1. 필터란?
복잡한 회로의 많은 실용적인 응용에서, 직접, 저주파, 오디오-주파수, 및 라디오-주파수 전류의 다양한 조합이 존재할 수 있습니다. 임의의 원하는 지점에서 이러한 구성 요소 전류를 분리하기 위한 수단을 갖는 것이 종종 필요합니다. 이러한 분리를 달성하기 위한 전기 장치는 필터(filter)라고 불립니다.
필터 회로는 용도에 따라 단일 또는 복합적으로 사용되는 인덕턴스, 커패시턴스 및 저항으로 구성됩니다. 직류 전류와 교류 전류를 분리하거나 한 주파수(또는 주파수 대역)의 교류 전류와 다른 주파수의 다른 교류 전류를 분리하도록 설계될 수 있습니다.
필터 회로에 저항을 사용하는 것은 주파수에 관계없이 전류의 흐름을 반대하기 때문에 필터링 동작을 제공하지 않습니다. 인덕터 또는 커패시터와 직렬 또는 병렬로 연결될 때 필터의 선명도, 즉 선택성을 낮추는 것이 가능합니다. 따라서 특정 응용 분야에서는 더 넓은 주파수 대역에서 필터링 동작을 제공하기 위해 저항을 인덕턴스 또는 커패시턴스와 함께 사용할 수 있습니다.
필터 회로는 저역 통과, 고역 통과, 대역 통과, 대역 정지 필터의 네 가지 일반적인 유형으로 나눌 수 있습니다.
전자 회로는 종종 다른 주파수의 전류를 가집니다. 예를 들어, 오디오 증폭기에 입력되는 AC 신호는 높은 오디오 주파수와 낮은 오디오 주파수를 가질 수 있습니다. RF 증폭기에 입력되는 입력은 넓은 범위의 무선 주파수를 가질 수 있습니다.
전류가 다른 주파수 성분을 가지고 있는 이러한 응용 프로그램에서 필터는 일반적으로 하나의 주파수 또는 주파수 그룹을 받아들이거나 거부해야 합니다. 고주파 성분을 부하 또는 다음 회로에 전달할 수 있는 전자 필터는 고역 통과 필터로 알려져 있습니다. 저역 통과 필터는 저주파 성분을 전달하는 데 사용될 수 있습니다.
필터는 특정 주파수를 통과(또는 증폭)하면서 다른 주파수를 감쇠할 수 있는 회로입니다. 따라서 필터는 바람직하지 않거나 관련이 없는 주파수를 포함하는 신호에서 중요한 주파수를 추출할 수 있습니다.
전자 분야에는 필터에 대한 많은 실용적인 응용 분야가 있습니다.
예를 들면 다음과 같습니다.
- 무선 통신: 필터를 사용하면 무선 수신기가 원하는 신호만 "볼" 수 있고 다른 모든 신호는 제거할 수 있습니다(다른 신호의 주파수 성분이 다르다고 가정).
- DC 전원 공급 장치: 필터는 AC 입력 라인에 존재하는 원치 않는 고주파(예: 노이즈)를 제거하는 데 사용됩니다. 또한 필터는 리플을 줄이기 위해 전원 공급 장치의 출력에 사용됩니다.
- 오디오 전자 장치: 크로스오버 네트워크는 저주파 오디오를 우퍼로, 중역 주파수를 중역 스피커로, 고주파 사운드를 트위터로 전달하는 데 사용되는 필터 네트워크입니다.
- 아날로그-디지털 변환: 필터는 앨리어싱을 최소화하기 위해 ADC 입력 앞에 배치됩니다.
2. 주요 필터 유형
필터의 네 가지 기본 유형에는 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 대역 통과 필터 및 노치 필터(또는대역 정지 필터)가 포함됩니다. 그러나 "낮음" 및 "높음"이라는 용어는 주파수의 절대값을 나타내는 것이 아니라 차단 주파수에 대한 상대적인 값입니다.
아래 그림 1은 이러한 네 가지 필터 각각의 작동 방식에 대한 일반적인 아이디어를 제공합니다.
3. 패시브 및 액티브 필터
필터는 수동 또는 능동의 두 가지 범주 중 하나에 배치할 수 있습니다.
패시브 필터에는 패시브 부품(저항기, 커패시터 및 인덕터)만 포함됩니다. 대조적으로, 능동 필터는 저항기 및 커패시터 외에도 연산 증폭기와 같은 능동 부품을 사용하지만 인덕터는 사용하지 않습니다.
패시브 필터는 약 100Hz에서 300MHz 사이의 주파수 범위에 가장 잘 반응합니다. 하단의 한계는 인덕턴스 또는 커패시턴스가 저주파에서 상당히 커야 한다는 사실에서 비롯됩니다. 주파수 상한은 기생 커패시턴스와 인덕턴스의 영향 때문입니다. 신중한 설계 관행을 통해 수동 회로의 사용을 기가헤르츠 범위까지 확장할 수 있습니다.
