計測のためのフィルタ回路設計【オンデマンド版】
書籍情報
発売日 : 2022年12月22日
著者／編集 : 遠坂 俊昭
出版社 : CQ出版
発行形態 : 単行本
ページ数 : 296p
書籍説明
内容紹介
信号にまざった雑音成分を上手に取り除くのがフィルタの役割です．本書では，アナログ回路に残された重要な使命であるさまざまなフィルタ回路技術について，ていねいに解説しています．究極の微小信号回路「ロックイン・アンプ」についても解説しています
目次
★目次
○第1章 フィルタのあらまし
1.1 フィルタの特性と種類
● フィルタのいろいろ…本書では周波数領域のフィルタ
● 雑音とフィルタの帯域幅
● ホワイト・ノイズに対するフィルタの効果
● エリアシングを防ぐにはローパス・フィルタ
● ハイパス・フィルタ(HPF)の役割
● バンドパス・フィルタ(BPF)の役割
● バンドエリミネート・フィルタ(BEF)の役割
● アナログ・フィルタとディジタル・フィルタ
● 自作できるフィルタ
● メーカの用意するフィルタ
1.2 フィルタの周波数応答と時間応答特性
● フィルタ次数と減衰傾度
● 最大平坦…バタワース(Butterworth)特性
● ステップ応答の整定が速いベッセル(Bessel)特性
● 急峻特性を実現するチェビシェフ(Chebyshev)特性
● さらに急峻…連立チェビシェフ(Elliptic)特性
● フィルタの副作用
● ハイパス・フィルタの時間応答特性
● バンドパス・フィルタの時間応答特性
○第2章 RCフィルタとRC回路網の設計
2.1 もっとも手軽なRCフィルタ
● RCローパス・フィルタの特性
● DCプリアンプにはRCフィルタを付加しよう
● RCフィルタを多段接続すると
2.2 RC回路網のイメージを熟知しておこう
● 回路網の動作イメージをつかむ万能曲線
● 設計のときは漸近線を使う
● 素直な特性…高域カットオフ/低域カットオフの万能曲線A
● 位相の戻り特性が特徴の万能曲線B
● PLL回路で有効な高域カットオフ万能曲線B
● OPアンプの位相補正などに有効な低域カットオフ万能曲線B
○第3章 アクティブ・フィルタの設計
3.1 アクティブ・フィルタのあらまし
● アクティブ・フィルタ…定数決定の自由度が高い
● 2次アクティブ・フィルタが基本
3.2 アクティブ・ローパス・フィルタの設計
● もっともよく使う正帰還型2次LPF(利得=1)の構成
● 5次バタワースLPFの計算例
● 増幅度を持たせたいときは
● 正帰還型LPF(利得≠1)の構成
● 素子感度やひずみを小さくしたいときは多重帰還型LPF
● アクティブLPFは高域特性に注意する
3.3 アクティブ・ハイパス・フィルタの設計
● 正帰還型2次HPFの構成
● 5次チェビシェフHPFの計算例
● 多重帰還形HPFの構成
3.4 ステート・バリアブル・フィルタの設計
● ステート・バリアブル・フィルタとは
● 反転型と非反転型による特性の違い
● 可変周波数/可変Qのユニバーサル・フィルタへの応用
● 市販のステート・バリアブル・フィルタ・モジュール
● よく似た構成…低ひずみにはバイカッド・フィルタ
《コラムA》 ステート・バリアブル・フィルタの低ひずみ発振器への応用
3.5 バンドパス・フィルタの設計
● LPFとHPFをカスケードにすると
● Q=10以下ならOPアンプ1個の多重帰還形BPF
● 中心周波数1kHz，Q=5のバンドパス・フィルタ
● 高いQを得るには増幅器2個のBPF(DABP…Dual Amp Band Pass Filter)
● OPアンプの雑音評価に使用できる帯域幅100HzのBPF
3.6 バンドエリミネート・フィルタの設計
● BPFを使用したバンドエリミネート・フィルタ
● ひずみ計測用ツインTノッチ・フィルタ
Appendix アクティブ・フィルタ設計のための正規化テーブル
● S平面(複素周波数平面)とは
● バタワース特性は
● チェビシェフ特性のとき
● ベッセル特性は
○第4章 LCフィルタの設計
4.1 LCフィルタのあらまし
● 10kHz以上ではLCフィルタの価値は大きい
● 正規化テーブルとシミュレータで設計は簡単になってきた
● LCフィルタ二つの型
