇｍセル２１の反転入力ノードＩ−は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３に接続される。Ｇｍセル２２の非反転入力ノードＩ＋は、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４に接続され、Ｇｍセル２２の反転入力ノードＩ−は、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転入力ノード１２に接続される。Ｇｍセル２１及びＧｍセル２２の非反転出力ノードＯ＋は共通接続されてＧｍセル２３の非反転入力ノードＩ＋に接続され、Ｇｍセル２１及びＧｍセル２２の反転出力ノードＯ−は共通接続されてＧｍセル２３の反転入力ノードＩ−に接続される。共通接続されるＧｍセル２１及びＧｍセル２２の非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−との間に、キャパシタ１７が接続される。
【００３０】
Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３と反転出力ノード１４との間にキャパシタ１８が接続される。さらに、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３は、Ｇｍセル２４の反転入力ノードＩ−に接続され、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４は、Ｇｍセル２４の非反転入力ノードＩ＋に接続される。Ｇｍセル２４の非反転出力ノードＯ＋は、Ｇｍセル２３の非反転出力ノードＯ＋と共通に接続され、さらに、キャパシタ１８の一方の電極及びＧｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３に接続される。Ｇｍセル２４の反転出力ノードＯ−は、Ｇｍセル２３の反転出力ノードＯ−と共通に接続され、さらにキャパシタ１８の他方の電極及びＧｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４に接続される。
【００３１】
次に、第１の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの動作について説明する。Ｇｍセル２１は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転入力ノード１１に印加される信号＋ｅｉを非反転入力ノードＩ＋に受けるとともに、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３から出力される信号＋ｅｏを反転入力ノードＩ−に受ける。Ｇｍセル２１は、信号＋ｅｉと信号＋ｅｏとの差電圧をコンダクタンスｇｍ１に応じた電流に変換し、差動出力信号を非反転出力ノードＯ＋、反転出力ノードＯ−から出力する。
【００３２】
Ｇｍセル２２は、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４に出力される信号−ｅｏを非反転入力ノードＩ＋に受けるとともに、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転入力ノード１２に印加される信号−ｅｉを反転入力ノードＩ−に受ける。Ｇｍセル２２は、信号−ｅｏと信号−ｅｉとの差電圧をコンダクタンスｇｍ２に応じた電流に変換し、差動出力信号を非反転出力ノードＯ＋、反転出力ノードＯ−から出力する。
【００３３】
したがって、キャパシタ１７は、Ｇｍセル２１及びＧｍセル２２から出力される差動出力信号が合成された差動信号により駆動される。即ち、キャパシタ１７には、Ｇｍセル２１から出力される出力電流と、Ｇｍセル２２から出力される出力電流とが合成された電流が流れる。その電流値は、Ｇｍ−Ｃフィルタの入力電圧と出力電圧との差分を、Ｇｍセル２１及びＧｍセル２２が変換した電流値の和になる。この電流は、キャパシタ１７が有するインピーダンスにより電圧に変換され、Ｇｍセル２３の非反転入力ノードＩ＋と反転入力ノードＩ−とに与えられる。
【００３４】
Ｇｍセル２３は、非反転入力ノードＩ＋と反転入力ノードＩ−との間に印加される電圧を電流に変換し、非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−とからキャパシタ１８に出力する。Ｇｍセル２４の非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−もキャパシタ１８に接続されている。Ｇｍセル２４は、非反転入力ノードＩ＋と反転入力ノードＩ−に受けたＧｍ−Ｃフィルタの出力信号−ｅｏと出力信号＋ｅｏとを電流に変換してキャパシタ１８に出力する。したがって、Ｇｍセル２４は、帰還経路を形成する。キャパシタ１８には、Ｇｍセル２３の出力電流とＧｍセル２４の出力電流とを合成した電流が流れる。その電流値は、Ｇｍセル２３に印加されるキャパシタ１８の両端の電圧をＧｍセル２３が変換した電流から、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力ノード１３、１４間の電圧をＧｍセル２４が変換した電流を差し引いた値になる。この電流はキャパシタ１８が有するインピーダンスにより電圧に変換され、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力、即ち、非反転出力ノード１３と反転出力ノード１４との間に生じる出力電圧になる。したがって、両者が等しいとした下記の（５）式が成り立つ。
