專利名稱:適用于有源濾波器電路的放大電路的制作方法
本發(fā)明涉及一種放大電路，尤其適用于有源濾波器電路，并與適合在集成電路(IC)中容易地作成有源濾波器的放大電路有關(guān)。
把含有積分電路和移相電路的濾波器電路在集成電路中作成時(shí)，如何將該濾波器制作在IC的內(nèi)部，并使外部附加的元件少，是一個(gè)重要的課題。一般在集成電路中使用的濾波器是有源濾波器。但是，先有技術(shù)的有源濾波器(1)、電阻的阻值和電容器的容量的精度不好，使得由它們的乘積所決定的截止頻率產(chǎn)生了誤差。
(2)、由于電阻的阻值和電容器的容量不能作得太大，使截止頻率低的電路難于制作。
先有技術(shù)的有源濾波器，在日本公開的說明書特開昭55-45224號公報(bào)和特開昭55-45266號公報(bào)中有記載。
本發(fā)明放大電路具有構(gòu)成把輸入信號電壓變換成信號電流的第一差動(dòng)放大電路的第1、第2晶體管Q1、Q2;構(gòu)成把在上述第2晶體管Q2集電極中流動(dòng)的信號電流按某一恒定比例分流的第2差動(dòng)放大電路的第3、第4晶體管Q3、Q4;接于上述第4晶體管Q4集電極上的負(fù)載電容器C;接于上述第3或第4晶體管Q3或Q4基極上，根據(jù)基極所加控制電壓Vc的變化來控制上述第3、第4晶體管Q3、Q4分流比的裝置;以及接于第1、第2晶體管Q1、Q2發(fā)射極上的第1、第2電阻R1、R2。而且，在本發(fā)明放大電路中，在負(fù)載電容器C中流動(dòng)的信號電流通過第3、第4晶體管Q3、Q4進(jìn)行分流，其分流比K由控制電壓Vc來控制、進(jìn)而控制有源濾波器的時(shí)間常數(shù)。另外，電阻的阻值和電容器的容量的誤差，由控制電壓Vc來補(bǔ)償。還有，因?yàn)榈?、第2電阻R1、R2接于第1、第2晶體管Q1、Q2的發(fā)射極上，所以，增大了第1、第2晶體管Q1、Q2對于輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍;并且，構(gòu)成第1差動(dòng)放大電路的第1、第2晶體管Q1、Q2，通常能夠在使過渡頻率變大的發(fā)射極電流下工作，因此，提高了第1差動(dòng)放大電路的高頻特性。
圖1、圖7為本發(fā)明放大電路的電路圖。
圖2、圖8為把本發(fā)明放大電路用作積分電路實(shí)施例的電路圖。
圖3為表示晶體管過渡頻率和發(fā)射極電流關(guān)系的特性圖。
圖4、圖9為把本發(fā)明放大電路用作低通濾波器實(shí)施例的電路圖。
圖5、圖10為把本發(fā)明放大電路用作高通濾波器實(shí)施例的電路圖。
圖6、圖11為把本發(fā)明放大電路用作移相電路實(shí)施例的電路圖。
圖12、圖13為圖4、圖9所示低通濾波器應(yīng)用電路的電路圖。
圖14為一般化的濾波器方框圖。
本發(fā)明放大電路的電路圖示于圖1。
圖1中，電阻R1接于晶體管Q1的發(fā)射極上，電阻R2接于晶體管Q2的發(fā)射極上，上述電阻R1、R2的另一端分別接于第一個(gè)恒流源A1上，晶體管Q1、Q2構(gòu)成差動(dòng)放大電路。另外，晶體管Q1的基極接于輸入端子T1上，晶體管Q2的基極接于輸入端子T2上，在輸入端子T1和T2之間加入輸入信號Vin。另外，晶體管Q2的集電極電流，通過其發(fā)射極分別接于晶體管Q2集電極上的晶體管Q3、Q4進(jìn)行分流。晶體管Q3、Q4構(gòu)成差動(dòng)放大電路。