4.2 LCフィルタの設計
● ローパスLCフィルタの設計
● 正規化テーブルの使い方
● ローパス・フィルタ(LPF)からハイパス・フィルタ(HPF)への変換
● バンドパス・フィルタ(BPF)への変換
《コラムB》 関数電卓も愛用してます
● BPFの帯域幅が狭くなるほど応答は遅くなる
4.3 LCフィルタの実験試作
● 5次ローパス・フィルタ付きプリアンプ
● バタワースBPFの試作
○第5章 LCシミュレーション型アクティブ・フィルタの設計
5.1 LCシミュレーションとは
● コイルを使わないLようにするために
● FDNRを実現する回路
5.2 実用的FDNRフィルタの設計
● 5次LPFを設計する
● OPアンプの直流ドリフトの影響が出ないのも特徴
● 最大入力レベルに注意する
● 信号源抵抗=0ΩのFDNRフィルタ
● 信号源抵抗0ΩのFDNR5次ローパス・フィルタの試作
● アンチエイリアス用7次チェビシェフ・フィルタの設計
● 特性を細かく検証すると
● 高速A-Dコンバータを使うとフィルタの負担が楽になる
● コンデンサをインダクタに変換するGIC
○第6章 フィルタに使用するRCL
6.1 フィルタに使用する抵抗器
● 抵抗器のいろいろ
● フィルタ回路には金属皮膜抵抗器
● 抵抗の周波数特性
6.2 フィルタに使用するコンデンサ
● コンデンサは等価直列抵抗Rsに注意する
● アルミ電解コンデンサは精密なフィルタには登場しない
● 積層セラミック・コンデンサ
● フィルム・コンデンサ
● スチロール・コンデンサ
● マイカ・コンデンサ
6.3 フィルタに使うコイル
● コイルの種類と等価回路
● マイクロ・インダクタ(ドラム形)
● ポット・コア
● ポット・コアでインダクタを自作するときのポイント
● ポット・コアによる100mHインダクタの設計
● 角形金属ケース入りインダクタ
● トロイダル・コア
● トロイダル・コアによるインダクタの設計例
《コラムC》 E系列標準数とは
○第7章 トランスを活用しよう
7.1 トランスのあらまし
● 嫌われもののトランス…だが侮れない
● トランスの基本動作
● トランスの等価回路
● 低域特性を決定する励磁インダクタンスと巻き線抵抗
● 高域特性を決定する漏れインダクタンスと巻き線容量
7.2 入力トランスで計測アンプの雑音特性を改善する
● 入力トランスによる信号昇圧
● 低雑音OPアンプ回路の雑音特性をさらに改善する
● 入力トランスはコモン・モード雑音除去にも役立つ
● 入力トランスのパラメータを計測するには
● トランスの出力を開放して励磁インダクタンスを求める
● トランスの出力を短絡して漏れインダクタンスを求める
● 代表的な入力トランスのパラメータは
● 入力トランスのシミュレーション
● 高域ピークの補正
7.3 電源からの雑音をカットする
● 電源からの雑音混入はトランスの仕様書で決まる
● 電源トランスの形状
● コモン・モード雑音を阻止する静電シールド
● 漏れ磁束を抑えるには電磁シールド
Appendix 電源雑音を積極対策したノイズ・フィルタ・トランス
● ノイズ・フィルタ・トランスとは
● ノイズ・フィルタ・トランスの使い方
● ノイズ・フィルタ・トランス使用上の注意
○第8章 コモン・モード・チョークと雑音対策
8.1 復習…電子機器への外来雑音
● 外来雑音にはノーマル・モードとコモン・モードがある
● ノーマル・モード雑音とその対策
● コモン・モード雑音は共通グラウンドで発生
● 自分の装置内で発生するコモンモード雑音
8.2 コモン・モード・チョークを活用しよう
● コモン・モード・チョークの働き
● コモン・モード・チョークの等価回路は
● コモン・モード・チョークを巻いてみると
● 漏れインダクタンスの小さいチョークを選ぶ
8.3 電源用にはライン・フィルタ
● ライン・フィルタの動作
● ライン・フィルタには選択の幅がある
● ライン・フィルタのデータは使用状態とは異なる
● ライン・フィルタの取り付け方法
● パルス電流によるコアの飽和に注意する
● ライン・フィルタの漏れ電流による感電に注意する
● 非常時のコモン・モード・チョーク・コア
○第9章 ロックイン・アンプの原理と実験
