필터회로 설계 및 특성실험 예비보고서

본 내용은 " [부산대학교 응전실1(응용전기전자실험1)] 필터회로 설계 및 특성실험 예비보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.01

문서 내 토픽

• 1. 저역통과 필터(LPF)와 고역통과 필터(HPF)

  LPF(저역통과 필터)는 입력의 고주파 성분을 걸러내어 출력에는 저주파 성분만을 남기는 필터입니다. HPF(고역통과 필터)는 입력의 저주파 성분을 걸러내어 출력에는 고주파 성분만을 남기는 필터로, 오디오 부문에서 저주파 차단 필터나 저역 차단 필터라고도 불립니다. 두 필터 모두 능동 필터 형태로 구현되며 특정 주파수 대역을 선택적으로 통과시키는 역할을 합니다.

• 2. 대역통과 필터(BPF)의 응용 분야

  대역통과 필터는 특정 대역의 주파수만 통과시키는 필터로 무선통신, 레이더, 의료용기기에 사용됩니다. 무선통신에서는 Wi-Fi의 2.4GHz와 5GHz 대역에서 사용되며, 레이더에서는 X밴드 레이더의 8.0~12.0GHz 대역에서 신호 성능을 향상시킵니다. 의료용기기에서는 심전도 신호 처리 시 0.5~35Hz 범위의 주파수만 추출하여 신호를 처리합니다.

• 3. 필터회로의 차단 주파수 및 전압 이득 계산

  필터회로의 통과대역 전압이득은 Av = R3/R4 + 1 공식으로 계산되며, 이 회로에서는 2.206의 값을 가집니다. 차단 주파수는 fc = 1/(2π√(R1R2C1C2)) 공식을 따르며, 실험값으로 3330Hz가 측정되었습니다. 이러한 계산을 통해 필터의 특성을 정확히 파악할 수 있습니다.

• 4. 능동 필터 회로 설계

  능동 필터는 저항, 커패시터, 연산증폭기 등의 소자를 이용하여 설계되는 필터입니다. 저역통과 필터와 고역통과 필터는 각각 간단한 형태의 능동 필터 회로로 구현되며, 회로의 구성 요소인 R1, R2, C1, C2 등의 값을 조정하여 원하는 차단 주파수와 이득을 얻을 수 있습니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 저역통과 필터(LPF)와 고역통과 필터(HPF)

  저역통과 필터와 고역통과 필터는 신호 처리에서 가장 기본적이면서도 중요한 역할을 수행합니다. LPF는 저주파 신호를 통과시키고 고주파 노이즈를 제거하여 신호의 안정성을 높이는 데 효과적입니다. 반면 HPF는 고주파 신호를 추출하고 저주파 드리프트나 DC 성분을 제거하는 데 유용합니다. 이 두 필터의 조합을 통해 특정 주파수 대역의 신호를 정밀하게 제어할 수 있으며, 오디오 처리, 의료 기기, 통신 시스템 등 다양한 분야에서 필수적으로 활용됩니다. 필터의 차수와 차단 주파수를 적절히 설계하면 원하는 신호 특성을 효과적으로 구현할 수 있습니다.

• 2. 대역통과 필터(BPF)의 응용 분야

  대역통과 필터는 특정 주파수 범위의 신호만을 선택적으로 통과시키는 특성으로 인해 매우 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 무선 통신에서는 원하는 채널의 신호만 추출하고 간섭 신호를 제거하는 데 필수적이며, 오디오 이퀄라이저에서는 특정 음역대를 강조하거나 감소시킵니다. 의료 분야에서는 심전도(ECG)나 뇌파(EEG) 측정 시 생리적 신호의 특정 주파수 대역만 추출하여 진단 정확도를 높입니다. 또한 진동 분석, 음향 측정, 레이더 시스템 등에서도 중요한 역할을 하며, 현대 전자 기기의 신호 처리 성능을 크게 향상시킵니다.

• 3. 필터회로의 차단 주파수 및 전압 이득 계산

  필터회로의 차단 주파수와 전압 이득 계산은 필터 설계의 핵심 요소입니다. 차단 주파수는 필터의 통과 대역과 감쇠 대역의 경계를 결정하며, 일반적으로 -3dB 지점으로 정의됩니다. 수동 필터의 경우 RC 또는 RL 소자의 값으로 차단 주파수를 계산하고, 능동 필터에서는 연산 증폭기의 특성을 고려하여 계산합니다. 전압 이득은 필터의 증폭 또는 감쇠 정도를 나타내며, 데시벨(dB) 단위로 표현됩니다. 정확한 계산을 통해 원하는 필터 특성을 구현할 수 있으며, 시뮬레이션 도구를 활용하면 설계 과정을 더욱 효율적으로 진행할 수 있습니다.

• 4. 능동 필터 회로 설계

  능동 필터는 연산 증폭기를 이용하여 설계되며, 수동 필터 대비 여러 장점을 제공합니다. 능동 필터는 신호 증폭 기능을 동시에 수행할 수 있어 신호 손실을 보상하고, 더 가파른 롤오프 특성을 구현하여 필터 성능을 향상시킵니다. Butterworth, Chebyshev, Bessel 등 다양한 필터 특성을 선택할 수 있으며, 각각의 특성에 따라 평탄한 통과 대역, 빠른 감쇠, 또는 선형 위상 특성을 얻을 수 있습니다. 능동 필터 설계 시에는 연산 증폭기의 대역폭, 슬루율, 입출력 임피던스 등을 고려해야 하며, 정확한 부품 선택과 회로 구성이 필터의 성능을 결정합니다.