この記事では『パッシブフィルタ』と『アクティブフィルタ』について
- 『パッシブフィルタ』と『アクティブフィルタ』の違い
- 『パッシブフィルタ』とは
- 『アクティブフィルタ』とは
などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。
『パッシブフィルタ』と『アクティブフィルタ』の違い
アナログフィルタには、上図に示すように『抵抗・コイル・コンデンサなどの受動素子のみで構成されたパッシブフィルタ』と『オペアンプやトランジスタなどの能動素子に抵抗やコンデンサを組み合わせて構成されたアクティブフィルタ』があります。
では、次に『パッシブフィルタ』と『アクティブフィルタ』の特徴(メリットやデメリット)について説明します。
補足
- パッシブフィルタは『受動フィルタ』とも呼ばれています。
- パッシブフィルタは英語では『Passive Filter』と書きます。
- アクティブフィルタは『能動フィルタ』とも呼ばれています。
- アクティブフィルタは英語では『Active Filter』と書きます。
『パッシブフィルタ』とは
パッシブフィルタは、抵抗・コイル(インダクタ)・コンデンサなどの受動素子(パッシブデバイス)のみで構成されたフィルタ回路です。
パッシブフィルタは、外部電源を必要としませんが、出力に利得(入力と出力の比のこと)を与える能力がありません。
一例として、上図にRCローパスフィルタを示しています。この回路は抵抗RとコンデンサCの受動部品だけで構成されているのでパッシブフィルタとなります。
パッシブフィルタの出力は、パッシブフィルタの入力に接続される信号源から供給されるため、信号処理だけでなく、電源回路でノイズを取り除く用途などにも使用することができます。
下記にパッシブフィルタの『メリット』と『デメリット』を示します。
メリット
- 外部電源(外部電力)を必要としないため、省エネ化できる。
- 部品点数が少ないため、回路が簡単であり、また、比較的安価に作ることができる。
- 能動素子(オペアンプやトランジスタ)では困難な大きな信号(数10Aや数100V)を取り扱うことができる。
- 安定性が保証されている。
- 帯域幅の制限がないため、高周波動作が可能である。
デメリット
- 出力を増幅する能力がないため、利得が1以下である。
- 周波数帯域をシャープにしにくい(通過域から阻止域への遷移をシャープにしにくい)。
- コイルを用いるパッシブフィルタにおいて、カットオフ周波数fCを低周波に設定する場合、大きなインダクタンス値のコイルが必要(すなわち大きなサイズのコイルが必要)になるため、回路のサイズが大きくなる。『カットオフ周波数って何？』という方は下記の記事が役に立つと思いますので、ご参考にしてください。
-
『カットオフ周波数(遮断周波数)』とは？【フィルタ回路】
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コイルL、コンデンサC、抵抗Rなどの素子を組み合わせることで様々なパッシブフィルタを構成することができます。下記の記事では各パッシブフィルタの『伝達関数』や『周波数特性』を説明していますので、ご参考になれば幸いです。
『アクティブフィルタ』とは
アクティブフィルタは、オペアンプやトランジスタなどの能動素子(アクティブデバイス)に抵抗やコンデンサを組み合わせて構成されたフィルタ回路です。実用上はオペアンプを用いたアクティブフィルタが多いです。
アクティブフィルタは、パッシブフィルタと対照的であり、外部電源を必要としますが、出力に利得(入力と出力の比のこと)を与える能力があります。
一例として、上図にオペアンプを用いたRCローパスフィルタを示しています。この回路はオペアンプに抵抗R1,R2とコンデンサCを組み合わせて構成されているのでアクティブフィルタとなります。なお、この回路の通過域での利得|G(jω)|は抵抗R1と抵抗R2で決まり、次式で表されます。
\begin{eqnarray}
|G(j{\omega})|=\frac{R_2}{R_1}
\end{eqnarray}
アクティブフィルタの出力のほとんどは、アクティブフィルタの入力に接続される信号源からではなく、外部電源から供給されるため、信号処理には利用することができますが、電源回路でノイズを取り除く用途などには、電力効率の点から利用できません。
下記にアクティブフィルタの『メリット』と『デメリット』を示します。
メリット
- 形状が大きくて高価なコイルを使用せずに、周波数帯域をシャープにすることができる(通過域から阻止域への遷移をシャープにすることができる)。
- 出力を増幅する能力があり、利得を与えることができる。
- 入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低いため、信号源のインピーダンスと負荷のインピーダンスに対して自由度が大きい。
- アクティブフィルタを多段にする場合、各段独立して定数を決めることができるので、定数の自由度が大きい。
デメリット
- オペアンプやトランジスタなどの能動素子が必要になるため、部品点数が増えて回路が複雑になる。また、設計もパッシブフィルタと比較すると難しい。
- オペアンプを用いるため高周波領域への対応が困難である。
まとめ
この記事では『パッシブフィルタ』と『アクティブフィルタ』について、以下の内容を説明しました。
- 『パッシブフィルタ』と『アクティブフィルタ』の違い
- 『パッシブフィルタ』とは
- 『アクティブフィルタ』とは
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