Op-Amp Active Filters 실험

문서 내 토픽

1. Active Filter (능동 필터)

연산 증폭기와 같은 active 소자를 이용해 구성한 필터로, low-pass, high-pass, band-pass 필터 등을 만들 수 있다. Active 필터는 passive 필터와 달리 외부 전원이 필요하며, 높은 입력 임피던스로 인해 부하 변동에 따른 출력 변화가 거의 없다. 또한 신호 증폭이 가능하고 cut-off 주파수 이후 더 가파른 기울기로 감소하는 특성을 가진다.
2. Low-Pass Filter (저역통과 필터)

특정 차단 주파수(fc) 이하의 신호는 통과시키고 그 이상의 신호는 감쇠시키는 필터다. 실험에서는 1차 및 2차 low-pass 필터를 구성하여 fc=15㎑ 기준으로 주파수 응답 특성을 측정했다. 2차 필터가 1차 필터보다 더 가파른 감쇠 특성을 보였으며, 위상 변화도 더 빠르게 나타났다.
3. Band-Pass Filter (대역통과 필터)

low-pass 필터와 high-pass 필터를 종속 연결하여 구성하는 필터로, 특정 주파수 대역만 통과시킨다. 실험에서는 center frequency=15㎑, bandwidth=25㎑ 조건으로 설계하여 f1=7.4㎑, f2=28.8㎑의 결과를 얻었다. 보드플롯을 통해 중심 주파수 근처에서 신호가 최대로 통과함을 확인했다.
4. 전달함수 및 회로 설계

키르히호프 법칙을 이용하여 active 필터의 전달함수 H(s)를 유도하고, 원하는 차단 주파수를 얻기 위한 저항과 커패시턴스 값을 계산한다. 실험에서는 이론값과 시뮬레이션 결과, 실제 측정값을 비교하여 실제 소자의 동작 특성이 이론식과 약간의 오차를 발생시킴을 확인했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. Active Filter (능동 필터)

능동 필터는 Op-Amp와 같은 능동 소자를 활용하여 신호 처리를 수행하는 중요한 기술입니다. 수동 필터 대비 여러 장점이 있는데, 특히 임피던스 격리, 신호 증폭, 그리고 낮은 차단 주파수 구현이 용이하다는 점이 매력적입니다. 다만 전원 공급이 필요하고 회로 복잡도가 증가한다는 단점이 있습니다. 현대 전자 시스템에서 신호 조건화와 노이즈 제거에 필수적이며, 특히 의료기기, 오디오 장비, 센서 신호 처리 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다.
2. Low-Pass Filter (저역통과 필터)

저역통과 필터는 고주파 노이즈를 제거하고 저주파 신호를 통과시키는 기본적이면서도 매우 실용적인 필터입니다. 아날로그-디지털 변환 전 안티에일리어싱 필터로 널리 사용되며, 신호 평활화와 노이즈 감소에 효과적입니다. 1차부터 고차 필터까지 다양한 구현이 가능하며, 차단 주파수 설정을 통해 응용에 맞게 조정할 수 있습니다. 다만 위상 지연이 발생할 수 있으므로 실시간 시스템에서는 이를 고려한 설계가 필요합니다.
3. Band-Pass Filter (대역통과 필터)

대역통과 필터는 특정 주파수 대역만 선택적으로 통과시키는 고도로 선택적인 필터로, 통신 시스템과 신호 검출에 매우 중요합니다. 중심 주파수와 대역폭을 조정하여 원하는 신호만 추출할 수 있으며, 간섭 신호 제거에 탁월합니다. RF 회로, 의료 진단 장비, 음향 시스템 등에서 필수적으로 사용됩니다. 다만 설계 복잡도가 높고 Q값 조정이 민감하므로 정밀한 회로 설계와 튜닝이 요구됩니다.
4. 전달함수 및 회로 설계

전달함수는 필터의 주파수 응답 특성을 수학적으로 표현하는 핵심 도구로, 회로 설계의 기초입니다. 라플라스 변환을 통해 시스템의 동작을 분석하고 예측할 수 있으며, 보드 선도와 나이퀴스트 선도로 안정성을 검증합니다. 체비셰프, 버터워스, 베셀 등 다양한 필터 특성을 선택하여 설계 요구사항에 맞출 수 있습니다. 현대에는 MATLAB, LTspice 등 시뮬레이션 도구로 설계를 검증하고 최적화할 수 있어 개발 효율성이 크게 향상되었습니다.

주제 연관 토픽을 확인해 보세요!

주제 연관 리포트도 확인해 보세요!