(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端抵抗終端型の梯子型フィルタの合成方法であって、
所望の伝達関数に基づいて直列型ＬＣ共振器および並列型ＬＣ共振器を用いた梯子型フィルタを生成するステップと、
すべての前記並列型ＬＣ共振器に抵抗を並列に付加する抵抗付加ステップと、
該抵抗付加ステップに於いて、付加された抵抗による電気特性の変化を吸収するために、生成された前記梯子型フィルタの入力端又は出力端の抵抗値を調整する調整ステップとを備え、
すべての前記並列型ＬＣ共振器に付加された抵抗の抵抗値が調整可能なことを特徴とする梯子型フィルタの合成方法。
【請求項２】
両端抵抗終端型の梯子型フィルタの合成方法であって、
所望の伝達関数に基づいて直列型ＬＣ共振器および並列型ＬＣ共振器を用いた梯子型フィルタを生成するステップと、
すべての前記直列型ＬＣ共振器に第１の抵抗を直列に付加すると共に、すべての前記並列型ＬＣ共振器に第２の抵抗を並列に付加する抵抗付加ステップと、
該抵抗付加ステップに於いて、付加された第１および第２の抵抗による電気特性の変化を吸収するために、生成された前記梯子型フィルタの入力端又は出力端の抵抗値を調整する調整ステップとを備え、
前記第１の抵抗の抵抗値と前記第２の抵抗の抵抗値が調整可能なことを特徴とする梯子型フィルタの合成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ信号の梯子型フィルタとその合成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アナログ信号のフィルタの合成方法とは、所望の伝達関数を実現するフィルタの回路を合成する技術である。
【０００３】
まず、両端抵抗終端型の梯子型フィルタについて説明する。フィルタの構成には、梯子型や縦属接続型などがあるが、中でも梯子型構成で合成されたフィルタは、素子感度が低いという特徴を持ち、広く使用されている。また、フィルタの構成には、入力端と出力端に抵抗を接続するのか、あるいは、何もつけない開放状態にするのかという選択肢もある。中でも、入力端と出力端の両方に抵抗を付加して合成される両端抵抗終端型のフィルタは、フィルタの入出力端に接続される回路の入出力インピーダンスの影響を受けにくくできる特徴を持ち、広く使われている。
【０００４】
フィルタの基本回路は、容量(以降ではCと略す)、抵抗(以降ではRと略す)を用いた受動回路であるが、集積回路の中では、Lを実現しにくいため、トランジスタ等の能動素子を用いたフィルタを用いることが多い。このため、通常、フィルタの合成方法は、まずはじめに、所望の伝達関数を、L,C,Rを用いた理想回路に変換し、その後、GM-Cフィルタ,アクティブフィルタなど各種のフィルタの方式に応じて、LCRの回路を実際の能動回路に変換する。
【０００５】
ここで、伝達関数を両端抵抗終端型の梯子型構成のフィルタで合成する場合、従来では、伝達関数からLCRの理想回路に変換する段階において、直列型LC共振器、または、並列型LC共振器(図２(a),(b))が用いられる。これらのLC共振器は、特定の周波数で信号を通過あるいは遮断する特性を持ち、帯域通過フィルタや帯域阻止フィルタを実現するには必要となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの直列型、並列型のLC共振器は、あくまでも理想モデルであり、トランジスタを用いた実回路で実現するのは難しい。その理由は、直列型LC共振器は、共振周波数で抵抗がゼロとなるが、実回路で抵抗をゼロにすることは難しいからである。また、同様に並列型LC共振器は、共振周波数で抵抗が無限大となるが、実回路で抵抗を無限大にするのは難しい。実際、トランジスタを用いた実回路では、図2(c),(d)に示すように直列型LC共振器に直列抵抗が誤差成分2001として混入し、また、並列型LC共振器には並列抵抗が誤差成分2002として混入する。以上のように、従来のLC共振器を用いたフィルタの合成方法では、伝達関数をLC共振器を用いて正確に実現しても、その後の実回路へ変換する段階で誤差が混入し、伝達関数を正確に実現することが難しいという課題がある。
【０００７】
この課題は、集積回路の製造プロセスの微細化が進むにつれて益々深刻となる。製造プロセスの微細化が進めば、集積回路の動作電圧は益々低下する。低電圧化が進めば、抵抗がゼロ、あるいは、無限大となるLC共振回路を精度良く実現することが益々難しくなる。
【０００８】
