JP2001156590A - バイカッドノッチフィルタ - Google Patents

バイカッドノッチフィルタ

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JP2001156590A
JP2001156590A JP34180999A JP34180999A JP2001156590A JP 2001156590 A JP2001156590 A JP 2001156590A JP 34180999 A JP34180999 A JP 34180999A JP 34180999 A JP34180999 A JP 34180999A JP 2001156590 A JP2001156590 A JP 2001156590A
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JP
Japan
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circuit
stage
inverting
notch filter
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JP34180999A
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Kazuo Kawai
一夫 川井
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GEN RES ELECTRONICS Inc
General Research of Electronics Inc
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GEN RES ELECTRONICS Inc
General Research of Electronics Inc
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/02Multiple-port networks
    • H03H11/04Frequency selective two-port networks
    • H03H11/12Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback
    • H03H11/1217Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback using a plurality of operational amplifiers
    • H03H11/1252Two integrator-loop-filters

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  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二重帰還回路を有するバイカッドノッチフィ
ルタにおいて、GB積があまり大きくないOPアンプを
用いても十分深いノッチ特性が得られるような構成を提
供することである。 【解決手段】 1段目及び2段目が反転増幅回路3,4
で、3段目及び4段目が反転積分回路で、二重帰還回路
7,8を有するバイカッドノッチフィルタにおいて、2
段目の反転増幅回路4の帰還抵抗に代えて、補償用イン
ピーダンス素子を用いる。補償用インピーダンス素子と
しては、帰還抵抗にインダクタ、キャパシタ等のリアク
タンス素子を接続したものを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はアクティブフィルタ
(Active Filter)の一種であるバイカッド(Biquad)形式
のノッチフィルタ(Notch Filter)の深いノッチ特性を得
るための改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ノッチフィルタは別名帯域阻止(Band El
iminationあるいはBand Stop)フィルタとも云われ、通
過帯域中の一部帯域に減衰を与えるものである。アクテ
ィブフィルタには多くの形式のものがあるが、バイカッ
ド形式のフィルタはそのパラメータが調整しやすいとい
う特長を持っているのでよく用いられる。
【0003】通常形式のバイカッド回路は、1段目が加
算反転ローパス回路、2段目が積分反転回路、3段目が
反転回路で、3段目出力から1段目へ帰還回路が設けら
れた構成になっており、ノッチフィルタ出力を得たい場
合には、もう1つの外部加算器を用いて、ここで入力信
号と1段目出力と2段目出力あるいは3段目出力の3者
に必要な重みづけをして加算すれば得られることはよく
知られている。
【0004】この形式のノッチフィルタでQを変えるに
は、1段目の利得をQに比例して変えるのと同時に、1
段目出力から外部加算器へ加える信号の重みも同時に変
えればよいが、Qの値に比例して後段回路の動作レベル
が高くなるという欠点を持っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この欠点を改良するた
め、もう1つの形式のバイカッド回路として、1段目が
加算反転回路、2段目も加算反転回路、3段目が積分反
転回路、4段目も積分反転回路という構成で、3段目出
力から1段目入力への帰還回路と、4段目出力から2段
目入力への夫々に帰還回路が設けられた形式のものがあ
る。この形式のバイカッド回路でQを変えるには、1段
目出力から2段目入力の加算器へ加える信号の重みをQ
に比例して変えるのみでよいから、前者が2か所の利得
を変えねばならなかったのに比し簡単になるばかりでな
く、Qに比例して動作レベルが高くなるという欠点も無
い。しかしこのバイカッド回路でも1段目出力がノッチ
フィルタ出力となるが、この回路でQを大きくする場
合、実際の演算増幅器(以下、OPアンプと略称)が理
想モデルのそれとは異なりGB積(Gain- Bandwidth Pro
duct)は有限値であるため、深いノッチが得られない場
合が多く、しかもGB積を大きくしようとしても広帯
域、高利得のOPアンプが得難いためである。
【0006】本発明の目的は、この点に鑑みて、二重帰
還回路を有するバイカッドノッチフィルタにおいて、G
B積があまり大きくないOPアンプを用いても、十分に
深いノッチ特性が得られるような構成を提供することで
