(57)【要約】【課題】低電圧で高周波まで動作するアクティブ・フィルタ、を提供する。【解決手段】電流分割手段１４０により得られた不要な周波数成分の電流を端子１０３において入力電流から減算し、その結果得られた電流から電流分割手段１５０により必要な周波数成分の出力電流を得る。電流ミラー手段１２０により、出力電流を端子１０２に帰還する。【選択図】　図１
2004072703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号電流を入力する第一端子（１０１）と、前記第一端子から電流を入力し第二端子（１０２）と第三端子（１０３）へ電流を出力する第一の電流ミラー手段（１１０）と、前記第二端子から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する第一の電流分割手段（１４０）と、前記第一の電流分割手段の分割した電流を入力し前記第三端子に電流を出力する第三の電流ミラー手段（１３０）と、前記第三端子から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する第二の電流分割手段（１５０）と、前記第二の電流分割手段の分割した電流を入力し前記第二端子へ出力電流を出力する第二の電流ミラー手段（１２０）と、から構成され、
前記第三端子において不要な周波数成分の電流を減算し、かつ前記出力電流を前記第二端子へ帰還するようにしたことを特徴とする、アクティブ・フィルタ。
【請求項２】
入力信号電流を入力する第一端子（２０１）と、前記第一端子から電流を入力し第二端子（２０２）と第三端子（２０３）へ電流を出力する第一の電流ミラー手段（２１０）と、前記第二端子から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する第一の電流分割手段（２４０）と、前記第一の電流分割手段の分割した電流を入力し前記第三端子に電流を出力する第三の電流ミラー手段（２３０）と、前記第三端子から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する第二の電流分割手段（２５０）と、前記第二の電流分割手段の分割した電流を入力し前記第一端子へ出力電流を出力する第二の電流ミラー手段（２２０）と、から構成され、
前記第三端子において不要な周波数成分の電流を減算し、かつ前記出力電流を前記第一端子へ帰還するようにしたことを特徴とする、アクティブ・フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ・フィルタ、特に、信号電流から所望の周波数成分の電流を出力するアクティブ・フィルタ、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、アナログ・フィルタは信号を電圧振幅（電圧モード）で処理するものが主流である。また、特性のよいアナログ・フィルタを実現するために、演算増幅器（オペアンプ）を使用したアクティブ・フィルタが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、集積回路の電源電圧は低電圧化が進んでおり、電圧モードによる高速なアナログ処理を行うのは困難になりつつある。また、高性能な演算増幅器は低電圧で動作するのが困難であるという問題もある。そこで、本発明は、低電圧で高周波まで動作するアクティブ・フィルタを提供することを目的としている。通常、アクティブ・フィルタは演算増幅器を使用したフィルタを意味するが、ここでは、能動素子を使用したフィルタをアクティブ・フィルタということにする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクティブ・フィルタは、信号電流を入力し、信号を電流振幅で処理する電流モードを用いてフィルタ処理を行うものであり、以下のような手段を用いたことを特徴としている。
【０００５】
入力信号電流を入力する端子１０１と、端子１０１から電流を入力し端子１０２と端子１０３へ電流を出力する電流ミラー手段１１０と、端子１０２から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する電流分割手段１４０と、電流分割手段１４０の分割した電流を入力し端子１０３に電流を出力する電流ミラー手段１３０と、端子１０３から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する電流分割手段１５０と、電流分割手段１５０の分割した電流を入力し端子１０２へ出力電流を出力する電流ミラー手段１２０と、から構成されている。