例えば、代表的なフィルタの実現方式であるGM-Cフィルタによって理想LC共振器を実現するには、基本回路要素である電圧電流変換器の出力抵抗を無限大に保つことが必要となる。しかし、電源電圧の低下が進めば進むほど、この要請は困難なる。このため、フィルタの誤差がますます大きくなる。更に、GM-Cフィルタによって、高周波数、高いQ値のフィルタを実現するには、電圧電流変換器により多くの電流を流す必要があるため、電圧電流変換器の出力抵抗が低下し、前記の要請を満足することが更に難しくなる。すなわち、この問題が、高周波数、高いQ値のGM-Cフィルタを作る上での阻害要因の一つとなっている。
【０００９】
また、合成されたフィルタという観点から見れば、上記の課題から明らかなように、従来の理想LC共振器に基づいて合成されたフィルタは、所望の伝達関数からの誤差が大きいと言う問題がある。また、LC共振回路は、周波数に対する特性の変化が急峻であるため、フィルタの特性が素子バラツキの影響を受けやすいという課題がある。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、低電源電圧、高速動作、高いＱ値に向いた両端抵抗終端型梯子型フィルタおよび誤差を少なくしてその梯子型フィルタを合成する方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明（請求項１）は、所望の伝達関数に基づいて直列型ＬＣ共振器および並列型ＬＣ共振器を用いた梯子型フィルタを生成するステップと、すべての前記並列型ＬＣ共振器に抵抗を並列に付加する抵抗付加ステップと、該抵抗付加ステップに於いて、付加された抵抗による電気特性の変化を吸収するために、生成された前記梯子型フィルタの入力端又は出力端の抵抗値を調整する調整ステップとを備え、すべての前記並列型ＬＣ共振器に付加された抵抗の抵抗値が調整可能なことを特徴とする。
【００１２】
また他の発明（請求項２）は、所望の伝達関数に基づいて直列型ＬＣ共振器および並列型ＬＣ共振器を用いた梯子型フィルタを生成するステップと、すべての前記直列型ＬＣ共振器に第１の抵抗を直列に付加すると共にすべての前記並列型ＬＣ共振器に第２の抵抗を並列に付加する抵抗付加ステップと、該抵抗付加ステップに於いて、付加された第１および第２の抵抗による電気特性の変化を吸収するために、生成された前記梯子型フィルタの入力端又は出力端の抵抗値を調整する調整ステップとを備え、前記第１の抵抗の抵抗値と前記第２の抵抗の抵抗値が調整可能なことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、図１を用いて帯域通過型フィルタの合成方法について説明する。（数１）は、与えられる所望の伝達関数であり、この例では、６次（３つのＬＣ共振器を有する）の帯域通過型フィルタである。
図１（ａ）〜（ｃ）の過程を経て、最終的に図１（ｄ）の能動素子を用いた両端抵抗終端型の梯子型フィルタを構成することができる。
【００１６】
請求項４が講じた手段は、損失性の共振器の損失成分を制御する制御回路を備え、フィルタのQ値を調整する構成を採用する。これにより、素子バラツキや温度変動によるフィルタ特性の変動を抑えるとともに、目的に応じて、フィルタのQ値を可変にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、図１を用いて帯域通過型フィルタについて説明する。（数１）は、与えられる所望の伝達関数であり、この例では、６次（３つのＬＣ共振器を有する）の帯域通過型フィルタである。
図１（ａ）〜（ｃ）の過程を経て、最終的に図１（ｄ）の能動素子を用いた両端抵抗終端型の梯子型フィルタを構成することができる。
【００１８】
【数１】
0003798106.tif 000002
【００１９】
まず、(数１)で与えられた伝達関数をLCRを用いた回路で合成する。両端抵抗終端型の梯子型フィルタ構成で、直列／並列LC共振回路を用いて合成すると図1(a)の結果が得られる。1,3が直列型LC共振器、2が並列型LC共振器であり、1000が入力端の抵抗、1001が出力端の終端抵抗である。
【００２０】