把偏置電壓VB1通過端子T8加到晶體管Q3的基極上，晶體管Q4的基極接于控制端子T3上。在晶體管Q3、Q4中流動(dòng)電流的分流比，由加在端子T3上的控制電壓Vc來控制。另外，晶體管Q4的集電極與晶體管Q5的集電極相連的同時(shí)，也與電容器C相連。而且，上述晶體管Q4的集電極也接于輸出端子T4上，在端子T4上產(chǎn)生輸出電壓Vout。電容器C接于端子T5上。晶體管Q5的基極接于晶體管Q6的基極和集電極上，晶體管Q5、Q6構(gòu)成電流密勒電路，晶體管Q5的集電極電流和晶體管Q6的集電極電流大致相等。另一方面，晶體管Q7、Q8的發(fā)射極互相連接的同時(shí)，與第二個(gè)恒流源A2相連。恒流源A2的電流值選為上述恒流源A1電流I0的1/2，即I0/2。另外，晶體管Q7、Q8的基極分別接于上述晶體管Q3、Q4的基極上，在晶體管Q3、Q4中流動(dòng)電流之比由端子T3的電壓Vc來控制。因此，晶體管Q4的集電極電流和晶體管Q8的集電極電流，以及晶體管Q3的集電極電流和晶體管Q7的集電極電流分別大致相等。
在圖1所示的電路中，把偏置電壓VB2]]>加到端子T2上、并把端子T5接于端子T6上，所形成的電路如圖2所示。
在該電路中，若把輸入信號Vin加到端子T1上，則因輸入信號Vin，在晶體管Q2集電極中流動(dòng)的交流電流is為is= (Vin)/(re+re+R1+R1) ……(1)此處，γe為晶體管Q1、Q2各自的發(fā)射極電阻。若把取決于晶體管Q3、Q4的電流is的分流比(在Q4集電極中流動(dòng)的比例)取為K，則根據(jù)電流在電容器C中流動(dòng)的那部分電流，即可得出在端子T4上的輸出電壓Vout。若把信號的角頻率取為ω，則
Vout＝ (kis)/(jωc) ＝ (kis)/(sc) ……(2)s拉普拉斯算子，由(1)、(2)式得出該電路的傳遞函數(shù)H1(s)為H1(s)＝ (Vout)/(Vin) ＝ (K)/(SC(R1+R2+2re)) ……(3)即圖2所示電路為增益用K/ωC·(R1+R2+2γe)來表示的積分電路。另外，發(fā)射極電阻γe由發(fā)射極電流IE來決定，可用下式來表示re= (kT)/(gIE) ……(4)k波耳茲曼常數(shù);
T絕對溫度;
g電子的電荷。
在常溫(室溫)下，當(dāng)發(fā)射極電流為100μA時(shí)，γe＝260Ω。
一般，表示晶體管高頻特性指數(shù)的過渡頻率fT，隨發(fā)射極電流IE有圖3所示的變化。若選用較大的發(fā)射極電流IE，則過渡頻率fT變大，高頻特性變好。
如果積分增益由發(fā)射極電阻γe來決定，則過渡頻率fT變小。
因此，在本發(fā)明中，采用電阻R1、R2及晶體管Q3、Q4，使晶體管Q1、Q2經(jīng)常在使得過渡頻率變大的發(fā)射極電流下工作。而且，把電阻R1、R2的阻值選得與RE的阻值相等，把阻值RE選得比發(fā)射極電阻γe充分大，則(3)式大致可用下式來表示H1(s)= (K)/(SC·2RE) ……(5)
即積分增益由電阻R1、R2及分流比K來決定。當(dāng)電容器C的容量或電阻RE的阻值產(chǎn)生誤差，積分增益發(fā)生變化時(shí)，通過控制加到控制端子T2上的控制電壓Vc，來控制流經(jīng)晶體管Q4集電極的信號電流的分流比K，得到期望的積分增益。還有，因?yàn)椴捎秒娮鑂E，擴(kuò)大了對于輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍，電路對于失真和雜音的特性變好。
