ノッチ フィルター設計:特定のノイズ減衰のための狭帯域フィルター

さまざまな回路が衝突するさまざまな信号周波数を生成するため、電気デバイスを扱う場合、ノイズと干渉は一般的です。このような問題は、電力線の影響を受けやすい通信機器に多く見られます。このような問題が発生している場合は、ノッチ フィルター設計を使用して不要な周波数を除外する方法があります。ノッチ フィルターにはさまざまな種類があり、それぞれに特定のコンポーネントを構築する必要がある独自の回路設計があります。

この記事では、正しい回路を構築できるようにそれらを詳しく見ていきます。

ノッチ フィルターとは?

帯域阻止フィルタまたは帯域阻止フィルタとも呼ばれるノッチ フィルタは、狭いノッチで高レベルの減衰を生成するデバイスです。この帯域の周波数を拒否しますが、ブロックされた範囲より下または上の他のすべての周波数の送信を許可します。

50Hz オーディオ フィルタの周波数応答を示すグラフ。ブロックされた周波数の狭い V 字型に注意してください。

出典:ウィキメディア コモンズ

このデバイスは、AC 電源から発生する 60Hz ハムなどの特定のノイズを除去するのに役立ちます。

ノッチ フィルタの特性

ノッチ フィルターには 3 つの属性があります:

• 狭帯域幅 (阻止帯域)
• 優れた減衰深度
• ハイQ

高い Q を達成するには、回路内にほぼ無限の減衰深度と高ゲイン オペアンプが必要です。

ノッチ フィルターの種類

ノッチ フィルターの設計には 3 つのコンポーネントがあります。ローパス フィルターが高周波数を減衰させ、ハイパス フィルターが低周波数をブロックし、加算アンプが結果を結合します。

ただし、ノッチ フィルターにはさまざまな種類があり、それぞれに独自の回路設計があります。それらには以下が含まれます:

アクティブ ノッチ フィルタ

アクティブ ノッチ フィルター回路図

緑の部分がこのアクティブ フィルターのローパス フィルターを形成し、青の部分がハイパス フィルターを形成します。これらは、オペアンプ (オレンジ色のコンポーネント) によって合計されます。

パッシブ ノッチ フィルター

アクティブ ノッチ フィルターとは異なり、このタイプにはパッシブ コンポーネントしかありません。回路のアクティブな部分を形成するアンプがありません。

T 構成のローパス フィルターとハイパス フィルターを示すパッシブ ノッチ フィルター回路図

オレンジ色の部分は図のローパス フィルター セクションを形成し、青色のコンポーネントはハイパス フィルターを形成します。

RLC ノッチ フィルター

名前が示すように、RLC ノッチ フィルターは、回路が抵抗 (R)、インダクタ (L)、コンデンサ (C) のみであるため、受動型です。

RLC ノッチ フィルター

バターワース ノッチ フィルター

バターワース ノッチ フィルターは、可能な限りフラットな応答を生成するため、信頼性と精度が高くなります。 ECG などのほとんどの医療機器には、このデバイスが搭載されています。

4 次バタワース ローパス フィルター

FM ノッチ フィルター

FM ノッチ フィルターは、受信機の飽和を引き起こす強い FM 信号を除去するのに役立ちます。主にローカライズされたオーディオ放送により、同じ帯域内の周波数変調が増加しているため、このデバイスはノイズを低減するために重要です.

VHF FM ノッチ フィルター

他のタイプには、光学、RF、および逆ノッチ フィルターがあります。もっとあるかもしれませんが、すべてが基本的な回路としてアクティブまたはパッシブノッチフィルターを持っています.両者を区別する唯一の方法は、回路設計にアクティブ コンポーネント (増幅回路) があるかどうかです。

ノッチ フィルターの設計例

ノッチ フィルターの基本設計

前述のように、ノッチ フィルターには、ローパス フィルター、ハイパス フィルター、アンプの 3 つの主要コンポーネントがあります。 3 つを組み合わせると、狭い特定の周波数範囲が減衰します。

ノッチ フィルターの狭い V 阻止帯域を示すグラフ応答

出典:ウィキメディア コモンズ

最も一般的なノッチ フィルター トポロジは、基本的なツイン T ノッチ フィルター設計です。 2 つの RC ブランチの組み合わせです。

基本的なツイン T ノッチ フィルター回路

上の T 構成 (赤) はローパス フィルターで、下の T (緑) はハイパス フィルターです。

ただし、高い減衰レベルでより狭いレベルの除去を達成したい場合は、オペアンプを導入する必要があります.

