CRアクティブフィルタ ガイド

—— 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（Low Pass）、ハイパス（High Pass）、バンドパス（Band Pass）、バンドエリミネーション（Band 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ト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。

—— 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）。

—— 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。

—— デメリットとか注意点とかはありませんか？

多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。