JP3411988B2 - 可変電圧電流変換回路 - Google Patents

可変電圧電流変換回路

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JP3411988B2
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    • H03F1/32Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion
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    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、アクティブフィルタ
等に用いられる可変電圧電流変換回路に関する。
【0002】
【従来の技術】電子回路に用いられる従来のフィルタと
しては、インダクタ、コンデンサ素子を用いたLC回路
が多用されていた。しかし、最近では集積化技術が進歩
すると共に、回路の小型化の要求が多いため、アクティ
ブフィルタが開発されフィルタ回路を集積回路に内蔵さ
せることができるようになっている。この種のフィルタ
を構築するには、抵抗と容量を用いて時定数を設定する
のであるが、この時定数を決定する素子はIC内部では
精度が不十分であるために、素子の電流等を可変できる
ようにし時定数精度を上げるようにしている。この可変
調整手段として最も有効な回路がギルバートセルと呼ば
れる電圧電流変換回路である。図2はギルバートセルを
用いた電圧電流変換回路である。
【0003】入力端子11、12には差動電圧V1 、V
2 が供給される。入力端子11、12は差動対を成すト
ランジスタQ1 、Q2 のベースに接続されている。トラ
ンジスタQ1 は、コレクタが電源ラインに接続されエミ
ッタが抵抗R11を介してダイオード接続のトランジスタ
Q3 のコレクタ及びベース、トランジスタQ5 のベース
に接続されている。トランジスタQ2 は、コレクタが電
源ラインに接続され、エミッタが抵抗R12を介してダイ
オード接続のトランジスタQ4 のコレクタ及びベース、
トランジスタQ6 のベースに接続されている。トランジ
スタQ3 、Q4のエミッタは共通に電流源I11を介して
接地され、トランジスタQ5 、Q6 のエミッタも共通に
電流源I12を介して接地されている。トランジスタQ5
のコレクタは電源ラインに接続され、トランジスタQ6
のコレクタは電流源I13を介して電源ラインに接続され
ると共に、出力端子13として導出される。
【0004】上記の回路において、今、差動入力をVin
(=V1 −V2 )とし、トランジスタQ1 に流れる電流
をi1 とするとトランジスタQ2 に流れる電流は−i1
である。また、トランジスタQ5 に流れる電流をi2 と
するとトランジスタQ6 に流れる電流は−i2 である。
そしてトランジスタQ5 、Q6 のベース間電位差ΔV
は、 ΔV=VTln[{(I11/2)+i1 }/Is ] −VTln[{(I11/2)−i1 }/Is ] =VTln[{(I12/2)+i2 }/Is ] −VTln[{(I12/2)−i2 }/Is ] …(1)
【0005】の関係になる。但しVTは、温度等価な電
圧定数、Is はトランジスタ飽和電流ですべて等しいと
し、バランス状態(ΔV=0)で電流源I11、I12はそ
れぞれ差動で1/2ずつ流れているとした。この式から i2 =(I12/I11)i1 …(2) となる。一方、i1 についてトランジスタQ1 、Q2 、
Q3 、Q4 のエミッタ等価抵抗をすべてre とすると、 i1 =Vin/(R11+R12+4re ) …(3) で求められる。(1)、(2)式より i2 =Vin/{(R11+R12+4re )(I11/I12)}…(4)
【0006】であたえられ、これがほぼ出力電流とな
る。この式からわかるように、電圧電流変換器を用いて
フィルタ時定数を構成する抵抗成分(R11+R12+4r
e )(I11/I12)を可変する場合、電流源電流I12を
変えることにより可変できる。
【0007】上記の回路では、トランジスタQ3 〜Q6
がギルバートセルを構成しており、理想的には(2)式
に示されるように便利な電流変換器として使用されてい
る。しかしこれは、トランジスタQ3 、Q4 によるPN
接合の対数圧縮された電圧をQ5 、Q6 により指数伸張
しているために、半導体の特性が大きく影響し、ノイズ
混入が避けられないことと、直流的なバランスが悪いと