ここで注意する必要があるのは、抵抗を接続すると、フィルタの電気的特性の変化、例えば、入力端子からみた入力インピーダンスや出力端子からみた出力インピーダンス、フィルタのゲインが変化することである。本発明では、フィルタの入出力端(図1(b)の1000,1001)の抵抗の値を調整することでこの変化を吸収する。例えば、フィルタの通過域における、入力インピーダンス、出力インピーダンス、ゲインが変らないように入出力端の抵抗値を調整することができる。特に、直列型LC共振器を短絡し、並列型LC共振回路を開放した状態において入力インピーダンス、出力インピーダンス、ゲインが変らないようにすることで容易に抵抗値を決定する事ができる。この条件を満たす抵抗値には自由度があるが、できるだけ全ての抵抗値を同じにする方が、異なる共振器の特性を同一にできるなどの利点があるため好ましい。また、LC共振器の実回路での実現性を引き下げないためにも、あまりにも高すぎる抵抗値や低すぎる抵抗値は好ましくない。この意味からも、接続する抵抗を入出力端の抵抗に対して同等の値に設定する事が好ましい。図1の例では、出力端の抵抗1002の値を抵抗1001の抵抗値(Ro)の2倍の抵抗値(2Ro)にし、抵抗5の値を同じ抵抗値(2Ro)に設定している。これにより、抵抗5を接続した後も帯域通過フィルタの中心周波数における入力インピーダンス、出力インピーダンス、ゲインは変化しない。
【００２１】
本発明では、問題となる直列型LC共振器に対しては直列に抵抗を接続（図３(a)参照）し、並列型LC共振器に対しては並列に抵抗を接続（図３(b)参照）する。抵抗の接続の様子を図３に示す。図１の例では、図1(a)のLC共振器2に抵抗5を並列接続して図1(b)の抵抗5を持つLC共振回路4とする。
【００２２】
ここで注意する必要があるのは、抵抗を接続すると、フィルタの電気的特性の変化、例えば、入力端子からみた入力インピーダンスや出力端子からみた出力インピーダンス、フィルタのゲインが変化することである。本発明では、フィルタの入出力端(図1(b)の1000,1001)の抵抗の値を調整することでこの変化を吸収する。例えば、フィルタの通過域における、入力インピーダンス、出力インピーダンス、ゲインが変らないように入出力端の抵抗調整することができる。特に、直列型LC共振器を短絡し、並列型LC共振回路を開放した状態において入力インピーダンス、出力インピーダンス、ゲインが変らないようにすることで容易に抵抗値を決定する事ができる。この条件を満たす抵抗値には自由度があるが、できるだけ全ての抵抗値を同じにする方が、異なる共振器の特性を同一にできるなどの利点があるため好ましい。また、LC共振器の実回路での実現性を引き下げないためにも、あまりにも高すぎる抵抗や低すぎる抵抗は好ましくない。この意味からも、接続する抵抗を入出力端の抵抗に対して同等の値に設定する事が好ましい。図1の例では、出力端の抵抗1002の値を抵抗1001の抵抗値(Ro)の2倍の抵抗値(2Ro)にし、抵抗5の値を同じ抵抗値(2Ro)に設定している。これにより、抵抗5を接続した後も帯域通過フィルタの中心周波数における入力インピーダンス、出力インピーダンス、ゲインは変化しない。
【００２３】
次に、フィルタの周波数特性を実現するようにL,Cの値を決定すれば、図1(b)の回路が得られる。
【００２４】
図1(b)の回路が求まれば、後は、GM-Cやアクティブフィルタなどの各フィルタの方式に応じて、フィルタを合成する。図1の例では、GM-Cフィルタにより、このLCRの回路を実現する。まず、図1(b)のLCR回路を、キルヒホッフの電流則、電圧則に基づいてシグナルフローグラフで表現する(図1(c))。
【００２５】
次に、このシグナルフローグラフを実現するようにGM-Cフィルタを構成する(図1(d))。図1(d)では、20が電圧電流変換器,21が容量である。22,23,24は、それぞれ、図1(c)の1000と１からなる直列型LCR共振器、並列型LCR共振器4、1002と3からなる直列型LCR共振器に相当する。これらは、抵抗成分を持つ損失性の共振器である。
【００２６】
比較のために、抵抗を挿入する前の図1(a)のLCR回路に基づいてフィルタを合成した例を図４に示す。図４では、LC共振器に抵抗を接続せずに用いているため、共振器41が無損失の共振器となる。実回路では無損失の共振器を作る事は難しいため、これにより、フィルタの伝達関数に誤差が混入する。
【００２７】
GM-Cフィルタで無損失のLC共振器を構成する場合、電圧電流変換器20の出力抵抗が無限大であることが必要である。しかし、実際には、この出力抵抗が有限の値をとり、これがGM-CフィルタのLC共振器の誤差要因となる。これに対し、本発明により合成したフィルタでは、前記無損失の共振器41は図１(d)の損失性の共振器23で実現されている。共振器23では、共振器41に対して新たにパス25が付け加わっており、これが共振器の抵抗成分となっている。この抵抗成分は、誤差要因となる電圧電流変換器の出力抵抗と並列に接続されている。この抵抗成分の抵抗値は、通常、電圧電流変換の出力抵抗の抵抗値よりも大きい。このため、この抵抗成分が支配的となり、電圧電流変換器の出力抵抗が見えなくなる。したがって誤差要因も見えなくなり、伝達関数が正確に実現できる。