究極のSN比を実現するために
9.1 ロックイン・アンプのあらまし
● 周波数帯域を狭めるとQが高くなる
● ロックイン・アンプのしくみ
● 基本はフェーズ・デテクタ…PSD
● 乗算にはスイッチング…同期検波
● 位相調整をなくすには…2位相ロックイン・アンプ
● どのくらいの雑音を許容できるか…ダイナミック・リザーブ
● 測定限界を決定するのは位相雑音
● ローパス・フィルタの特性は時定数で表す
● 雑音密度を計測するには
9.2 ロックイン・アンプの実験
● 試作するロックイン・アンプのあらまし
● PLLには74HC4046
● VCOの特性を改善する工夫
● 位相比較には位相周波数比較型を使う
● 参照信号回路の具体的構成
● 正確な参照信号を作るために
● PLLローパス・フィルタの定数算出
● 位相調整のための回路
● PLL回路の応答特性を確認するには
● 位相調整回路の設計ポイント
● PSDの設計ポイント
● 時定数回路の設計ポイント
● DCゲインとダイナミック・リザーブは
● 振幅と位相を求めるためのベクトル演算
● ロックイン・アンプとしての調整
《コラムD》 市販の位相検波器モジュール
○第10章 ロックイン・アンプの使い方
10.1 ロックイン・アンプを上手に使うには
● 市販のロックイン・アンプのしくみ
● ロックイン・アンプを使う環境
● 参照信号はどうするか
● 差動バランスも正確に
● 入力信号の接続が重要
● ダイナミック・リザーブの設定のしかた
10.2 ロックイン・アンプの応用を拡大するために
● 微小変化を検出するには
● 出力信号にふらつきがあるときの観測方法
● 光計測に使うとき…ライト・チョッパの活用
● 光源の特性変化を補う…ライト・チョッパでのデュアル・ビーム法
10.3 ロックイン・アンプを使った応用計測
● 広がる微小信号計測分野
● 赤外分光光度計への応用
● 2次量子光分光分析への応用
● 光音響分光計(PhotoAcoustic Spectroscopy)への応用
● 超伝導材料評価への応用
● 金属材料引っ張り試験への応用
● オージェ電子分光計(Auger Electron Spectroscopy)
● 金属探知器への応用
● 過流探傷器への応用
● LCRメータへの応用
● ケミカル・インピーダンス測定への応用
● 電子ビーム計測への応用
参考文献
索 引
○第1章 フィルタのあらまし
1.1 フィルタの特性と種類
● フィルタのいろいろ…本書では周波数領域のフィルタ
● 雑音とフィルタの帯域幅
● ホワイト・ノイズに対するフィルタの効果
● エリアシングを防ぐにはローパス・フィルタ
● ハイパス・フィルタ(HPF)の役割
● バンドパス・フィルタ(BPF)の役割
● バンドエリミネート・フィルタ(BEF)の役割
● アナログ・フィルタとディジタル・フィルタ
● 自作できるフィルタ
● メーカの用意するフィルタ
1.2 フィルタの周波数応答と時間応答特性
● フィルタ次数と減衰傾度
● 最大平坦…バタワース(Butterworth)特性
● ステップ応答の整定が速いベッセル(Bessel)特性
● 急峻特性を実現するチェビシェフ(Chebyshev)特性
● さらに急峻…連立チェビシェフ(Elliptic)特性
● フィルタの副作用
● ハイパス・フィルタの時間応答特性
● バンドパス・フィルタの時間応答特性
○第2章 RCフィルタとRC回路網の設計
2.1 もっとも手軽なRCフィルタ
● RCローパス・フィルタの特性
● DCプリアンプにはRCフィルタを付加しよう
● RCフィルタを多段接続すると
2.2 RC回路網のイメージを熟知しておこう
● 回路網の動作イメージをつかむ万能曲線
● 設計のときは漸近線を使う
● 素直な特性…高域カットオフ/低域カットオフの万能曲線A
● 位相の戻り特性が特徴の万能曲線B
● PLL回路で有効な高域カットオフ万能曲線B
● OPアンプの位相補正などに有効な低域カットオフ万能曲線B
○第3章 アクティブ・フィルタの設計
3.1 アクティブ・フィルタのあらまし
● アクティブ・フィルタ…定数決定の自由度が高い
● 2次アクティブ・フィルタが基本
3.2 アクティブ・ローパス・フィルタの設計