【数５】
2008167356.tif 000007
【００３５】
これを整理すると、下記の（６）式を得る。
【数６】
2008167356.tif 000008
【００３６】
（６）式の左辺は、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力電圧ｅｏと入力電圧ｅｉとの比であり、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得を表す。（６）式の右辺は、分母がＳの２次関数で分子が定数の２次の伝達関数となり、周波数領域において２次のＬＰＦ特性を示す。つまり、図３に示されるＧｍ−Ｃフィルタは、２次のＬＰＦとなる。
【００３７】
（６）式では、右辺全体にかかる係数は１であり、Ｇｍセル２１〜２４のコンダクタンスｇｍ１〜ｇｍ４には依存せず一定になる。つまり、Ｇｍセル２１〜２４のコンダクタンスｇｍ１〜ｇｍ４にばらつきがあっても、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得は、ばらつくことはなく、常に一定になる。
【００３８】
従来のＧｍ−Ｃフィルタでは、入力差動信号はＧｍセル９１により電流に変換され、出力差動信号はＧｍセル９２により電流に変換され、その差分が求められた。第１の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタでは、その接続が変更されている。Ｇｍセル２１の非反転入力ノードＩ＋はＧｍ−Ｃフィルタの非反転入力ノード１１に接続され、反転入力ノードＩ−はＧｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３に接続される。Ｇｍセル２２の非反転入力ノードＩ＋はＧｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４に接続され、反転入力ノードＩ−はＧｍ−Ｃフィルタの反転入力ノード１２に接続される。
【００３９】
本実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの伝達関数の次数は、従来のＧｍ−Ｃフィルタと同じである。しかし、上述のように接続することにより、伝達関数全体に掛かっていた係数を消去することができる。このＧｍセルのコンダクタンスの比で表される係数は、電圧利得を示し、Ｇｍセルのコンダクタンスのばらつきの影響を受けて電圧利得がばらつくことを意味する。即ち、上述の接続により、従来のＧｍ−Ｃフィルタにおいて発生していたＧｍセルのコンダクタンスのばらつきによる電圧利得のばらつきを排除することが出来る。
【００４０】
また、次数が４次以上の偶数次のＬＰＦは、２次の伝達関数のＬＰＦの従属接続により実現することができる。即ち、偶数次のＬＰＦの伝達関数は、２次の伝達関数の積に因数分解される。分解された２次の伝達関数各々を実現するＬＰＦを縦続接続することにより偶数次のＬＰＦが実現される。その２次のＬＰＦとして、上述のＧｍ−Ｃフィルタを用いることができる。つまり、電圧利得のばらつきがない４次以上の偶数次のＬＰＦは、本実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタを２回路以上縦続接続することにより実現できる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図４に、第２の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの回路図が示される。第２の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタは、第１の実施の形態に係るＧｍ−ＣフィルタのＧｍセル２３、２４とキャパシタ１８とを取り除いた形になっている。したがって、第１の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタと対応する部分には同じ符号が付され、その説明は省略される。
【００４２】