いう大きな問題がある。特にアクティブフィルタを構成
する場合、その次数の分だけ信号がこのタイプの回路を
経由しなければならないために、S/Nの劣化が大きく
なる。この現象は信号レベルが小さい程不利になるが、
逆に信号レベルを大きくすると対数と指数の補正のずれ
分が強く現れるために歪みが増えるようになってしま
う。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記したようにギルバ
ートセルを用いた電圧電流変換器を通すとS/Nの劣化
を生じる。また直流のバランスも悪くなる。そこでこの
発明は、ギルバートセルによる特性の劣化を大きく低減
することができる可変電圧電流変換器を低減することを
目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明は、ベースに差
動電圧が供給される第1、第2のトランジスタと、前記第
1のトランジスタのエミッタが第1の抵抗を介してベース
及びコレクタに接続されたダイオード接続の第3のトラ
ンジスタと、前記第2のトランジスタのエミッタが第2
の抵抗を介してベース及びコレクタに接続されたダイオ
ード接続の第4のトランジスタと、前記第3、第4のトラ
ンジスタのコレクタにそれぞれベースが接続され、エミ
ッタは共通に第2の電流源に接続された第5、第6のトラ
ンジスタと、前記第2 第6のトランジスタのコレクタが
共通に接続された第3の電流源及び出力部と、前記第
1、第5のトランジスタのコレクタに電圧を供給するラ
インとを具備するものである。
【0010】
【作用】上記の手段により、出力部の出力電流は、半導
体特性により対数圧縮されて指数伸張される信号系路の
成分と、単純に電流変換された前記第2のトランジスタ
のコレクタ出力信号の成分とで構成され、対数圧縮伸張
系路の信号劣化成分の割合が少なくなり抑圧されること
になる。
【0011】
【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。
【0012】図1(A)はこの発明の一実施例であり、
図1(B)は図1(A)の構成をブロック化したもので
ある。入力端子21、22には差動電圧V1 、V2 が供
給される。入力端子21、22は差動対を成すトランジ
スタQ21、Q22のベースに接続されている。トランジス
タQ21は、コレクタが電源ラインに接続されエミッタが
抵抗R21を介してダイオード接続のトランジスタQ23の
コレクタ及びベース、トランジスタQ25のベースに接続
されている。トランジスタQ22は、コレクタが電流源I
3 を介して電源ラインに接続されると共に出力部として
導出されている。またトランジスタQ22のエミッタは、
抵抗R22を介してダイオード接続のトランジスタQ24の
コレクタ及びベース、トランジスタQ26のベースに接続
されている。トランジスタQ23、Q24のエミッタは共通
に電流源I1 を介して接地され、トランジスタQ25、Q
26のエミッタも共通に電流源I2 を介して接地されてい
る。トランジスタQ25のコレクタは電源ラインに接続さ
れ、トランジスタQ26のコレクタはトランジスタQ22の
コレクタに接続される。
【0013】上記回路をブロック化すると、図1(B)
のように表され、トランジスタQ21、Q23、Q24、Q22
の系路が電圧電流変換部31を形成し、トランジスタQ
23、Q25、Q26、Q24の系路が電流変換部32を形成
し、トランジスタQ26、Q22のコレクタ接続部が加算部
33を形成している。
【0014】この回路は、電流源の電流はI3 =(I1
+I2 )/2に設定されている。今、トランジスタQ21
に流れる電流をi1'、トランジスタQ25に流れる電流を
i2'、差動入力Vin(=V1 −V2)とすると、先の
(2)式、(3)式より i2'=(I2 /I1 )i1 …(5) i1'=Vin/(R21+R22+4re ) …(6) が得られ、このときの出力電流iout =i1'+i2'は iout ={1+(I2 /I1 )}{Vin/(R21+R22+4re )}…(7)
【0015】と表せる。従って、電流源の電流を調整す
れば、抵抗成分を調整でき、つまりフィルタ時定数の要
素を調整できる。この式では固定項が含まれるために可
変範囲が狭くなるが、逆にばらつきを補正する目的では
可変範囲の狭い方が有利といえる。次に従来の回路との
対比を行いながら機能を説明する。
【0016】センター値を従来と同じにする定数を求め
ると、(4)式、(7)式でi2 =iout となれば良
い。re は、R21、R22より十分小さくR11=R12、R