另外，即使送到端子T8上的偏置電壓VB1有變動(dòng)，但是因?yàn)榉至鞅菿在變化，所以，還能利用送到端子T8上的電壓VB1]]>來控制積分增益。
把本發(fā)明放大電路用為積分電路的另一個(gè)實(shí)施例示于圖4。晶體管Q10、Q11、Q12、Q13及恒流源A3構(gòu)成直流電平移動(dòng)式射極跟隨器。把電容器C的積分輸出通過端子T4加到晶體管Q10的基極上，從其發(fā)射極即從端子T9作為輸出信號Vout取出。另一方面，輸出信號Vout也通過晶體管Q11、Q12、Q13加到接于晶體管Q2基極上的端子T2上，構(gòu)成負(fù)反饋電路。
因此，圖4電路的傳遞函數(shù)H2(S)為H2(s)=11+SC·2REK]]>(6)圖4電路是截止頻率為ωc的低通濾波器，ωc= (k)/(2C·RE) ……(7)而且，在這種情況下，電容器C及電阻RE的誤差，由控制分流比K而正確地加以消除。還有，即使電容器C及電阻RE的值較小、通過選擇小的分流比K，可使截止頻率ωc降低。在IC(集成電路)中作成截止頻率較低的濾波器是困難的，但是由圖2、圖4所示的積分電路，如果采用容量小的電容器C和阻值小的電阻R1、R2也能作成截止頻率低的濾波器，所以，容易在IC中作成。
把本發(fā)明放大電路用為高通濾波器的實(shí)施例示于圖5。把輸入信號Vin通過端子T5加到負(fù)載電容器C上，電容器C的另一端接于晶體管Q4的集電極上。把接于晶體管Q1基極上的端子T1接到偏置電壓VB3]]>上。這個(gè)電路的傳遞函數(shù)H3(s)可用下式來表示H3(s)=11+KSC·2RE]]>(8)圖5的電路為高通濾波器。
把本發(fā)明放大電路用于移相電路的實(shí)施例示于圖6。該電路中，晶體管Q1的集電極與負(fù)載電阻R3相連的同時(shí)，與晶體管Q9的基極相連。恒流源A1接于晶體管Q9的發(fā)射極上，晶體管Q9構(gòu)成發(fā)射極跟隨器。而且，把與電容器C相連的端子T5接于晶體管Q9的發(fā)射極上。還有，晶體管Q13的發(fā)射極通過端子T2與晶體管Q9基極相連的同時(shí)，與輸出端子T10相連，從輸出端子T10取出輸出信號Vout。在晶體管Q2集電極中流動(dòng)的交流電流is為is= (Vin-Vout)/(re+re+R1+R2) ……(9)由于電流is在電容器C中流動(dòng)，在電容器C的兩端得到電壓。同時(shí)，在晶體管Q1的集電極中有與電流is相位相反、大小相等的交流電流流動(dòng)，該電流也流經(jīng)負(fù)載電阻R3。而且，從電阻R3的端子上取出電壓，該電壓通過晶體管Q9和電容器C，和上述電容器C的端電壓相加。相加后的信號，通過晶體管Q10、Q11、Q12、Q13從端子T10作為輸出信號Vout取出的同時(shí)，也加到晶體管Q2的基極上，構(gòu)成負(fù)反饋電路。此處，若把信號的角頻率取為ω，則輸出信號Vout可用(10)式來表示Vout= (Kis)/(jωc) -R3is= (kis)/(SC) -R3is……(10)由(9)、(10)式，該電路的傳遞函數(shù)H4(s)為H4(s)=VoutVin=-R32re+R1+R2S+kC(2re+R1+R2)(1-R32re+R1+R2)S+kC(2re+R1+R2)……(11)]]>此處，R3/(2γe+R1+R2)表示作為負(fù)載電阻R3端電壓的取出信號的增益，若把該值選為0.5，則(11)式中分母和分子的大小相等。即電路的增益變?yōu)?而與輸入信號的頻率無關(guān)，圖6所示的電路為只有輸出信號的相位隨頻率而發(fā)生變化的移相電路。