Ｇｍセル２１の非反転入力ノードＩ＋は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転入力ノード１１に接続され、反転入力ノードＩ−は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３に接続される。Ｇｍセル２２の非反転入力ノードＩ＋は、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４に接続され、反転入力ノードＩ−は、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転入力ノード１２に接続される。Ｇｍセル２１の非反転出力ノードＯ＋とＧｍセル２２の非反転出力ノードＯ＋とは、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３に共通に接続され、Ｇｍセル２１の反転出力ノードＯ−とＧｍセル２２の反転出力ノードＯ−は、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４に共通に接続される。キャパシタ１７（容量Ｃ１）は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３と反転出力ノード１４との間に接続される。
【００４３】
次に、このＧｍ−Ｃフィルタの動作について説明する。Ｇｍセル２１は、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転入力ノード１１に印加される信号＋ｅｉを非反転入力ノードＩ＋に受けるとともに、非反転出力ノード１３に出力される信号＋ｅｏを反転入力ノードＩ−に受ける。Ｇｍセル２１は、信号＋ｅｉと信号＋ｅｏとの差電圧を電流に変換し、非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−からキャパシタ１７に出力する。Ｇｍセル２２は、Ｇｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４に出力される信号−ｅｏを非反転入力ノードＩ＋に受けるとともに、反転入力ノード１２に印加される信号−ｅｉを反転入力ノードＩ−に受ける。Ｇｍセル２２は、信号−ｅｏと信号−ｅｉとの差電圧を電流に変換し、非反転出力ノードＯ＋及び反転出力ノードＯ−からキャパシタ１７に出力する。したがって、キャパシタ１７には、Ｇｍセル２１の出力電流とＧｍセル２２の出力電流とを合成した電流が流れる。合成電流の値は、Ｇｍ−Ｃフィルタ２の入力電圧とＧｍ−Ｃフィルタ２の出力電圧の差電圧を、Ｇｍセル２１が変換した電流とＧｍセル２２が変換した電流との和になる。この電流は、キャパシタ１７が有するインピーダンスにより電圧に変換され、Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３及び反転出力ノード１４から出力される出力電圧となる。したがって、次式が成り立つ。
【数７】
2008167356.tif 000009
【００４４】
これを整理すると、下記の（８）式を得る。
【数８】
2008167356.tif 000010
【００４５】
（８）式の左辺は、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力電圧ｅｏと入力電圧ｅｉの比であり、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得を示す。（８）式の右辺は、分母がＳの１次関数で分子が定数の１次の伝達関数となる。したがって、この伝達関数は、周波数領域では１次のＬＰＦ特性を示す。つまり、図４に示されるＧｍ−Ｃフィルタは、１次のＬＰＦとなる。
【００４６】
（８）式では、右辺全体にかかる係数は１であり、Ｇｍセル２１、２２のコンダクタンスｇｍ１、ｇｍ２には依存せず一定になる。つまり、Ｇｍセル２１、２２のコンダクタンスにばらつきがあっても、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得は、ばらつくことはなく、常に一定になる。
【００４７】
次数が３次以上の奇数次のＬＰＦは、１次及び２次の伝達関数のＬＰＦの従属接続により実現することができる。即ち、奇数次のＬＰＦの伝達関数は、１次の伝達関数といくつかの２次の伝達関数の積に因数分解される。分解された１次及び２次の伝達関数各々を実現するＬＰＦを従属接続することにより奇数次のＬＰＦが実現できる。２次のＬＰＦとして第１の実施の形態において示されたＧｍ−Ｃフィルタを用い、１次のＬＰＦとして第２の実施の形態において示されるＧｍ−Ｃフィルタを用いることができる。つまり、本実施の形態に示されるＧｍ−Ｃフィルタと第１の実施の形態に示されるＧｍ−Ｃフィルタとを組み合わせることにより、電圧利得にばらつきがない３次以上の奇数次のＬＰＦを構成することができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
図５に、第３の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの回路図が示される。第１及び第２の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタに対応する部分には同じ符号が付され、その説明は省略される。
【００４９】
