ノッチフィルタ設計のマスター: 信頼性の高いエレクトロニクスのための精密ノイズ抑制

異なる回路が生成する信号周波数が衝突するため、電気デバイスを扱う際にはノイズと干渉が一般的です。このような問題は、電力線の影響を受けやすい通信デバイスで特に顕著です。このような問題を経験している場合、ノッチフィルタ設計を使用して不要な周波数をフィルタリングする方法があります。ノッチフィルタにはさまざまなタイプがあり、それぞれ固有の回路設計を持ち、構築に特定のコンポーネントを必要とします。

この記事では、正しい回路を構築できるよう、それらを詳細に見ていきます。

ノッチフィルタとは？

バンドリジェクションフィルタまたはバンドストップフィルタとしても知られるノッチフィルタは、狭いノッチに高レベルの減衰を生成するデバイスです。この周波数帯域を除去しますが、ブロック範囲より下または上の他のすべての周波数を通過させます。

このデバイスは、AC電源からの60Hzハムなど、特定のノイズをフィルタリングするのに役立ちます。

ノッチフィルタの特性

ノッチフィルタには3つの属性があります：

• 狭い帯域幅（ストップバンド）
• 大きな減衰深度
• 高Q値

高Qを達成するには、ほぼ無限大の減衰深度と、回路内の高利得オペレーショナルアンプが必要です。

ノッチフィルタのタイプ

ノッチフィルタ設計には3つのコンポーネントがあります。ローパスフィルタが高周波数を減衰させ、ハイパスフィルタ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。

しかし、ノッチフィルタにはさまざまなタイプがあり、それぞれ固有の回路設計を持っています。これらには以下が含まれます：

アクティブノッチフィルタ

このアクティブフィルタでは、緑の部分がローパスフィルタを形成し、青の部分がハイパスフィルタを形成します。これらはオペアンプ（オレンジのコンポーネント）によって合計されます。

パッシブノッチフィルタ

アクティブノッチフィルタとは異なり、このタイプは受動コンポーネントのみを持ちます。回路のアクティブ部分を形成するアンプがありません。

図では、オレンジの部分がローパスフィルタセクションを形成し、青のコンポーネントがハイパスフィルタを形成します。

RLCノッチフィルタ

名前が示す通り、RLCノッチフィルタは受動タイプです。回路が抵抗（R）、インダクタ（L）、コンデンサ（C）のみを持つためです。

バターワースノッチフィルタ

バターワースノッチフィルタは、可能な限りフラットな応答を生成し、信頼性が高く高精度です。ほとんどの医療機器（心電図など）にこのデバイスが搭載されています。

FMノッチフィルタ

FMノッチフィルタは、レシーバ飽和を引き起こす強力なFM信号を除去するのに役立ちます。ローカライズされた音声放送により、同一バンド内の周波数変調が増加したため、このデバイスはノイズ低減に不可欠です。

他のタイプには、光学、RF、逆ノッチフィルタがあります。他にもあるかもしれませんが、すべてアクティブまたはパッシブノッチフィルタを基盤とする回路を持っています。2つ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（アンプ回路）があるかどうかです。

ノッチフィルタ設計例

前述の通り、ノッチフィルタには3つの主要コンポーネントがあります：ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、アンプ。これらが組み合わさって、狭く特定の周波数範囲を減衰させます。

最も一般的なノッチフィルタトポロジーは、基本的なツインTノッチフィルタ設計です。これは2つのRCブランチの組み合わせです。

上部のT構成（赤）がローパスフィルタ、下部のT（緑）がハイパスフィルタです。

しかし、より狭い除去レベルと高い減衰レベルを達成したい場合、オペレーショナルアンプを導入する必要があります。

この回路にはまだ1つの大きな問題があります。応答曲線のV減衰後にゲインが増加します。したがって、パスバンドを変更しないようにするために、もう1つのオペレーショナルアンプを導入する必要があります。

設計例

1kHzのノッチ周波数と100Hzの3dB帯域幅を持つ2つのオペレーショナル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とします。

ノッチフィルタ周波数を求める式を使用できます：

したがって、20dBノッチ深度のアクティブノッチフィルタを以下のように設計できます：

RLCタイプノッチフィルタの設計

もう1つ見る価値のある例はRLCノッチフィルタです。6つのコンポーネントを持つツインT設計の代わりに、これは抵抗、インダクタ、コンデンサの3つのみを持ちます。

タスクが23kHzと25kHzをカットオフ周波数とする回路を設計する場合、以下のように進めます。

ノッチフィルタ伝達関数

BWは帯域幅です。

Wzは零円周波数（カットオフ周波数）、Wpは極円周波数です。Wpがフィルタのタイプ/特性を決定し、3つの可能性があります。

• 極円周波数が零円周波数より高い場合（Wp > Wz）、ハイパスノッチフィルタとなります
• 極円周波数が零円周波数より低い場合（Wp < Wz）、ローパスノッチフィルタとなります
• しかし、両者が等しい場合、標準的なノッチフィルタとなります

したがって、標準的なノッチフィルタの式は以下のように書き換えられます：

Wcは除去バンドの幅、W0は除去周波数（中心）です。

ノッチフィルタの応用

• 通信システム: ハーモニックノイズ（特に電力線による）によるメッセージ信号干渉の可能性が高く、ノッチフィルタがこの周波数範囲を除去するのに役立ちます。
• オーディオ応用（音響応用）: ハミングノイズがオーディオエンジニアリングデバイス（アンプ、PAシステムなど）で歪みやシャープなスパイクを生成することがありますが、ノッチフィルタでこれらの周波数を除去できます。
• 医療工学: 電力線干渉がEEGとECGの読み取りを狂わせることがあります。ノッチフィルタがバイオメディカル信号からこの電力線ノイズを除去します。
• インターネットサービス: 電話線を介したインターネット伝送（DSLなど）は不要な干渉を受けやすく、ラインノイズリデューサとしてノッチフィルタで対処します。
• デジタル信号および画像処理
• 光学応用

まとめ

ノッチフィルタは、主にAC電源による干渉をブロックできるため、いくつかの応用で便利なデバイスです。

このデバイスを構築したい場合、上記の情報と回路図でプロセスをガイドするのに十分です。

ただし、そのプロジェクトに必要な個別コンポーネントを最初に購入する必要があります。私たちには必要なものがすべて揃っています。本物のPCB、抵抗、コンデンサ、フィルタ構築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。