此處，從上述電阻R3上取出信號的增益，由R1、R2、R3來決定，因此，若把電阻R1、R2的值也選得比發(fā)射極電阻γe的值充分大，另外，若把電阻R1、R2的值選得與RE的值相等，則(11)式大致可用下式來表示H4(s)=-R32RES+kC·2RE(1-R32RE)S+kC·2RE]]>(12)
在IC中作成該移相電路時(shí)，即使電容器C和電阻RE的值產(chǎn)生誤差，通過控制送到控制端子T3上的控制電壓Vc，來控制流經(jīng)晶體管Q4的集電極信號電流的分流比，也能把K/(C·2RE)的值控制為常數(shù)。
另外，由于在同一IC(集成電路)芯片上作成多個(gè)電阻時(shí)其阻值之比幾乎不產(chǎn)生誤差，因此，作為電阻R3端電壓的取出信號的增益R3/(2·RE)的值幾乎不變。
即如果根據(jù)本實(shí)施例，在IC中作成圖6所示的電路時(shí)，即使電容器和電阻的值產(chǎn)生誤差，通過控制晶體管Q3、Q4電流的分流比K，也能補(bǔ)償這種誤差，恒流源A1的電流值可選為任意值。因此，可選擇恒流源A1的電流值，使晶體管Q1、Q2的過渡頻率fT如圖3所示而變大，晶體管Q1、Q2的高頻特性變好。
還有，在圖1所示電路中，若晶體管Q4、Q5為理想電流源，則從輸出端子T4看入晶體管Q5、Q4的輸出電阻γc是無窮大。但實(shí)際情況是集電極電流越大，晶體管Q4、Q5的輸出電阻γc就越小，特別是在集成化的晶體管中，NPN型晶體管Q4的輸出電阻選得大時(shí)，PNP型晶體管Q5的輸出電阻就小，為幾百KΩ到幾十KΩ。此時(shí)，在低于由輸出電阻γc和負(fù)載電容器C的乘積所決定頻率的范圍，從端子T4取出的輸出信號Vout在衰減，避免了原來電路工作狀態(tài)的不應(yīng)有情況。在這種情況下，可采用以下所示的電路。
圖1所示本發(fā)明放大電路的改進(jìn)電路示于圖7。在圖7電路中，采用與晶體管Q5構(gòu)成共射共基連接的晶體管Q21，即晶體管Q4的集電極接于晶體管Q21的集電極上。晶體管Q21的基極接于偏置電壓VB4上，晶體管Q21的發(fā)射極接于晶體管Q5的集電極上，兩者構(gòu)成共射共基連接。晶體管Q5的基極接于晶體管Q6的基極和集電極上，構(gòu)成電流密勒電路，與晶體管Q6的集電極電流大致相等的電流在晶體管Q5的集電極中流動(dòng)，并且在晶體管Q21的集電極中有大致恒定的電流流動(dòng)。若晶體管Q21的輸出電阻為γc，電流放大系數(shù)為hfe，由于晶體管Q5和Q21為共射共基連接，則從輸出端子T4向晶體管Q21看入的阻抗Z0大致可用下式來表示Z0＝hfe·γe因此，作為負(fù)載電流源，由于采用了共射共基連接的PNP型晶體管Q21，使輸出阻抗增大到晶體管Q21本身輸出電阻γc的hfe倍。
圖2所示積分電路的改進(jìn)實(shí)例示于圖8。在該電路中，采用與晶體管Q5構(gòu)成共射共基連接的晶體管Q21。在該電路中，作為積分電路的負(fù)載電流源，由于采用了共射共基連接的PNP型晶體管Q21，使輸出阻抗也增大到晶體管Q21輸出電阻γc的hfe倍。其結(jié)果是，當(dāng)晶體管Q4的輸出電阻比晶體管Q21的輸出電阻也充分大時(shí)，積分電路的低頻工作范圍也增大到hfe倍。
圖4所示低通濾波器電路的改進(jìn)實(shí)例示于圖9。在該電路中，晶體管Q21與晶體管Q5也構(gòu)成共射共基連接。在該電路中，輸出阻抗也增大到hfe倍。