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のバイカッドノッチフィルタは、1段目と2
段目が反転増幅回路、3段目と4段目が反転積分回路か
ら成り、3段目の反転積分回路の出力から1段目の反転
増幅回路へと、4段目の反転積分回路の出力から2段目
の反転増幅回路の入力へとの夫々に帰還回路が接続さ
れ、上記反転増幅回路は演算増幅器とその入出力間に接
続された帰還抵抗から成り、上記反転積分回路は演算増
幅器とその入出力間に接続された帰還容量から成り、1
段目の反転増幅回路の出力をフィルタ出力とするように
構成されたバイカッドノッチフィルタにおいて、上記演
算増幅器の利得及びカットオフ周波数に応じて2段目の
反転増幅回路の帰還抵抗にリアクタンス素子を接続して
インピーダンス素子を構成することにより、深いノッチ
特性を得るように構成したことを要旨とする。
【0008】本発明において、前記インピーダンス素子
は、例えば、(1)2段目の反転増幅回路の帰還抵抗に
直列にインダクタを直列に接続する、(2)該帰還抵抗
にキャパシタを並列に接続する、(3)上記帰還抵抗に
並列にキャパシタを、直列にインダクタを接続するよう
に構成してもみよい。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の二重帰還回路を有するバ
イカッド回路は、前述のように、1段目と2段目は反転
増幅回路で、3段目と4段目は反転積分回路であるが、
これらの回路としてGB積があまり大きくないOPアン
プを用いても、2段目反転増幅回路の帰還抵抗にインダ
クタまたはキャパシタ等のリアクタンス素子を付加して
インピーダンス素子を構成することによって、十分に深
いノッチ特性を得ることができる。
【0010】以下、上記実施形態に基づく、本発明のバ
イカッドノッチフィルタの実施例を説明する。図1のバ
イカッドノッチフィルタの回路において、1は信号入力
端子、2はノッチフィルタ出力端子、1段目と2段目は
反転増幅器3,4であり、3段目と4段目は反転積分回
路5,6であるが、2段目の反転増幅器4の帰還抵抗R
2の代わりに、R2と他のリアクタンス素子から成るイン
ピーダンス素子である図4に示す3種の補償回路の何れ
かを用いることによって、GB積の大きくないOPアン
プを用いても、極めて深いノッチ特性を得ることができ
る。図1で、R0〜R3は抵抗、C0はキャパシタ、OP1
〜OP4はOPアンプ、e1は入力信号、e2はノッチフ
ィルタ出力信号、7,8は帰還路である。
【0011】本発明のバイカッドノッチフィルタの回路
構成は、以上のように、極めて簡単であるので、以下、
その特性について説明する。図1の回路において、各回
路のOPアンプが理想的アンプである場合には、よく知
られているように、ノッチ周波数ω0は1/(R30
で決まり、QはR1/R2で決まる。
【0012】この回路は、基本的に、図2に示す反転増
幅器(a)と反転積分器(b)を組み合わせて構成され
ているが、OPアンプ自体の伝達関数HO(s)を数1に示
すように1次近似のローパスフィルタ(開ループ利得
(Open Loop Gain)をA、カットオフ周波数をωc)と
すると、反転増幅器(a)の伝達関数HA(s)は数2で表
され、反転積分器(b)の伝達関数HI(s)は数3で表さ
れる。
【0013】
【数1】
【0014】
【数2】
【0015】
【数3】
【0016】これらの伝達関数を用いて図1の回路の端
子1,2間の伝達関数HN(s)を求めると、数4のように
なる。
【0017】
【数4】
【0018】数4で、分子は7次式、分母は8次式と高
次であるから、この式を解析することは容易ではない。
しかし、数2および数3がそれぞれ1次および2次のロ
ーパスフィルタであることから、OPアンプの増幅度A
およびカットオフ周波数ωcが十分大きくないと、これ
らによって位相回転が生じ、そのため図1の1段目反転
増幅回路において信号を十分うち消しきれないことにな
る、ということが考えられる。
【0019】この位相回転を補償する場所としては、図
1の2段目反転増幅回路の帰還抵抗R2の場所が最適だ
と思われる。それはこの一カ所だけのインピーダンスの
変更が二つの帰還ループ7,8に、したがって回路全体
に影響を与える場所だからである。
【0020】この抵抗R2をインピーダンス素子Zの補
償素子に置き換えた回路を図3に示し、そのZの内部構
成3種Za〜Zcを図4の(a)、(b)、(c)に示
す。Z aは帰還抵抗R2にインダクタLを直列に接続し、
bはR2にキャパシタC1を並列に接続し、ZcはR2
キャパシタC1を並列に、インダクタLを直列に接続し
ている。
【0021】この3種の補償素子を用いることによっ
て、深いノッチが得られることは数4の絶対値を計算す
れば確かめられる。その計算結果を図5に示す。
【0022】図5の縦軸はOPアンプの開ループ利得A
であり、横軸は1次近似ローパスのカットオフ周波数f
cc=2πfc)である。図5の○印は図4の(a)の
回路Zaを用いて、●印は同じく(b)の回路Zbを用い
て、◎印は同じく(c)の回路Zcを用いて補償できた
ことを示しており、記入されている場所の座標位置がそ
の計算に用いたAとfcである。数4の数値計算におけ
るその他のパラメータとしては、ω0=2×π×5×1
3、R0=104、R1=4×105、R2=104とし
た。Q=R1/R4であるから、Q=40である。
【0023】図5より明らかなように、OPアンプのA
が比較的大きく、fcが比較的低い場合には図4の
(a)の回路で補償でき、逆にAが比較的小さく、fc
が比較的高い場合には図4の(b)の回路で補償でき
る。したがって図4(a)と(b)の合成である(c)
の回路では、OPアンプのすべての範囲に渉って補償で
きる、ということを示している。
【0024】計算結果の具体例を挙げると、図5のaに
示す〇印については補償回路を用いなければ(R2のま
ゝ)、5KHzの入力信号は20.26dBしか減衰せ
ず、ノッチの一番深い点は4.9735KHzに生じる
が、こゝでの減衰も21.316dBしかない。しかし
図4(a)の補償回路Zaを用い、Lを6.3009…
×10-4Hに選ぶと、周波数4.9974…KHzおい
て減衰170dB以上というほゞ完全なゼロ点を生じ
る。図5のbに示す●印についてはR2のまゝでは周波
数5KHzの点で0.17dBの減衰しか得られないば
かりか、ノッチも生じないが、補償回路Zbを用いてC1
を9.02465…×10-11Fに選ぶと、周波数4.