● もっともよく使う正帰還型2次LPF(利得=1)の構成
● 5次バタワースLPFの計算例
● 増幅度を持たせたいときは
● 正帰還型LPF(利得≠1)の構成
● 素子感度やひずみを小さくしたいときは多重帰還型LPF
● アクティブLPFは高域特性に注意する
3.3 アクティブ・ハイパス・フィルタの設計
● 正帰還型2次HPFの構成
● 5次チェビシェフHPFの計算例
● 多重帰還形HPFの構成
3.4 ステート・バリアブル・フィルタの設計
● ステート・バリアブル・フィルタとは
● 反転型と非反転型による特性の違い
● 可変周波数/可変Qのユニバーサル・フィルタへの応用
● 市販のステート・バリアブル・フィルタ・モジュール
● よく似た構成…低ひずみにはバイカッド・フィルタ
《コラムA》 ステート・バリアブル・フィルタの低ひずみ発振器への応用
3.5 バンドパス・フィルタの設計
● LPFとHPFをカスケードにすると
● Q=10以下ならOPアンプ1個の多重帰還形BPF
● 中心周波数1kHz，Q=5のバンドパス・フィルタ
● 高いQを得るには増幅器2個のBPF(DABP…Dual Amp Band Pass Filter)
● OPアンプの雑音評価に使用できる帯域幅100HzのBPF
3.6 バンドエリミネート・フィルタの設計
● BPFを使用したバンドエリミネート・フィルタ
● ひずみ計測用ツインTノッチ・フィルタ
Appendix アクティブ・フィルタ設計のための正規化テーブル
● S平面(複素周波数平面)とは
● バタワース特性は
● チェビシェフ特性のとき
● ベッセル特性は
○第4章 LCフィルタの設計
4.1 LCフィルタのあらまし
● 10kHz以上ではLCフィルタの価値は大きい
● 正規化テーブルとシミュレータで設計は簡単になってきた
● LCフィルタ二つの型
4.2 LCフィルタの設計
● ローパスLCフィルタの設計
● 正規化テーブルの使い方
● ローパス・フィルタ(LPF)からハイパス・フィルタ(HPF)への変換
● バンドパス・フィルタ(BPF)への変換
《コラムB》 関数電卓も愛用してます
● BPFの帯域幅が狭くなるほど応答は遅くなる
4.3 LCフィルタの実験試作
● 5次ローパス・フィルタ付きプリアンプ
● バタワースBPFの試作
○第5章 LCシミュレーション型アクティブ・フィルタの設計
5.1 LCシミュレーションとは
● コイルを使わないLようにするために
● FDNRを実現する回路
5.2 実用的FDNRフィルタの設計
● 5次LPFを設計する
● OPアンプの直流ドリフトの影響が出ないのも特徴
● 最大入力レベルに注意する
● 信号源抵抗=0ΩのFDNRフィルタ
● 信号源抵抗0ΩのFDNR5次ローパス・フィルタの試作
● アンチエイリアス用7次チェビシェフ・フィルタの設計
● 特性を細かく検証すると
● 高速A-Dコンバータを使うとフィルタの負担が楽になる
● コンデンサをインダクタに変換するGIC
○第6章 フィルタに使用するRCL
6.1 フィルタに使用する抵抗器
● 抵抗器のいろいろ
● フィルタ回路には金属皮膜抵抗器
● 抵抗の周波数特性
6.2 フィルタに使用するコンデンサ
● コンデンサは等価直列抵抗Rsに注意する
● アルミ電解コンデンサは精密なフィルタには登場しない
● 積層セラミック・コンデンサ
● フィルム・コンデンサ
● スチロール・コンデンサ
● マイカ・コンデンサ
6.3 フィルタに使うコイル
● コイルの種類と等価回路
● マイクロ・インダクタ(ドラム形)
● ポット・コア
● ポット・コアでインダクタを自作するときのポイント
● ポット・コアによる100mHインダクタの設計
● 角形金属ケース入りインダクタ
● トロイダル・コア
● トロイダル・コアによるインダクタの設計例
《コラムC》 E系列標準数とは
○第7章 トランスを活用しよう
7.1 トランスのあらまし
● 嫌われもののトランス…だが侮れない
● トランスの基本動作
● トランスの等価回路
● 低域特性を決定する励磁インダクタンスと巻き線抵抗
● 高域特性を決定する漏れインダクタンスと巻き線容量
7.2 入力トランスで計測アンプの雑音特性を改善する
● 入力トランスによる信号昇圧