21=R22とすれば、 (I12/I11)R21={1+(I1 /I2 )}R11 …(8) となるようにすれば、従来の回路とセンター値が同じに
なる。
【0017】ここで例えば、I11=I12、I2 =(1/
3)I1 に設定した場合を考える。このときは、R21=
(4/3)R11の関係となる。また入力のダイナミック
レンジを同じにするには、I1 =(3/4)I11にす
る。ここで電流源の電流和は、従来はI11+I12=2I
11であったが、この実施例の回路ではI1 +I2 =(4
/3)I1 =I11となる。つまり、ダイナミックレンジ
を従来と同じにしても電流源の電流和は従来の半分で済
む。これは、従来は利用していないトランジスタQ22の
コレクタ電流を有効に活用しているからである。ここで
トランジスタQ22のコレクタ電流を見た場合、この電流
は、単に入力電圧を電流変換したものである。一方、本
来のギルバートセル出力は、対数圧縮、指数伸張の過程
を通ってトランジスタQ22のコレクタに現れている。こ
の電流成分は、半導体特性によりノイズ混入がありS/
Nの劣化をもたらすことは従来の回路で述べた通りであ
る。しかしながら、この回路では、出力電流Iout は、
純粋なギルバートセルの出力のみで構成されるのではな
く、単純に電圧電流変換したトランジスタQ22の出力も
含まれている。この結果、対数圧縮指数伸張の過程を経
て信号劣化を生じた成分は、出力全体の1/4に抑圧さ
れている。このときの出力電流の可変範囲は、±(1/
4)、即ち±25%(+側はさらに増やすことができ
る)になるが、実用上では十分である。さらにギルバー
トセルは、トランジスタのペア性が直接影響して出力の
直流バランスが悪いが、この回路の場合トランジスタQ
22のコレクタ電流は、抵抗R21、R22の比でほぼ決まる
ので、安定性を良くすることができる。このことは、特
に直流伝送する低域通過フィルタでしかも次数が高い回
路を実現する場合、極めて有効となる。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によると
回路構成上では素子数の増加はほとんどなく、ギルバー
トセルによる特性の劣化を大きく低減し、ノイズ増加や
歪み増加、直流ばらつき等信号劣化を大幅に改善でき、
しかも消費電流削減に効果的な可変電圧電流変換回路を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示す回路図及びブロック
図。
【図2】従来の可変電圧電流変換回路を示す回路図。
【符号の説明】
Q21〜Q26…トランジスタ、R21、R22…抵抗、I1 、
I2 、I3 …電流源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03F 3/45 H03H 11/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ベースに差動電圧が供給される第1、第2の
    トランジスタと、 前記第1のトランジスタのエミッタが第1の抵抗を介して
    ベース及びコレクタに接続されたダイオード接続の第3
    のトランジスタと、 前記第2のトランジスタのエミッタが第2の抵抗を介し
    てベース及びコレクタに接続されたダイオード接続の第
    4のトランジスタと、 前記第3、第4のトランジスタのコレクタにそれぞれベー
    スが接続され、エミッタは共通に第2の電流源に接続さ
    れた第5、第6のトランジスタと、 前記第2 第6のトランジスタのコレクタが共通に接続さ
    れた第3の電流源及び出力部と、 前記第1、第5のトランジスタのコレクタに電圧を供給
    するラインとを有した可変電圧電流変換回路。
  2. 【請求項2】差動入力電圧を差動電流に変換する電圧電
    流変換器と、 前記差動電流がそれぞれ流れる各抵抗を有し、前記各抵
    抗を流れた各差動電流が供給される一対の半導体PN接
    合と、この一対の半導体PN接合に生じる電位差が差動
    入力として供給されることで生じた差動電流のうち一方
    を電流源に接続された出力部に導出するギルバートセル
    型の電流変換器と、 前記電圧電流変換器に生じた差動電流の一方と、前記ギ
    ルバートセル型の電流変換器から前記出力部に得られた
    電流とを加算する加算器と、 を具備したことを特徴とする 可変電圧電流変換回路。
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