超低ノイズのハイパスフィルタの作り方を教えて下さい。

質問

直流～50kHzくらいまでのシグナルを完全に除去してくれるハイパスフィルタを作りたいと思っています。
出来るだけ低ノイズにしたいのですが、どうやって作るのが一番良いでしょうか？
どなたかアドバイス下さい。

回答No.4

tance · ベストアンサー

tanceです。回答が遅くなりすみません。

直流カットが目的なら、プラスチックフィルムコンデンサかセラミック
コンデンサを信号に直列に入れればそれだけで十分です。検出不可能な
くらい直流はカットされます。（他の回答者の方々がおっしゃることと
同じです）

プラスチックフィルムコンデンサやセラミックコンデンサの漏れ電流は
ほとんど測れません（測れないほど小さい）。これを正確に測る技術は
大変高度なものです。

このフィルタをローノイズにしても、どうやら次段の回路のインピー
ダンスが高そうな感じですので、LCフィルタを使ってもあまり意味が
ないかもしれません。次段の回路が発生するノイズより大幅に小さい
ノイズのフィルタにしても意味がありません。

次段の入力インピーダンスは素子のデータシートや回路の計算で求める
ことができるはずです。どうやって求めるかは回路が示されないと
何ともお答えできません。

LCフィルタの本としては、下記をお奨めします。

「LCフィルタの設計＆製作」　　CQ出版　森　栄二　著
　　　　ISBN4-7898-3272-4

「トロイダル・コア活用百科」　CQ出版　山村　英穂　著

トロイダル・コア活用百科はLCフィルタ以外にもいろいろ書かれている
ので全般的に勉強になります。ある意味交流回路（RF回路）のバイブル
的な本です。

回答No.3

c80s3xxx

直流さえ完全に切れればいいというだけなら，四の五の言わずに，セラミックコンデンサを一つ入力に直列に入れれば十分です．
この場合，入力インピーダンスを R とすれば，カットオフ周波数 (-3dB になる周波数) は，f=1/(2πCR) で求めてもいいでしょう．
R=50kΩとし，たとえば f=10kHz とすれば C=320pF になりますから，330pF のセラミックコンデンサでも入れておけばいいでしょう．
このとき，入力インピーダンスがもし100kΩならカットオフ周波数は 5kHz に下がりますし，25kΩしかなければ20kHz に上がります．カットオフが 20kHz くらいになると，50kHz での減衰も検出できるくらいになるかもしれません．いずれの場合も直流の通過はなまじのことでは検出できないレベルになるはずです．
入力インピーダンスが不確定とか変動する可能性があるとかであれば，アクティブフィルタを組まなくてはならないでしょうが，S/N だけ考えれば結局これがベストでしょう．

直流オフセットというのは，漏れの問題ではなく，このフィルタの後の回路自体が作ってしまう直流分ということです．

お礼

詳細な回答ありがとうございます。

もう一つだけよろしいでしょうか？

入力インピーダンスというのはケーブルに使われている50Ωとか75Ωのことではないのでしょうか？

もしこれでないとするとどうやって入力インピーダンスはどうやって知ることが出来るのでしょうか？装置のスペック表に載ってあれば良いですが、もしそうでない場合、自分での測定の仕方などがありましたら教えて下さい。

よろしくお願い致します。

回答No.2

c80s3xxx

直流は，コンデンサの漏れ電流がなければ，直列にどこかに入れば 0 になります．現実的には電解コンデンサなどを使わない限りは，どうやっても次の回路の直流オフセットの方がよほど問題になる程度しか流れません．
仕様上の問題としては，50kHz 以上を減衰させないのはわかりますが，それ以下をどのくらいの特性で落とすのか．そこがわからないと提案のしようがありません．
ここまでで考える限りは，それほど急峻なカット特性が必要なようにも見えないので，LC フィルタが現実的でしょう．ただし，定数は受け側の回路の入力特性がわかる必要がありますが．

お礼

ありがとうございます。

・次の回路の直流オフセットというのは、RCフィルタから漏れる電流のことなのでしょうか？
・50kHz 以下についてですが、どのくらいの特性で落とすかというのは特に必要ありません。とにかく直流成分だけをカットすることを目的としています。
・受け側の回路の入力特性についてですが、恐らく入力インピーダンス50kΩほどだと思うのですが、正確なことは分かりません。
からどうやって定数を算出するのかについて具体的に教えて頂けないでしょうか？

よろしくお願い致します。

回答No.1

tance

「完全に除去」という表現では設計できません。完全な除去は不可能
だからです。

また、「超低ノイズ」というのも、どの程度のものかによって手法が
異なります。この数値によっては、普通のOPアンプでアクティブフィルタ
を組んでもまったく問題ないかもしれませんし、液体ヘリウムで冷却
しなくては到達できないのかもしれません。

完全に除去という方は、カットオフ周波数とフィルタ次数を適当に選んで
もらえるとして、一般論をお話しします。

ノイズは、外来ノイズとフィルタ自身から発生するランダムノイズが
あります。外来ノイズはGNDの張り回しやシールド（電解、磁界）で
解決するものですから、回路の方式にはあまり関係ありません。
OPアンプを使っても、十分な電源ノイズの対策をすればOKです。
（電源を電池にすれば、まず問題になることはないでしょう）

問題は、フィルター自身が出すノイズです。これは抵抗が出すので
とにかく抵抗をなくすしかありません。（そうでなければ温度を下げる）
避けられない抵抗は、抵抗値を可能な限り小さくし、発熱もしないように
します。

一般論としては、抵抗の個数が少ないLCフィルタが一番良いことに
なります。

コイルが磁気的ノイズを拾わないように注意を要します。
コンデンサもノイズを拾いますので、機械的振動に注意をしてください。
同様にケーブルもノイズを拾います。

ただ、繰り返しになりますが、必要な仕様によって方式を決めるべきで
不必要なオーバースペックは他の特性が犠牲になるだけです。

お礼

非常に丁寧な回答ありがとうございます。

具体的には直流成分を100分の1以下に落とし、50kHz以上の減衰率が1%以下に抑えられたフィルタを必要としています。
ノイズは常識的な範囲で限りなく小さくしたいと考えています。

パッシブ型の方がノイズが少ないと考えられ、一応RCフィルタを使おうと思っているのですが、
・Rを大きくすると、熱雑音が大きくなる、一方でCを大きくすると漏れ電流が大きくなり逆にノイズを増やすことになる
・上記の条件ではRとCはどの程度のものを使えば良いか分かりません。
・式だけでみるとRとCの値に拘わらず、直流成分の減衰率は100%になるようなのですが、実際上の直流成分の減衰率はどうやって計算するのでしょうか？

それとLCフィルタの方が低ノイズという情報ありがとうございます。
・しかしLCフィルタは共振周波数をもつため逆にその周波数帯では高ノイズになってしまうのではないのでしょうか？

アクティブ型のフィルタの解説本はいろいろと見つかるのですが、パッシブ型のかなり具体的な設計の仕方が書かれた本が見つからずに困っています。
もしご存じでしたら教えて下さい。
よろしくお願い致します。