【０００６】
この結果、２次ローパス・フィルタ（２次ＬＰＦ）、２次ハイパス・フィルタ（２次ＨＰＦ）が得られ、電流ミラー手段１２０の出力電流の帰還比率によって、Ｑ（クオリティ・ファクタ）を制御でき、Ｑを０．５より大きくすることができる。
【０００７】
また、入力信号電流を入力する端子２０１と、端子２０１から電流を入力し端子２０２と端子２０３へ電流を出力する電流ミラー手段２１０と、端子２０２から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する電流分割手段２４０と、電流分割手段２４０の分割した電流を入力し端子２０３に電流を出力する電流ミラー手段２３０と、端子２０３から電流を入力しインピーダンスによって電流を分割する電流分割手段２５０と、電流分割手段２５０の分割した電流を入力し端子２０１へ出力電流を出力する電流ミラー手段２２０と、から構成されている。
【０００８】
この結果、２次（１次対）バンドパス・フィルタ（２次ＢＰＦ）が得られ、電流ミラー手段２２０の出力電流の帰還比率によって、Ｑを制御でき、Ｑを０．５より大きくすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、請求項１のアクティブ・フィルタの形態を「形態１」、請求項２の形態を「形態２」と呼ぶことにする。
【００１０】
形態１を図１により説明する。
入力信号電流は電流ミラー手段１１０に入力され、端子１０２と端子１０３に入力電流が供給される。端子１０２の電流は電流分割手段１４０により電流成分が分割される。電流分割手段１４０は、例えばインピーダンスの異なる２つの電流経路をもち、電流の周波数成分により分割比が決まる。インピーダンス素子としては、抵抗とインダクタを用いることができる。そして、電流分割手段１４０により分割された不要な周波数成分の電流を、電流ミラー手段１３０により端子１０３において入力電流から減算し、必要な周波数成分を含む電流を得る。さらにその電流を電流分割手段１５０により分割し、必要な周波数成分の電流を得る。その電流は電流ミラー手段１２０に入力され、出力電流として端子１０４に出力するとともに、電流比ｋをもたせて端子１０２へも出力され帰還をかける。電流比ｋは電流ミラー手段を構成するトランジスタのサイズに比率をもたせることにより容易に設定できる。端子１０２において、その帰還電流は入力電流から減算される。この帰還により、フィルタのＱをｋによって制御することができる。
【００１１】
本発明を２次ＬＰＦに適用した場合、電流分割手段１４０は１次ＨＰＦであり、電流分割手段１５０は１次ＬＰＦである、と考えることができる。つまり、本発明のアクティブ・フィルタにおいては、電流分割手段１４０は不要な周波数成分を弁別し、電流分割手段１５０は必要な周波数成分を弁別する。
この場合の２次ＬＰＦの伝達関数Ｇはある設計条件により近似的に、
Ｇ＝ω０＾２／｛ｓ＾２＋ω０（２−ｋ）ｓ＋ω０＾２｝
と計算される。ここで、ｓ＝ｊω、ω０はカットオフ周波数である。
よって、
Ｑ＝１／（２−ｋ）
となる。
【００１２】
本発明を２次ＨＰＦに適用する場合には、電流分割手段１４０を１次ＬＰＦにし、電流分割手段１５０を１次ＨＰＦにすればよい。
この場合の２次ＨＰＦの伝達関数Ｇはある設計条件により近似的に、
Ｇ＝ｓ＾２／｛ｓ＾２＋ω０（２−ｋ）ｓ＋ω０＾２｝
と計算される。
【００１３】
次に、形態２を図２により説明する。
形態２は、２次（１次対）ＢＰＦに適した形態であって、形態１との主たる違いは出力電流の帰還先が端子２０１となっている点である。これにより、帰還電流は入力信号電流に加算されることになる。
【００１４】
形態２を２次ＢＰＦに適用した場合には、電流分割手段２４０、２５０は共に１次ＬＰＦ（または共に１次ＨＰＦ）の構成にする。
この場合の２次ＢＰＦの伝達関数Ｇはある設計条件により近似的に、
Ｇ＝ω０・ｓ／｛ｓ＾２＋ω０（２−ｋ）ｓ＋ω０＾２｝
と計算される。
【００１５】
以上のように、本発明のアクティブ・フィルタはＬＰＦ、ＨＰＦ、ＢＰＦともに非常に扱いやすい式の伝達関数が得られ、設計が容易である。ただし、形態１をＢＰＦに適用した場合や、形態２をＬＰＦやＨＰＦに適用した場合には、伝達関数が扱いにくい式になるので、適当ではない。
【００１６】