능동 필터는 매우 낮은 주파수(0Hz에 근접)를 처리할 수 있으며 전압 이득을 제공할 수 있습니다(수동 필터는 불가능). 능동 필터는 인덕터를 사용하지 않고 고차 필터를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 이것은 인덕터가 집적 회로 제조 기술의 맥락에서 문제가 되기 때문에 중요합니다. 그러나 능동 필터는 증폭기 대역폭 제한으로 인해 초고주파 용도에는 적합하지 않습니다. 무선 주파수 회로는 종종 수동 필터를 사용해야 합니다.
4. 필터 동작방식
반응 곡선은 필터의 작동 방식을 설명하는 데 사용됩니다. 응답 곡선은 단순히 감쇠 비율(V아웃 / 브이안으로) 대 주파수(아래 그림 2 참조). 감쇠는 일반적으로 데시벨(dB) 단위로 표시됩니다. 주파수는 각도 형태 ω(단위는 rad/s) 또는 보다 일반적인 형태의 f(Hz 단위, 즉 초당 사이클)의 두 가지 형태로 표현할 수 있습니다. 이 두 형태는 ω = 2πf로 관련됩니다.
필터 응답 곡선은 선형-선형, 로그-선형 또는 로그-로그 형식으로 플로팅될 수 있습니다. 가장 일반적인 접근 방식은 y축에 데시벨을 사용하고 x축에 로그 주파수를 갖는 것입니다.
고역 통과 필터 고역 통과 필터는 고주파의 대부분을 다음 회로로 전달하고, 더 낮은 주파수를 거부하거나 감쇠시킵니다. 때로는 저주파 감별기 또는 저주파 감쇄기라고 불립니다.
저역 통과 필터 저역 통과 필터는 대부분의 저주파를 다음 회로로 전달하고 더 높은 주파수는 거부하거나 감쇠시킵니다. 때로는 고주파 판별기 또는 고주파 감쇠기라고 불립니다.
노치 필터는 대역폭이 좁은 대역저지 필터입니다. 노치 필터는 좁은 범위의 주파수를 감쇠하는 데 사용됩니다.
다음은 필터 반응 곡선을 설명할 때 일반적으로 사용되는 몇 가지 기술 용어입니다.
- -3dB 주파수(f3db) : "마이너스 3dB 주파수"라고 불리는 이 용어는 출력 신호가 입력 신호에 비해 -3dB만큼 떨어지도록 하는 입력 주파수에 해당합니다. -3dB 주파수는 차단 주파수라고도 합니다. 출력 전력이 1/2 감소하는 주파수 또는 출력 전압에 1/√2을 곱한 주파수입니다. 저역 통과 및 고역 통과 필터의 경우 하나의 -3dB 주파수만 있습니다. 그러나 대역 통과 및 노치 필터의 경우 일반적으로 f1 및 f2라고 하는 두 개의 -3dB 주파수가 있습니다.
- 중심 주파수(f0) : 중심 주파수는 대역 통과 및 노치 필터에 사용되는 용어로, 상위 차단 주파수와 하위 차단 주파수 사이의 중심 주파수입니다. 중심 주파수는 일반적으로 산술 평균(아래 식 참조) 또는 하위 차단 주파수와 상위 차단 주파수의 기하 평균으로 정의됩니다.
- 대역폭(β또는 BW) : 대역폭은 통과대역의 폭이고, 통과대역은 필터의 입력에서 필터의 출력으로 이동할 때 큰 감쇄를 경험하지 않는 주파수 대역입니다.
- 저지대역 주파수(fs). 감쇠가 지정된 값에 도달하는 특정 주파수입니다.
- 저역통과 필터와 고역통과 필터의 경우, 저지대역 주파수를 벗어나는 주파수를 저지대역이라고 합니다.
- 대역 통과 필터와 노치 필터의 경우 두 개의 저지대역 주파수가 존재합니다. 이 두 저지대역 주파수 사이의 주파수를 저지대역이라고 합니다.
- 품질 계수(Q): 필터의 품질 계수는 감쇠 특성을 전달합니다. 시간 영역에서 감쇠는 시스템의 스텝 응답에서 발생하는 진동의 양에 해당합니다. 주파수 영역에서 더 높은 Q는 시스템의 크기 응답에서 피크를 이루는 더 많은 (양의 또는 음의) 것에 해당합니다. 대역 통과 또는 노치 필터의 경우 Q는 중심 주파수와 -3dB 대역폭 사이의 비율(즉, f1과 f2 사이의 거리)을 나타냅니다.
- 대역 통과 필터와 노치 필터 모두의 경우:
필터는 많은 일반적인 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 응용 분야에는 전원 공급 장치, 오디오 전자 장치 및 무선 통신이 포함됩니다. 필터는 능동 또는 수동일 수 있으며 필터의 네 가지 주요 유형은 저역 통과, 고역 통과, 대역 통과 및 노치/대역 거부(모든 통과 필터도 있음)입니다.
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