ハイパスフィルタの設計、機能、実用的応用

ハイパスフィルタはローパスフィルタの逆の動作を行います：高周波信号を通過させながら、低周波成分を減衰させます。最も一般的な2つの実装（コンデンサ型とインダクタ型）は、ローパスフィルタの対応物を反転させたインピーダンス特性を持ちます。

コンデンサ型ハイパスフィルタ

コンデンサのインピーダンス

コンデンサ型ハイパス回路では、周波数が低下するにつれてコンデンサのインピーダンスが増大します（下図参照）。この高い直列インピーダンスが、低周波エネルギーが負荷に到達するのを効果的にブロックします。

capacitive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
c1 1 2 0.5u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

コンデンサ型ハイパスフィルタの応答は周波数とともに上昇

インダクタ型ハイパスフィルタ

インダクタのインピーダンス

インダクタ型ハイパスフィルタは逆の動作をします：インダクタのインピーダンスは周波数低下とともに減少し、低インピーダンスのシャントとなって、低周波信号が負荷抵抗を駆動する前に短絡します。その結果、電圧の大部分が直列抵抗R1に降下します。

inductive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 200
l1 2 0 100m
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

インダクタ型ハイパスフィルタの応答は周波数とともに上昇

実用では、コンデンサ型設計が好まれることが多いです。単一のリアクタンス素子のみで構成でき、優れた純度を提供するためです。インダクタは高周波でスキン効果とコア損失に悩まされる傾向があります。

カットオフ周波数

すべての一次フィルタと同様に、ハイパスフィルタにも特性カットオフ周波数f_cがあり、ここで出力は入力の70.7%（1/√2）に等しくなります。コンデンサ型ハイパス回路では標準的な式が適用されます：

上記の例では、存在する抵抗は負荷抵抗（1 kΩ）のみなので、この値を計算に使用します。

ハイパスフィルタの応用

ステレオシステムを考えてみましょう：ツイーターに直列コンデンサを配置するとハイパスフィルタとなり、再生できない低周波ベースエネルギーがスピーカーに無駄に供給されるのを防ぎます。逆に、ウーファーに直列インダクタを配置するとローパスフィルタとなり、高周波歪みからベースドライバーを保護します。ミッドレンジスピーカーは全音域を受け取ります。より洗練された分配には、バンドパスフィルタを使用してミッドレンジ周波数のみをミッドレンジドライバーに送ることができます。

ハイパスで高域をツイーターへ、ローパスで低域をウーファーへ

完全なステレオシステムでは、6つのドライバー（ウーファー2つ、ミッドレンジ2つ、ツイーター2つ）が使用され、それぞれ適切なフィルタネットワークで駆動されます。

まとめ：

• ハイパスフィルタは高周波信号の通過を容易にし、低周波成分を減衰させる
• コンデンサ型ハイパスは負荷と直列にコンデンサを挿入、インダクタ型は直列抵抗と並列インダクタで不要周波数の低インピーダンスシャントを作る
• カットオフ周波数は出力が入力の70.7%となる点、これ以上では出力が改善、以下では減衰

関連ワークシート：

• アクティブフィルタワークシート
• 受動フィルタ回路ワークシート