0610455…KHzにおいて減衰100dB以上と
いうほゞ完全なゼロ点を生じる。
【0025】さらに図5のcに示す◎印については、R
2のまゝではノッチを生じないが、補償回路Zcを用いて
1を1.20007…×10-11Fに選び、Lを5.6
83497…×10-2Hに選ぶと周波数4.70643
162…KHzにおいて110dB以上減衰のノッチが
得られる。この補償回路ZcはLとC1の両方を変えるこ
とができるから、ノッチを得るためのその値の組み合わ
せは無限に存在し、OPアンプのAとωcの広範囲の組
み合わせに対応し得る。
【0026】またこの補償回路を用いた場合の補償効果
の一例として、補償回路Zbを用いた場合の周波数特性
を図6に示す。図中の点線は補償回路を用いない場合の
特性であり、補償回路を用いると実線のように深いノッ
チ特性が得られる。
【0027】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、2重帰還回路を有するバイカッド形式のノッチフ
ィルタにおいて、GB積の大きくないOPアンプを用い
ても、インダクタまたはキャパシタあるいはこの両者を
追加するだけで、極めて深いノッチ特性を得ることがで
きるから、OPアンプ選定の困難性を無くすることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられる2重帰還回路を有するバイ
カッド形式のノッチフィルタの回路構成図である。
【図2】図1の回路の構成要素である反転増幅器と反転
積分器の回路構成図である。
【図3】図1の回路でノッチ特性を改善するために、抵
抗素子を補償回路としてのインピーダンス回路に置き換
えることを示す本発明の一実施例の回路構成図である。
【図4】本発明において補償用インピーダンス回路の3
種の構成方法を示す回路構成図である。
【図5】補償回路を用いて深いノッチが得られた時のO
Pアンプの開ループ利得とカットオフ周波数との関係を
示す図である。
【図6】補償回路を用いた場合と用いない場合の周波数
特性の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
0〜R3、Ra、Rb 抵抗 C0,C1 キャパシタ L インダクタ Z インピーダンス回路 SL 直列インダクタ PC 並列キャパシタ 1 入力端子 2 出力端子 3,4 反転増幅回路 5,6 反転積分回路 7,8 帰還路
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年12月1日(1999.12.
1)
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1段目と2段目が反転増幅回路、3段目
    と4段目が反転積分回路から成り、3段目の反転積分回
    路の出力から1段目の反転増幅回路へと、4段目の反転
    積分回路の出力から2段目の反転増幅回路の入力へとの
    夫々に帰還回路が接続され、上記反転増幅回路は演算増
    幅器とその入出力間に接続された帰還抵抗から成り、上
    記反転積分回路は演算増幅器とその入出力間に接続され
    た帰還容量から成り、1段目の反転増幅回路の出力をフ
    ィルタ出力とするように構成されたバイカッドノッチフ
    ィルタにおいて、上記演算増幅器の利得及びカットオフ
    周波数に応じて2段目の反転増幅回路の帰還抵抗にリア
    クタンス素子を接続してインピーダンス素子を構成する
    ことにより、深いノッチ特性を得るように構成したこと
    を特徴とするバイカッドノッチフィルタ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のバイカッドノッチフィ
    ルタにおいて、前記インピーダンス素子は2段目の反転
    増幅回路の帰還抵抗に直列にインダクタを接続して成る
    ことを特徴とするノッチフィルタ。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のバイカッドノッチフィ
    ルタにおいて、前記インピーダンス素子は2段目の反転
    増幅回路の帰還抵抗に並列にキャパシタを接続して成る
    ことを特徴とするノッチフィルタ。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のバイカッドノッチフィ
    ルタにおいて、、前記インピーダンス素子は2段目の反
    転増幅回路の帰還抵抗に並列にキャパシタを接続し、こ
    れに直列にインダクタを接続して成ることを特徴とする
    ノッチフィルタ。
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