● 低雑音OPアンプ回路の雑音特性をさらに改善する
● 入力トランスはコモン・モード雑音除去にも役立つ
● 入力トランスのパラメータを計測するには
● トランスの出力を開放して励磁インダクタンスを求める
● トランスの出力を短絡して漏れインダクタンスを求める
● 代表的な入力トランスのパラメータは
● 入力トランスのシミュレーション
● 高域ピークの補正
7.3 電源からの雑音をカットする
● 電源からの雑音混入はトランスの仕様書で決まる
● 電源トランスの形状
● コモン・モード雑音を阻止する静電シールド
● 漏れ磁束を抑えるには電磁シールド
Appendix 電源雑音を積極対策したノイズ・フィルタ・トランス
● ノイズ・フィルタ・トランスとは
● ノイズ・フィルタ・トランスの使い方
● ノイズ・フィルタ・トランス使用上の注意
○第8章 コモン・モード・チョークと雑音対策
8.1 復習…電子機器への外来雑音
● 外来雑音にはノーマル・モードとコモン・モードがある
● ノーマル・モード雑音とその対策
● コモン・モード雑音は共通グラウンドで発生
● 自分の装置内で発生するコモンモード雑音
8.2 コモン・モード・チョークを活用しよう
● コモン・モード・チョークの働き
● コモン・モード・チョークの等価回路は
● コモン・モード・チョークを巻いてみると
● 漏れインダクタンスの小さいチョークを選ぶ
8.3 電源用にはライン・フィルタ
● ライン・フィルタの動作
● ライン・フィルタには選択の幅がある
● ライン・フィルタのデータは使用状態とは異なる
● ライン・フィルタの取り付け方法
● パルス電流によるコアの飽和に注意する
● ライン・フィルタの漏れ電流による感電に注意する
● 非常時のコモン・モード・チョーク・コア
○第9章 ロックイン・アンプの原理と実験
究極のSN比を実現するために
9.1 ロックイン・アンプのあらまし
● 周波数帯域を狭めるとQが高くなる
● ロックイン・アンプのしくみ
● 基本はフェーズ・デテクタ…PSD
● 乗算にはスイッチング…同期検波
● 位相調整をなくすには…2位相ロックイン・アンプ
● どのくらいの雑音を許容できるか…ダイナミック・リザーブ
● 測定限界を決定するのは位相雑音
● ローパス・フィルタの特性は時定数で表す
● 雑音密度を計測するには
9.2 ロックイン・アンプの実験
● 試作するロックイン・アンプのあらまし
● PLLには74HC4046
● VCOの特性を改善する工夫
● 位相比較には位相周波数比較型を使う
● 参照信号回路の具体的構成
● 正確な参照信号を作るために
● PLLローパス・フィルタの定数算出
● 位相調整のための回路
● PLL回路の応答特性を確認するには
● 位相調整回路の設計ポイント
● PSDの設計ポイント
● 時定数回路の設計ポイント
● DCゲインとダイナミック・リザーブは
● 振幅と位相を求めるためのベクトル演算
● ロックイン・アンプとしての調整
《コラムD》 市販の位相検波器モジュール
○第10章 ロックイン・アンプの使い方
10.1 ロックイン・アンプを上手に使うには
● 市販のロックイン・アンプのしくみ
● ロックイン・アンプを使う環境
● 参照信号はどうするか
● 差動バランスも正確に
● 入力信号の接続が重要
● ダイナミック・リザーブの設定のしかた
10.2 ロックイン・アンプの応用を拡大するために
● 微小変化を検出するには
● 出力信号にふらつきがあるときの観測方法
● 光計測に使うとき…ライト・チョッパの活用
● 光源の特性変化を補う…ライト・チョッパでのデュアル・ビーム法
10.3 ロックイン・アンプを使った応用計測
● 広がる微小信号計測分野
● 赤外分光光度計への応用
● 2次量子光分光分析への応用
● 光音響分光計(PhotoAcoustic Spectroscopy)への応用
● 超伝導材料評価への応用
● 金属材料引っ張り試験への応用
● オージェ電子分光計(Auger Electron Spectroscopy)
● 金属探知器への応用
● 過流探傷器への応用
● LCRメータへの応用
● ケミカル・インピーダンス測定への応用
● 電子ビーム計測への応用
参考文献
索 引
著者情報
遠坂 俊昭
