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1. 서론
1.1. 대역필터의 개념 및 특성
대역필터는 주파수 영역에서 일정 폭의 주파수 대역만을 선별적으로 통과시키거나 차단시키는 전자 회로이다. 대역통과 필터는 특정 주파수 대역만을 통과시키고 그 이외의 주파수는 차단하며, 대역차단 필터는 특정 주파수 대역만을 차단하고 그 이외의 주파수는 통과시킨다.
대역통과 필터와 대역차단 필터는 RC 회로나 LC 회로를 이용하여 구현할 수 있다. 대역통과 필터의 경우 RC 회로에서 캐패시터와 저항의 값을 적절히 조절하여 특정 주파수 대역만을 통과시킬 수 있다. 대역차단 필터의 경우 LC 회로에서 인덕터와 캐패시터의 값을 조절하여 특정 주파수 대역만을 차단할 수 있다.
대역폭은 상측 차단주파수와 하측 차단주파수의 차로 계산할 수 있다. 대역통과 필터의 경우 이 대역폭 내에 포함된 주파수 성분들만 통과하게 되며, 대역차단 필터의 경우 이 대역폭 내에 포함된 주파수 성분들만 차단된다.
대역필터는 전자공학, 통신공학, 제어공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 예를 들어 라디오나 TV에서 원하는 채널의 신호만을 선별적으로 처리할 때, 노이즈를 제거하거나 특정 주파수 성분을 필터링할 때 등에 사용된다. 또한 전기기기의 전자회로에서 원하지 않는 주파수 성분을 제거하는 데에도 활용된다.
1.2. 실험의 목적
실험의 목적은 대역통과 필터의 응답특성을 실험하고, 대역차단 필터의 응답특성을 실험하는 것이다. 대역통과 필터는 일정한 폭을 갖는 주파수 영역만 통과시키며, 대역차단 필터는 일정한 폭을 갖는 영역만 차단시킨다. 대역폭은 상측 차단주파수와 하측 차단주파수의 차를 구해서 결정할 수 있다. 대역통과 필터는 RC 또는 LC 회로를 이용하여 구성할 수 있고, 대역차단 필터는 노치 필터라고도 하며 RC 회로뿐만 아니라 LC 회로를 이용하여 구성할 수 있다. 이러한 실험을 통해 대역통과 필터와 대역차단 필터의 특성을 이해하고, 그 응용 사례를 확인할 수 있다. []
2. 대역통과 필터
2.1. 대역통과 필터의 응답 특성
대역통과 필터는 일정한 폭을 갖는 주파수 영역만 통과시키는 필터이다. 대역통과 필터의 주파수 응답 특성은 주파수의 함수로 나타낼 수 있으며, 특정 주파수 대역에서만 높은 응답을 보인다.
대역통과 필터의 주파수 응답 곡선은 상하한 차단 주파수 사이에서 높은 값을 가지며, 이 구간을 통과대역이라 한다. 통과대역 외부의 주파수 성분은 크게 감쇄된다. 주파수 응답 곡선의 모양은 필터 회로의 종류에 따라 다르며, 일반적으로 종 모양을 나타낸다.
대역통과 필터는 RC 회로 또는 LC 회로를 이용하여 구현할 수 있다. RC 회로를 이용한 대역통과 필터는 저항과 콘덴서를 직렬로 연결하여 구성한다. 이 회로의 주파수 응답 특성은 공진주파수 부근에서 최대값을 가지며, 공진주파수를 중심으로 대칭적인 모양을 나타낸다.
대역폭은 상측 차단주파수와 하측 차단주파수의 차이로 정의된다. 대역폭의 크기는 필터의 선택도를 나타내며, 대역폭이 좁을수록 선택도가 높다고 할 수 있다. 필터의 선택도가 높을수록 원하는 신호를 효과적으로 걸러낼 수 있다.
실험 결과에 따르면, 대역통과 필터의 주파수 응답 곡선은 공진주파수 부근에서 높은 진폭을 나타내며, 주파수가 높아짐에 따라 출력 전압이 점차 감소하는 전형적인 모습을 보인다. 또한 공진주파수에서 입력 전압과 출력 전압의 위상차가 거의 0도에 가까워 전압과 전류가 동위상임을 확인할 수 있었다.
2.2. RC 회로를 이용한 대역통과 필터
대역통과 필터는 일정한 폭을 갖는 주파수 영역만 통과시키는 특성을 가지고 있다. RC 회로를 활용하여 대역통과 필터를 구현할 수 있다.
RC 직렬회로를 이용한 대역통과 필터는 저항 R과 커패시터 C로 구성된다. 특정 주파수에서 주파수 응답 특성이 최대가 되는데, 이를 공진주파수라 한다. 공진주파수에서 R과 C의 리액턴스가 상쇄되어 임피던스가 최소가 되므로 출력 전압이 최대가 된다.
대역폭은 상측 차단주파수와 ...