本発明の形態１および形態２のアクティブ・フィルタにより、２次ＬＰＦ、２次ＨＰＦ、２次ＢＰＦが得られる。また、バンドエリミネーション・フィルタ（ＢＥＦ）は、入力信号電流からＢＰＦの出力を減算することにより得られる。より高次のフィルタは、１次フィルタとこれらの２次フィルタを縦続（カスケード）に接続することにより実現できる。
【００１７】
【実施例】
図１、図２は、実施例を兼ねているので、図１、図２を詳細に説明する。
【００１８】
図１は２次ＬＰＦの実施例である。
電流分割手段１４０は１次ＨＰＦであり、インダクタ１４１、抵抗１４２、１４３、トランジスタ１４４、１４５から構成されている。トランジスタ１４４、１４５からなる電流ミラーは、トランジスタ１４５がない場合のＨＰＦの出力に含まれている低周波成分を除去するためのものである。そのため、トランジスタ１４４と１４５には、抵抗１４２、１４３の抵抗値ｒ、Ｒから定まる電流比率（例えばｒ／Ｒ）をもたせる。電流分割手段１４０のフィルタとしてのカットオフ周波数ω０は、インダクタ１４１、抵抗１４２、１４３の素子値Ｌ、ｒ、Ｒにより設定することができ、ω０＝（Ｒ＋ｒ）／Ｌである。
電流分割手段１５０は１次ＬＰＦである。ダイオード接続されたトランジスタ１５４は、電流ミラー手段１２０の入力トランジスタ１２１とバランスさせるためのものである。電流分割手段１５０にかぎらず、インダクタと直列に接続されている抵抗１４２、１５２は、低周波電流が入力された場合に、電流ミラーの入力トランジスタ１３１、またはダイオード接続されたトランジスタ１５４、がオフしないようにするためのものである。電流分割手段１５０のフィルタとしてのカットオフ周波数は、インダクタ１５１、抵抗１５２、１５３の素子値により設定することができる。
電流ミラー手段１２０の入力トランジスタ１２１と帰還のための出力トランジスタ１２２のサイズに比率をもたせることにより、フィルタのＱを設定することができる。トランジスタ１２２を複数個設け、それらの出力をスイッチ等によって切り換えることによりＱを可変または調整することもできる。同様に、出力トランジスタ１２３のサイズを変えることによって、出力電流の通過域利得を設定することができる。
【００１９】
図２は２次ＢＰＦの実施例であり、電流分割手段２４０、２５０は共に１次ＬＰＦとなっている。
【００２０】
図１、図２の実施例のアクティブ・フィルタの伝達関数を扱いやすい式にするためには、それぞれの電流分割手段（１次フィルタ）の伝達関数の通過域利得を見かけ上、１にする必要がある。そのため、電流ミラー手段１２０、１３０、２２０、２３０の入出力電流比は、その調整分を含めて設定する必要がある。
また、図１、図２の実施例は信号電流のみを考慮した回路図となっており、実際には信号電流に重畳させるバイアス電流を要所において任意に加減算して調整することができる。例えば、バイアス電流ＩＢを含んだ出力電流をｋ倍の比率で帰還している場合は、ｋ倍した後でバイアス電流分ｋ・ＩＢを減算することにより正味の帰還信号電流が得られる。
【００２１】
上記の実施例においては、トランジスタとしてＰチャネルＭＯＳＦＥＴとｎｐｎバイポーラトランジスタを用いているが、その他の種類のトランジスタを用いることもできる。入力電流または出力電流の方向は、入力または出力に電流ミラーを追加することにより、容易に変更できる。また、トランジスタを相補のトランジスタに換えて電源を逆にすることによっても、電流の方向を変えることができる。電流ミラーの構成として、カスコード型やウィルソン型のような電流ミラー回路を用いることもできる。また、電流ミラーのトランジスタ対のゲート（ベース）間に抵抗等を挿入し、信号伝搬を遅延させ調整することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のアクティブ・フィルタは、電流ミラーを用いた電流モードの信号処理によってアクティブ・フィルタを実現しているので、低電圧で高周波まで動作し、高性能な演算増幅器が不要になる。また、フィルタのＱを出力電流の帰還比率によって制御することができる。さらに、本発明のアクティブ・フィルタの２次の伝達関数は扱いやすい式にすることが可能であり、フィルタの設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクティブ・フィルタ（２次ＬＰＦ）の一実施例である。
【図２】本発明のアクティブ・フィルタ（２次ＢＰＦ）の一実施例である。
【符号の説明】
１１０、１２０、１３０、２１０、２２０、２３０　　電流ミラー手段
１４０、１５０、２４０、２５０　　電流分割手段
【図１】
2004072703.tif 000003
【図２】
2004072703.tif 000004