図５に示されるように、Ｇｍ−Ｃフィルタは、図４に示される第２の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタのキャパシタ１７を、Ｇｍセル３３、３４と、キャパシタ１９（容量Ｃ２）とを含む回路ブロックに置き換えた回路になっている。Ｇｍセル３３の非反転入力ノードＩ＋とＧｍセル３４の反転出力ノードＯ−とが、Ｇｍセル２１及びＧｍセル２２の非反転出力ノードＯ＋とＧｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３とに接続される。Ｇｍセル３３の反転入力ノードＩ−とＧｍセル３４の非反転出力ノードＯ＋とが、Ｇｍセル２１及びＧｍセル２２の反転出力ノードＯ−とＧｍ−Ｃフィルタの反転出力ノード１４とに接続される。Ｇｍセル３３の非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−は、それぞれＧｍセル３４の非反転入力ノードＩ＋と反転入力ノードＩ−に接続される。キャパシタ１９は、Ｇｍセル３３の非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−との間に接続される。
【００５０】
次に、このＧｍ−Ｃフィルタの動作について説明する。Ｇｍセル２１、２２の動作は、第２の実施の形態と同じである。まず、キャパシタ１７から置き換わった回路ブロック（Ｇｍセル３３、３４、キャパシタ１９）の動作が説明される。
【００５１】
Ｇｍ−Ｃフィルタの非反転出力ノード１３に出力される出力電圧＋ｅｏと反転出力ノード１４に出力される出力電圧−ｅｏとは、Ｇｍセル３３が有するコンダクタンスｇｍ３に応じて電流に変換され、キャパシタ１９（容量Ｃ２）に出力される。Ｇｍセル３３の出力電流は、キャパシタ１９が有するインピーダンスにより電圧に変換され、Ｇｍセル３４に入力される。Ｇｍセル３４に入力された電圧は、Ｇｍセル３４が有するコンダクタンスｇｍ４に応じて電流に変換されてＧｍセル３４から出力される。ここで、Ｇｍセル３４から出力される電流は、下記の（９）式により示される。
【数９】
2008167356.tif 000011
【００５２】
Ｇｍセル３３、Ｇｍセル３４、キャパシタ１９を備える回路ブロックは、２・ｅｏの電圧に対して上式で示される電流が流れることになる。そのため、この回路ブロックは、下記の（１０）式に示されるインピーダンスを有する２端子の素子と見なすことが出来る。
【数１０】
2008167356.tif 000012
【００５３】
ここで、第３の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタは、第２の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタのキャパシタ１７を、Ｇｍセル３３、３４と、キャパシタ１９とを備える回路ブロックに置き換えたものである。したがって、第２の実施の形態において説明された（７）式に示される式のキャパシタ１７（容量Ｃ１）が有するインピーダンスを（１０）式で置き換えた下記の（１１）式が成り立つ。
【数１１】
2008167356.tif 000013
【００５４】
これを整理すると、下記の（１２）式を得る。
【数１２】
2008167356.tif 000014
【００５５】
（１２）式の左辺は、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力電圧ｅｏと入力電圧ｅｉとの比であり、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得を示す。（１２）式の右辺は、分母がＳの１次関数で、分子がＳの伝達関数となる。したがって、この伝達関数は、周波数領域では１次のＨＰＦ（Ｈｉｇｈ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）特性を示す。つまり、図５に示されるＧｍ−Ｃフィルタは、１次のＨＰＦとなる。
【００５６】
（１２）式では、右辺全体にかかる係数は１であり、Ｇｍセル２１、２２、３３、３４のコンダクタンスｇｍ１、ｇｍ２、ｇｍ３、ｇｍ４には依存せずに一定である。つまり、第３の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタは、ＨＰＦ特性を有し、Ｇｍセル２１、２２、３３、３４のコンダクタンスｇｍ１〜ｇｍ４にばらつきがあっても、その電圧利得は影響を受けず、常に一定になる。
【００５７】
（第４の実施の形態）
図６に、第４の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの回路図が示される。第１乃至第４の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタに対応する部分には同じ符号が付され、その説明は省略される。
【００５８】
図６に示されるように、Ｇｍ−Ｃフィルタは、図５に示される第３の実施の形態のＧｍ−Ｃフィルタにキャパシタ１７（容量Ｃ１）が付加される。即ち、Ｇｍセル３３、Ｇｍセル３４、キャパシタ１９（容量Ｃ２）を備える回路ブロックに並列に、キャパシタ１７が接続される。
