信号処理におけるフィルタタイプ完全ガイド

一般的にフィルタとは、信号処理において周波数信号から不要な特徴や成分を取り除くプロセスまたはデバイスのことです。コンピュータグラフィックス、画像処理、制御システム、レーダー、通信など幅広い分野で使用されています。今回は、さまざまな種類のフィルタについて詳しく解説します。

電子リニアフィルタの種類

フィルタとは？

フィルタとは、電子信号やノイズなどの不要成分がフィルタリングデバイスや媒質を通過する際にそれらを除去する回路のことです。

別の定義では、特定の周波数を減衰させながら、他の周波数を増幅または通過させるものとされています。つまり、電子フィルタは無関係または不要な周波数を持つ信号から必要な周波数を取り出す役割を果たします。

フィルタの分類

メーカーは構造方式と周波数応答方式に基づいて、いくつかのフィルタを分類しています。

構造による分類

構造の観点からは、主に2種類のフィルタがあります。

受動フィルタ

受動フィルタは、インダクタ、コンデンサ、抵抗などの受動部品のみで構成されるフィルタです。

受動バンドパスフィルタ

外部電源を必要としないため、電圧利得は得られません。つまり、出力電圧は常に入力電圧より小さくなります。

また、低周波数の処理には向きませんが、高周波信号を容易にフィルタリングできます。

受動フィルタは設計がシンプルですが、負荷を接続すると特性が変化します。また、カスケード接続して高次フィルタにする場合も素子特性に影響が出ます。

能動フィルタ

一方、能動フィルタはトランジスタ、オペアンプ、コンデンサ、抵抗などの能動部品を含みます。

能動フィルタ

外部電源が必要ですが、高い電圧利得が得られ、微弱な入力信号を増幅できます。超高周波信号の処理には向きませんが、極めて低い周波数の信号をフィルタリングするのに適しています。

設計は複雑になりますが、低出力インピーダンスと高入力インピーダンスを実現できるため、負荷インピーダンスの影響を受けません。

カスケード接続でフィルタの次数を上げる場合も、入力信号電力を損なうことなく実現できます。

周波数応答による分類

2つ目の分類は、以下のタイプに基づきます。

ローパスフィルタ（LPF）

ローパスフィルタは、低周波信号を減衰させずに通過させ、高周波信号を遮断します。

ローパスフィルタ

このフィルタは入力周波数に応じて変化するリアクタンス成分を含みます。リアクタンスの変化により回路の電圧降下が増減し、出力側で大きな電圧降下があれば信号を通し、小さければ遮断します。

ハイパスフィルタ（HPF）

ハイパスフィルタは、低周波信号を遮断し、高周波信号を振幅を減衰させずに通過させます。

ハイパスフィルタ

カットオフ周波数より高い周波数の信号は全振幅で通過し、カットオフ周波数より低い周波数の信号は遮断されます。

バンドパスフィルタ（BPF）

バンドパスフィルタは、通過帯域の周波数のみを通し、それより高い・低い周波数を遮断します。

バンドパスフィルタ

上側と下側の2つのカットオフ周波数を持ち、その間の通過帯域周波数を無減衰で通します。ハイパスフィルタとローパスフィルタをカスケード接続することでバンドパスフィルタを構成できます。ハイパスフィルタが低周波を、ローパスフィルタが高周波を遮断する役割を果たします。

バンドリジェクトフィルタ／ノッチフィルタ／バンドストップフィルタ

バンドリジェクトフィルタは、固定された周波数帯域の信号を減衰または制限します。

バンドストップ／バンドリジェクトフィルタ

動作はバンドパスフィルタと完全に逆です。ノッチフィルタは高周波と低周波を通し、その間の固定周波数帯域を遮断します。

上下のカットオフ周波数を持ちますが、その間の信号周波数を受けるとそれらを拒絶します。

応答曲線

応答曲線はフィルタの振る舞いを示します。以下の図はさまざまなフィルタの応答を表しています。

バンドフォームテンプレート

フィルタの応用例

フィルタは主に以下の分野で応用されています。

（テレビ）

（自動車製造）

まとめ

まとめると、フィルタはノイズのないクリーンな信号が必要なプロジェクトで活用できます。各フィルタの特性を理解することで、用途に最適なデバイス選定が可能になります。

周波数フィルタに関するご質問があれば、お気軽にお問い合わせください。