今回は【CRアクティブフィルタ編】です。

＜取材協力：(株)エヌエフ回路設計ブロック様＞

機能はシンプルだが

■ フィルタの種類と用途

- CRアクティブとは何のことですか: フィルタの機能は、決められた周波数範囲にある信号は通過させ他は阻止することで、通す範囲によりローパス、ハイパス、バンドパス、バンドエリミネーション（Elimination）などのフィルタがあります。周波数成分が入り交じった信号の中から特定の信号だけを取り出したりノイズや不要な信号を取り除いたりすることを目的に、低周波から高周波まで広く使われています。フィルタを構成する手段は様々で、用途に応じて使い分けます。通信機器など主に高周波用途ではコイルとコンデンサで構成するLCフィルタ、圧電素子を利用するセラミックフィルタ、水晶フィルタ、表面弾性波（SAW）フィルタなどが用いられます。一方、音響機器や振動計測などの低周波回路ではデジタルフィルタや今回採り上げるCRアクティブフィルタなどが使われます。デジタルフィルタは入力のアナログ信号をデジタルに変換してデジタル演算によってフィルタ処理します。様々な特性を自在に実現できますが、構成が複雑になるためオーディオ装置などの用途に限られます。これに対してCRアクティブフィルタはCRつまりコンデンサ［C］と抵抗［R］それにオペアンプで構成されるアナログ電子回路です。CRアクティブフィルタのアクティブとは、CRなどの受動（Passive）部品の他に能動（Active）部品であるオペアンプを使うことを意味しています。なお、類似するものにスイッチドキャパシタフィルタがありますが、CRアクティブフィルタとは動作原理が異なります。

作るか使うか

■ 製品としてのフィルタ

- フィルタは設計が難しそうで面倒です: CRアクティブフィルタは電子回路の一部として機器内部で多数使われます。典型的なアナログ回路であり様々な回路形式が考案されています。設計法も確立されていますが、何れも多段構成の複雑な回路となるうえ、伝達関数やオペアンプの帯域との関係などについての理解を必要とします。その意味では設計が簡単とは言えないかもしれません。
こうした負担を軽減するため、回路機能のほとんどをモジュール化した製品も出回っています。モジュールでは例えば遮断周波数を決めるための抵抗を外付けするだけで所望するフィルタ特性が得られるようになっています。
一方、音響や機械振動の実験現場などでは計測・解析信号を分離やノイズ除去のために装置として出来上がったフィルタを必要とすることが少なくありません。こうした目的のためにはベンチトップやラック組み込みタイプのフィルタがあります。実験や計測に用いるため、多くは遮断周波数をダイヤルで任意に設定でき、100を超えるチャネル数に対応できるものもあります。＜図1＞

特性の表現と理解

■ 用語とその意味

- 用語が色々あってよく分かりません

主なフィルタ用語を＜図2＞に示しました。

図2：フィルタの用語と意味

現実のフィルタは特定の周波数を境に完全に通過あるいは遮断されるわけではなく、通過域から減衰域へと滑らかに移行します。このため、遮断周波数は一般に-3dB点で定義されますが急峻なフィルタ等では他の方法で定義する場合もあります。減衰傾度はフィルタの“切れ味”の指標で単位は［dB/oct］つまり周波数を2倍したとき通過利得が何dB変わるのかを表します（周波数変化を10倍として［dB/dec］で表現される場合もある）。関連して「次数」もよく使う用語です。特性を表す伝達関数の次数なのですがフィルタを使う立場からは1次あたり6dB/octもしくは20dB/decと憶えておくと役に立ちます。＜図3＞

図3：次数と減衰特性（バタワースの例）

フィルタを選択する際には遮断周波数（中心周波数）と減衰傾度（次数）の他に減衰カーブの名称と特性を知っておく必要があります。＜図4＞に4次の場合について主要なものを掲げました。この場合、周波数特性の他にステップ応答も併せて考えることが重要です。例えば、バタワース特性は通過域が平坦で最もよく使われますが、方形波を入力した際の波形はオーバシュートを伴います。したがってパルス波形などに対しては振幅特性がやや甘くなるもののオーバシュートを押さえたベッセル特性のフィルタが適します。同様にチェビシェフ（Chebyshev）特性は減衰特性に優れますが、通過域にわずかなリップル（周波数特性のうねり）があり、連立チェビシェフ（Ellipticとも呼ばれる）特性は遮断周波数付近の特性はさらに急峻ですが、遷移域に跳ね返りがあるという具合です。どちらを使うかは通過させたい信号と阻止したい信号の周波数とレベル分布から判断します。

図4：周波数応答とステップ応答
（何れも4次の場合、チェビシェフはリップル＝0.3dB、連立チェビシェフはエヌエフ回路SR4BLの特性）

メリット/デメリット

■ 扱いのコツと注意

- デメリットとか注意点とかはありませんか: CRアクティブフィルタはCRとオペアンプで構成されるのでメリット/デメリットもそれらを反映しています。例えば入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスは低い回路にできるので、入力や出力に接続する相手方のインピーダンスをさほど気にせずに使えます。このことは、他の例えばLCフィルタなどが入出力共にインピーダンス整合しないと所定の特性が得られないのと比べて大きなメリットです。設計面では周波数の変更が抵抗やコンデンサなど入手性の良い部品の値を変えるだけで比較的簡単に済むのもメリットです。一方、オペアンプを使うことから使用できる周波数の範囲には限りがあります。実質的上限は10MHz程度までです。扱う信号の大きさ（電圧範囲）も電子回路として正常に動作する範囲に限られるのでレベルの大きな信号を扱う場合は飽和に注意してください。反対に、微小レベルの信号を対象にする場合にはオペアンプ内部で発生する雑音を考慮する必要があります。