대역통과필터 - 밴드패스필터의 이해

대역 통과 필터(BPF - Band Pass Filter)는 감쇠 없이 특정 주파수 대역을 통과하는 전자 회로입니다. 필터가 통과하는 특정 주파수 대역을 통과대역이라고 합니다.

 

BPF에서 고려해야 할 중요한 매개변수는 낮고 높은 차단 주파수, 중심 주파수, 대역폭 및 선택성입니다.

 

대역통과 필터는 기본적으로 능동 BPF와 수동 BPF의 두 가지 유형이 있습니다.

능동 대역 통과 필터는 외부 전원 공급 장치가 필요하며 IC, 연산 증폭기, 트랜지스터와 같은 능동 부품으로 구성됩니다. 그러나 수동 대역 통과 필터는 외부 전원이 필요하지 않으며 커패시터, 인덕터 등을 포함하는 수동 부품으로만 구성됩니다.

 

기본적으로 무선 전송은 신호의 대역폭을 제한하기 위해 BPF가 필요합니다. 이것은 고속과 함께 정확한 데이터 전송을 위해 수행됩니다.

 

 

 

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1. Bandpass filter의 블록 다이어그램

아래 그림은 저역 통과 필터(LPF)와 고역 통과 필터(HPF)의 캐스케이드 연결로 형성된 BPF의 블록 다이어그램을 보여줍니다.

 

 

 

이 섹션은 LPF, HPF 및 증폭 장치로 구성됩니다. LPF와 HPF의 이러한 조합은 우리에게 대역 통과 필터를 제공할 것입니다.

더 나아가 BPF의 회로도를 살펴보겠습니다

 

 

 

LPF는 기본적으로 낮은 주파수 대역을 통과시키고 차단 주파수 이상의 주파수 대역을 완전히 억제합니다.

반대로 HPF는 차단 주파수보다 높은 주파수를 통과시키고 주파수의 하위 대역을 제거합니다.

 

따라서 두 개의 서로 다른 필터를 캐스케이딩함으로써 주파수가 너무 낮지도 너무 높지도 않은 대역을 통과하는 회로를 가질 수 있습니다.

 

일반적으로 bandpass filter는 회로에 2개의 반응성 성분이 있기 때문에 2차 필터라고 합니다. 기본적으로 더 낮고 높은 차단 주파수의 차이를 제공합니다.

 

 

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2. 대역통과 필터 주파수 응답 곡선

BPF의 특성은 다음과 같은 주파수 응답 곡선으로 표시됩니다.

 

 

 

여기서 우리는 필터가 2개의 차단 주파수, 즉 더 낮은 차단 주파수(fL) 및 상한 차단 주파수(fH). 둘의 차이점은 대역폭이 다음과 같이 주어지는 BPF를 통해 전달되는 주파수 대역입니다.

 

 

BPF의 경우 fH 및 fL 를 사용하여 형성할 수 있습니다.

 

 

이제 대역 통과 필터의 차단 주파수와 대역폭을 결정하기 위한 예를 살펴보겠습니다.

R1 = R형2 = 10kΩ,

C1 = 0.1 μF

C2 = 0.0025 μF

 

 

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차단 주파수는 다음과 같습니다.

 

 

 

 

 

 

대역폭은 두 차단 주파수의 차이입니다. 

 

 

 

 

여기서 주목해야 할 점은 두 개의 차단 주파수를 넘어서면 롤오프가 20dB/decade라는 것입니다. BPF의 중심 주파수는 두 차단 주파수의 기하 평균으로 제공됩니다

 

중심 주파수에 대한 표현은 다음과 같이 주어집니다.

 

 

 

이상적인 대역 통과 필터에 대해 이야기 할 때 자동으로 평평한 통과 대역 특성을 가질 것이라고 가정합니다. 이는 필터가 원하는 통과대역만 완전히 통과하고 다른 주파수 대역은 거부한다는 것을 의미합니다.

 

그러나 실제로 그러한 이상적인 필터는 존재하지 않습니다. 이는 통과대역 외부의 주파수를 완전히 제거하는 것이 필터에 의해 이루어지지 않기 때문입니다. 이를 필터의 롤오프 특성이라고 하며 dB로 표시됩니다.

 

 

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3. BPF의 위상 응답

아래 그림은 BPF의 위상 응답을 보여줍니다

 

 

 

여기에서 볼 수 있듯이 주파수 0Hz에서 출력은 입력을 90⁰ 선행합니다. 그러나 중심 주파수로 이동하는 동안 위상차가 점진적으로 감소하는 것이 관찰됩니다.

중심 주파수에서 더 이상 멀어지면 출력이 입력보다 지연됩니다.

 

수동 필터는 감쇠기로 작동하므로 입력 신호에 비해 진폭이 작은 출력 신호를 제공합니다. 그러나 출력에서 왜곡 없는 신호를 가지려면 회로를 설계하는 동안 몇 가지 증폭 조치를 고려해야 합니다.

 

장점

1. 좁은 통과 대역에서 넓은 통과 대역을 허용합니다.
2. BPF는 안정성과 신뢰성을 함께 제공합니다.
3. 저렴한 비용과 작은 크기로 인해 다양한 응용 분야에 적합합니다.
4. 수신기의 SNR 및 감도도 대역 통과 필터링 접근 방식의 도움으로 향상됩니다.

 

 

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4. 대역 통과 필터의 응용

무선 전송 및 수신 시스템은 신호 전송 중에 대역 통과 필터를 사용합니다. 송신기 섹션에서는 신호를 제한하여 다른 시스템과의 간섭을 방지합니다.

마찬가지로, 수신기 섹션에서 BPF는 특정 통과대역만 선택하고 다른 통과대역은 거부합니다. 천문학 및 대기 과학에서도 대역 통과 필터가 사용됩니다.