オペアンプを備えたツイン T ノッチ フィルター。オレンジ色の 2 つの抵抗は分圧器を形成します

回路にはまだ 1 つの大きな問題があります。応答曲線の V 減衰後のゲインを増加させます。したがって、回路が通過帯域を変更しないようにするために、別のオペアンプを導入する必要があります。

2 つのオペアンプ ノッチ フィルター設計

設計例

1kHz のノッチ周波数と 100Hz の 3dB 帯域幅を持つ 2 つのオペアンプを設計したいとします。ハイパス フィルタ コンデンサの値を 0.1uF と考えてください。

ノッチ フィルター周波数を取得する式を使用できます。

したがって、ノッチ深度が 20dB のアクティブ ノッチ フィルターを次のように設計できます。

20dB ノッチ深さの 2 つのオペアンプ ノッチ フィルタ

RLC タイプのノッチ フィルターの設計

注目に値するもう 1 つの例は、RLC ノッチ フィルターです。 6 つのコンポーネントを備えたツイン T 設計ではなく、抵抗、インダクタ、コンデンサの 3 つしかありません。

タスクが 23 kHz と 25 kHz をカットオフ周波数として回路を設計することである場合、その方法は次のとおりです。

23 kHz および 25 kHz カットオフ周波数用の RLC ノッチ フィルター

ノッチ フィルター伝達関数

BW は帯域幅です。

W_Z W_P はゼロ循環周波数 (カットオフ周波数) です。 は極周周波数です。 W_P フィルターのタイプ/特性を決定し、3 つの可能性があります。

• 極円周波数がゼロ円周波数より高い場合 (W_P>W_Z )、それはハイパス ノッチ フィルターです
• 極円周波数がゼロ円周波数よりも低い場合 (W_P Z )、それはローパス ノッチ フィルターです
• ただし、2 つが等しい場合は、標準のノッチ フィルターを使用しています

したがって、標準のノッチ フィルターの式を次のように書き換えることができます。

W_C W₀ は拒否されたバンドの幅です。 拒否された周波数 (中央) です。

ノッチ フィルター アプリケーション

• 通信システム:高調波ノイズ (特に電力線) によるメッセージ信号干渉の可能性が高く、ノッチ フィルターはこの範囲の周波数を除去するのに役立ちます。
• オーディオ アプリケーション (音響アプリケーション):ハミング ノイズは、アンプや PA システムなどのオーディオ エンジニアリング デバイスで歪みや鋭いスパイクを発生させる可能性がありますが、ノッチ フィルタはこれらの周波数を除去できます。
• 医療工学:電力線の干渉により、EEG および ECG の測定値が乱れる可能性があります。ノッチ フィルターは、生物医学信号からこの電力線ノイズを除去するのに役立ちます。
• インターネット サービス:DSL などの電話回線を介したインターネット伝送は、望ましくない干渉の影響を受けやすく、これに対処する唯一の方法は、回線ノイズ リデューサーとしてのノッチ フィルターです。
• デジタル信号と画像処理
• 光学アプリケーション

まとめ

ノッチ フィルターは、主に AC 電源によって引き起こされる干渉をブロックできるため、いくつかのアプリケーションで便利なデバイスです。

このデバイスを構築したい場合は、上記の情報と回路図で十分にプロセスを進めることができます。

ただし、最初にそのプロジェクトに必要なディスクリート コンポーネントを購入する必要があります。必要なものはすべて揃っています。本物の PCB、抵抗器、コンデンサー、およびフィルターのセットアップに必要なすべての部品を手頃な価格で入手するには、お問い合わせください。