圖5所示高通濾波器的改進(jìn)實(shí)例示于圖10。在該電路中，晶體管Q21與晶體管Q5也構(gòu)成共射共基連接。
圖6所示移相電路的改進(jìn)電路示于圖11。在該電路中，晶體管Q21與晶體管Q5也構(gòu)成共射共基連接。
圖4、圖9所示低通濾波器的應(yīng)用例示于圖12、圖13。圖12所示電路中，采用了兩組圖4所示的電路。圖13所示電路中，采用了兩組圖9所示的電路。圖12中，利用晶體管Q101、Q102、Q103、Q104、Q105、Q110、Q111、Q112、Q113，電流源A101、A103，電阻R101、Q102及電容器C100構(gòu)成第一組低通濾波器;利用晶體管Q201、Q202、Q203、Q204、Q205、Q210、Q211、Q212、Q213，電流源A201、A203及電容器C200構(gòu)成第二組低通濾波器。圖13中，第一組低通濾波器中還利用了晶體管Q121，第二組低通濾波器中還利用了晶體管Q221。圖12、圖13中，在晶體管Q103、Q104及晶體管Q203、Q204中流動(dòng)電流的分流比K，根據(jù)送到端子T8上的控制電壓而變化，把偏置電壓VB5]]>送到端子T3上。
把圖12、圖13所示電路一般化以后的方框圖，示于圖14。圖14中，系數(shù)電路51、52、53接于輸入端子T11上，運(yùn)算電路54、55、56分別接于系數(shù)電路51、52、53上。積分電路100接于運(yùn)算電路54和運(yùn)算電路55之間，積分電路200接于運(yùn)算電路55和運(yùn)算電路56之間。而且，輸出端子T12接于運(yùn)算電路54、55、56上。若積分電路100和200的積分增益為G1和G2，系數(shù)電路51、52和53的系數(shù)為C、b和a，則圖14電路的傳遞函數(shù)H5(s)可用下式來表示H5(s)= (as2+bG2s+cG1G2)/(S2+G2s+G1G2) ……(13)根據(jù)系數(shù)a、b、c的值，圖14的電路可成為低通、高通或帶通濾波器。
在圖12、圖13所示電路中，積分電路100由第一組低通濾波器構(gòu)成，積分電路200由第二組低通濾波器構(gòu)成。并且，系數(shù)電路51、52、53的系數(shù)c、b、a選為a＝0，b＝0和c＝1。因此，從(13)式，圖12、圖13所示電路的傳遞函數(shù)H6(s)為H6(s)=k24C100C200RE1RE2S2+k2c200RE2S+k24c100c200RE1RE2]]>(14)
圖12、圖13所示電路呈現(xiàn)出二階低通特性。
此處，電阻R101和R102的阻值為RE1]]>，電阻R201和R202的阻值為RE2]]>。另外，晶體管Q9是為了使晶體管Q6更正確地完成電流密勒工作而采用的，它是基極電流補(bǔ)償晶體管。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，就能提供適用于低通濾波器、高通濾波器、移相電路等有源濾波器，并在集成電路中能夠容易作成的放大電路。
權(quán)利要求