【００５９】
次に、このＧｍ−Ｃフィルタの動作について説明する。第４の実施の形態のＧｍ−Ｃフィルタは、第３の実施の形態におけるＧｍ−Ｃフィルタとキャパシタ１７を除いて接続が同じであることから、その動作が第３の実施の形態と同じであるＧｍセル２１、２２、３３、３４と、キャパシタ１９の動作説明は省略される。
【００６０】
キャパシタ１７は、Ｇｍセル３３、３４、キャパシタ１９を備える回路ブロックに並列に接続されているから、これら全体のインピーダンスは、（１０）式に示されるインピーダンスと、キャパシタ１７（容量Ｃ１）のインピーダンスとを並列合成した以下の式で示される。
【数１３】
2008167356.tif 000015
【００６１】
この合成インピーダンスは、第３の実施の形態において説明された（１０）式に対応し、（１１）式の該当部分に上記の（１３）式を代入すると、次式が得られる。
【数１４】
2008167356.tif 000016
【００６２】
これを整理すると、下記の（１５）式を得る。
【数１５】
2008167356.tif 000017
【００６３】
（１５）式の左辺は、Ｇｍ−Ｃフィルタの出力電圧ｅｏと入力電圧ｅｉとの比であり、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得を示す。（１５）式の右辺は、分母がＳの２次関数であり、分子がＳである伝達関数となり、周波数領域ではＢＰＦ（Ｂａｎｄ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）特性を示す。つまり、図６に示される本実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタは、ＢＰＦとなる。
【００６４】
上記の（１５）式では、右辺全体に掛かる係数は１であり、Ｇｍセル２１、２２、３３、３４のコンダクタンスｇｍ１〜ｇｍ４には依存せず一定である。つまり、第４の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタは、ＢＰＦ特性を有し、Ｇｍセル２１、２２、３３、３４のコンダクタンスｇｍ１〜ｇｍ４にばらつきがあっても、その電圧利得は影響を受けず、常に一定になる。
【００６５】
以上説明したように、本発明によれば、Ｇｍ−Ｃフィルタは、非反転入力と非反転出力間の差電圧を電流に変換して出力する第１のＧｍセルと、反転入力と反転出力間の差電圧を電流に変換して出力する第２のＧｍセルを備え、第１のＧｍセルと第２のＧｍセルの出力を共通に接続する。これにより、Ｇｍ−Ｃフィルタの電圧利得を、第１のＧｍセルと第２のＧｍセルのコンダクタンスに依らず、常に一定にすることができる。したがって、差動型Ｇｍ−Ｃフィルタ内のＧｍセルのコンダクタンスのばらつきによって生じるＧｍ−Ｃフィルタの電圧利得のバラツキを排除することが出来る。
【００６６】
本発明は、ＬＰＦ、ＢＰＦ、ＨＰＦのいずれの通過特性を持つフィルタにも適用可能である。なお、本発明の実施の形態において、説明を簡単にするために、各Ｇｍセルの非反転入力ノードＩ＋と反転入力ノードＩ−、及び、非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−の接続先を固定したが、各Ｇｍセルの非反転入力ノードＩ＋と反転入力ノードＩ−、及び、非反転出力ノードＯ＋と反転出力ノードＯ−をそれぞれ同時に入れ替えるように接続を変更しても、差動入力電圧に対して出力される差動出力電流の極性は反転しないため、各実施の形態はそのまま動作することは、もちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】従来のＧｍ−Ｃフィルタの構成を示す回路図である。
【図２】従来のＧｍ−Ｃフィルタの他の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの構成を示す回路図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの構成を示す回路図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るＧｍ−Ｃフィルタの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００６８】
１１  非反転入力ノード
１２  反転入力ノード
１３  非反転出力ノード
１４  反転出力ノード
１７〜１９  キャパシタ
２１〜２４、３３、３４  Ｇｍセル
９１〜９４  Ｇｍセル
９７、９８  キャパシタ
【図１】
2008167356.tif 000018
【図２】
2008167356.tif 000019
【図３】
2008167356.tif 000020
【図４】
2008167356.tif 000021
【図５】
2008167356.tif 000022
【図６】
2008167356.tif 000023