【００２８】
以上のように本実施の形態によれば、３つのLC共振器1〜3を有する両端抵抗終端型の梯子型フィルタを合成する場合、所望の伝達関数に基づいて直列型LC共振器および並列型LC共振器を用いた梯子型フィルタを生成するステップと、すべての前記並列型LC共振器に抵抗を並列に付加する抵抗付加ステップと、該抵抗付加ステップに於いて、付加された抵抗による電気特性の変化を吸収するために、生成された前記梯子型フィルタの入力端又は出力端の抵抗値を調整する調整ステップとを備え、前記抵抗終端型の梯子型フィルタを損失性の共振器を用いて実現する梯子型フィルタの合成方法を用いることにより、前記調整ステップによって、LC共振器への抵抗付加に伴うフィルタの電気的特性変化（例えば増幅率や入出力インピーダンスの変化）を吸収できる。また、抵抗を付加した実回路に即したLC共振器を用いることで、LCRの回路から実回路へ変換する際の誤差の混入を抑えることができる。さらに、理想的なLC共振器を用いないことにより、素子バラツキに対する特性変化の少ないフィルタを合成することができる。
【００２９】
なお、４つ以上のLC共振器を有する両端抵抗終端型の梯子型フィルタを合成する場合は、所望の伝達関数に基づいて直列型LC共振器および並列型LC共振器を用いた梯子型フィルタを生成するステップと、すべての前記直列型LC共振器に第１の抵抗を直列に付加すると共にすべての前記並列型LC共振器に第２の抵抗を並列に付加する抵抗付加ステップと、該抵抗付加ステップに於いて、付加された第１および第２の抵抗による電気特性の変化を吸収するために、生成された前記梯子型フィルタの入力端又は出力端の抵抗値を調整する調整ステップとを備え、前記両端抵抗終端型の梯子型フィルタを損失性の共振器を用いて実現すればよい。
【００３０】
以上のように、入力端又は出力端の抵抗を調整することによって、ＬＣ共振器への抵抗付加に伴うフィルタの電気的特性変化（例えば増幅率や入出力インピーダンスの変化）を吸収できる。また、抵抗を付加した実回路に即したＬＣ共振器を用いることで、ＬＣＲの回路から実回路へ変換する際の誤差の混入を抑えることができる。さらに、理想的なＬＣ共振器を用いないことにより、素子バラツキに対する特性変化の少ないフィルタを合成することができる。
【００３８】
（実施の形態２）
請求項４の発明に関わる実施の形態について説明する。図７にフィルタの構成を示す。基本的には図５（ｂ）に示した両端抵抗終端型梯子型フィルタであり、損失成分制御端子104，105を介してＱ値制御回路110が前記フィルタの共振器の損失成分を制御する。
この制御回路110により、フィルタのＱ値を自動チューニングすることが可能である。
これによって、温度や電源電圧の変動などの環境の変化によるフィルタの特性の変化を補償できる。
【００４１】
請求項３に係わるフィルタ回路では、両端抵抗終端型の梯子型フィルタであって、前記梯子型フィルタを構成する全ての共振器が可変な損失成分を持つ構成を採用することで、低電圧でも所望の伝達関数を精度良く表現することができ、高速動作、高いＱ値に適し、また、素子バラツキに対しても強いフィルタを提供することができる。また、フィルタに含まれる共振器の損失成分を制御する事でフィルタのQ値を可変にすることができる。
【００４２】
請求項４に係わるフィルタ回路では、損失性の共振器の損失成分を制御する制御回路を備え、フィルタのQ値を調整する構成を採用することで、Q値の自動調整を行う事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  請求項１に係る実施の形態１による梯子型フィルタの合成方法を示した図
【図２】  LC共振器の回路図
【図３】  LC共振器への抵抗の接続方法を示した図
【図４】  図１(a)のLCR回路に基づいて合成されたフィルタの回路図
【符号の説明】
１，３  直列ＬＣ共振回路
２  並列ＬＣ共振回路
４  並列ＬＣＲ共振回路
２０  電圧電流変換回路
２１  容量
２２，２３，２４  損失性のＬＣ共振器
５１  可変な損失成分を持つ直列ＬＣ共振回路
５２  可変な損失成分を持つ並列ＬＣ共振回路
１１０  Ｑ値制御回路
１２０  共振周波数制御回路
１０００  フィルタの入力端の抵抗
１００１，１００２  フィルタの出力端の抵抗
【図１】
0003798106.tif 000003
【図２】
0003798106.tif 000004
【図３】
0003798106.tif 000005
【図４】
0003798106.tif 000006