1.一種放大電路由下述部件構(gòu)成a)第一差動(dòng)放大電路，備有下述元件第1、第2輸入端子T1、T2；第1、第2晶體管Q1、Q2；分別接于第1、第2晶體管發(fā)射極上的第1、第2電阻R1、R2；接于第1、第2電阻R1、R2上，其電流為I0的第一個(gè)電流源A1；b)第二差動(dòng)放大電路，備有下述元件第3、第4晶體管Q3、Q4，其發(fā)射極分別接于所述晶體管Q2的集電極上，把在晶體管Q2中流動(dòng)的電流分流；c)電容器C其一端接于所述晶體管Q4的集電極上，另一端接于端子T5上；d)控制電壓輸入端子T3(T8)接于所述第二差動(dòng)放大電路上，把用來控制在所述第3、第4晶體管Q3、Q4中流動(dòng)電流的分流比K的控制電壓Vc送到該端子上；e)電流密勒電路，備有下述元件具有發(fā)射極和基極分別并聯(lián)連接的第5、第6晶體管Q5、Q6，第5晶體管Q5的集電極接于第4晶體管Q4的集電極上；f)第3差動(dòng)放大電路備有下述元件第7、第8晶體管Q7、Q8；接于第7、第8晶體管Q7、Q8發(fā)射極上，輸出電流(約I0/2)的第2電流源A2；第8晶體管Q3的集電極接于所述第6晶體管Q6的集電極上；第7晶體管Q7的基極接于晶體管Q3的基極上；第8晶體管Q8的基極接于晶體管Q4的基極上。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的放大電路其特征在于把輸入信號Vin送到端子T1上;把偏置電壓VB2送到端子T2上;與電容器C相連的端子T5，接于電源端子T6或接地端子T7上。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的放大電路還具有下述部件負(fù)反饋電路具有下述元件第10晶體管Q10，把Q10的基極接于第4晶體管Q4的集電極上;第11晶體管Q11，把Q11接于第10晶體管Q10的發(fā)射極和第一個(gè)差動(dòng)放大電路中第2輸入端子之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的放大電路，其特征在于與電容器C相連的端子T5，接于電源端子T6或接地端子T7上;把輸入信號Vin送到端子T1上。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3的放大電路，其特征在于把輸入信號Vin送到電容器C相連的端子T5上;把偏置電壓VB3送到端子T1上。
6.根據(jù)權(quán)利要求
3的放大電路其特征在于還備有下述元件第3電阻R3;把R3接于第一個(gè)晶體管Q1的集電極和電源端子T6之間;第9晶體管Q9;把Q9的基極接于晶體管Q1的集電極上，把集電極接于電源端子T6上，把發(fā)射極接于端子T5上。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1的放大電路還備有下述元件晶體管Q21，把Q21的發(fā)射極接于第5晶體管Q5的集電極上，把集電極接于第4晶體管Q4的集電極上，把偏置電壓VB4加到基極上。
專利摘要
本發(fā)明的放大電路具有把輸入信號電壓變換成信號電流的第一個(gè)差動(dòng)放大電路的第1、第2晶體管；把在上述第2晶體管集電極中流動(dòng)的信號電流按某一恒定比例進(jìn)行分流的第2差動(dòng)放大電路的第3、第4晶體管；接于上述第4晶體管集電極上的負(fù)載電容器；接于上述第3或第4晶體管基極上，根據(jù)基極所加控制電壓Vc的變化來控制上述第3、第4晶體管的分流比的裝置；以及分別接于第1、第2晶體管發(fā)射極上的第1、第2電阻。
文檔編號H03H11/02GK87100128SQ87100128
公開日1987年11月11日 申請日期1987年1月10日
發(fā)明者松本脩三, 畔柳朝光, 植木幸也, 神谷昌則 申請人:株式會(huì)社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan