대역차단필터 - 밴드스탑필터의 이해

특정 주파수 대역을 차단하거나 크게 감쇠하도록 설계된 필터 유형은 대역 차단 필터로 알려져 있습니다. 밴드 스탑 또는 밴드 스탑 필터라고도 합니다. 이러한 필터의 더 일반적인 이름은 노치 필터입니다. 두 개의 차단 주파수를 갖는 2차 필터입니다.

대역 차단 필터는 고역 통과 및 저역 통과 필터의 특성을 활용하여 형성됩니다.

 

 

 

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1. 필터

필터는 신호 전송 중에 원치 않는 주파수 구성 요소를 제거하고 필요한 특정 범위를 증폭해야 하는 요구 사항이 있기 때문에 통신 시스템의 중요한 구성 요소 역할을 합니다.

 

필터는 기본적으로 요구 사항에 따라 통과하거나 차단할 수 있는 특정 주파수 범위를 선택하도록 설계된 주파수 선택 회로입니다. 오디오 주파수를 증폭하거나 억제해야 하는 스테레오 시스템, 다양한 주파수의 진폭 조정을 위한 이퀄라이저, 주파수가 스피커 끝으로 갈수록 차단되는 크로스오버 네트워크 등과 같은 필터의 다양한 실제 응용 프로그램이 존재합니다.

 

필터는 다음과 같이 분류됩니다.

1. 저역 통과 필터는 차단 주파수보다 작은 주파수 성분을 통과시키고 해당 주파수보다 높은 주파수를 차단하도록 설계되었습니다.

2. 고역 통과 필터는 저역 통과 필터와 반대로 작동하여 차단 주파수 아래의 신호를 단순히 거부 또는 감쇠하고 차단 주파수 이상으로 떨어지는 신호를 통과시키는 필터입니다.

3. 대역 통과 필터는 특정 주파수 대역이 통과할 수 있도록 하고 해당 특정 대역에서 떨어지는 주파수를 거부하는 필터입니다. 통과할 특정 대역을 나타내는 두 개의 차단 주파수가 있습니다.

 

 

 

 

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2. 대역 차단 필터

대역 차단 필터는 대역 통과 필터와 반대 작업을 수행하는 필터입니다. 이름 자체가 나타내기 때문에 특정 주파수 대역을 거부하거나 크게 감쇠시키고 해당 특정 대역에 존재하는 모든 구성 요소를 전달하는 필터 유형입니다.

 

대역 통과 필터는 완전히 역방향으로 작동하여 대역 내에 존재하는 주파수를 전달하고 대역 외부에 존재하는 구성 요소를 차단합니다.

 

대역 통과 필터는 저역 통과 필터와 고역 통과 필터를 직렬로 결합하여 형성할 수 있습니다. 따라서 대역 차단 필터는 저역 통과 필터와 고역 통과 필터의 조합으로도 형성될 수 있지만 이번에는 직렬이 아닌 병렬로 배열해야 합니다.

 

 

 

대역 차단 필터는 일반적으로 다음과 같이 분류됩니다.

• 광대역 차단 필터
• 협대역 차단 필터

협대역 차단 필터는 광대역 차단 필터에 비해 대역폭이 매우 작은 고부가가치 품질 계수, 즉 Q가 10 이상인 경우 노치 필터라고도 합니다.

 

주파수 대역이 더 낮은 차단 주파수와 더 높은 차단 주파수를 의미하는 두 개의 차단 주파수를 가지고 있습니다. 따라서 두 차단 주파수 사이에 존재하는 대역은 대역 차단 필터에 의해 차단되고 나머지 다른 주파수 구성 요소는 이를 쉽게 통과합니다. 따라서 대역 차단 필터에는 두 개의 통과 대역과 하나의 차단 대역이 있다고 말할 수 있습니다.

 

 

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ω 1과 ω 2가 두 개의 차단 주파수이고 이상적인 반응이 아래에 나와 있다고 가정하면 이를 더 잘 이해할 수 있습니다:

 

 

 

여기서 두 통과 대역은 0~ω 1 및 ω 2~ω이고 정지 대역은 ω 1~ω 2입니다. 그러나 대역 정지 필터의 실제 응답은 최소 이득량에 해당하는 중심 주파수 ω 0, 즉 거의 0으로 표시됩니다.

 

 

 

실제 응답은 중심 주파수에서 노치를 명확하게 보여줍니다.

 

 

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3. 대역 차단 필터 회로

1) 와이드 밴드 스톱 필터

아래 그림은 광대역 차단 필터의 회로도를 나타냅니다.

 

 

 

여기서는 설계에 op-amp를 사용함으로써 필터 회로에 전압 이득을 도입합니다. 여기서는 기본적으로 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 합산 증폭기가 사용됩니다.

 

정확한 대역 거부 반응을 갖기 위해서는 고역 통과 필터 fL의 낮은 컷오프 주파수가 저역 통과 필터 fH의 높은 컷오프 주파수를 초과해야 하는 방식으로 설계가 이루어져야 합니다. 그와 함께 고역 통과 필터와 저역 통과 필터는 동일한 패스 대역 이득을 가져야 합니다. 이것에 의해서만 적절한 차단  대역이 달성될 수 있기 때문입니다.

아래 그림은 대역 거부 필터의 실질적으로 달성된 주파수 응답 곡선을 보여줍니다:

 

 

 

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2) 협대역 차단 필터

아래 그림은 협대역 차단 필터 회로를 보여줍니다.

 

 

 

여기에 제공된 노치 필터는 두 개의 T자형 네트워크(트윈 T-네트워크라고도 함)로 구성됩니다. 위의 그림에서 하나의 T 네트워크는 두 개의 저항과 하나의 커패시터의 조합으로 형성되고 두 번째 T 네트워크는 두 개의 커패시터와 하나의 저항을 결합하여 형성된다는 것을 명확하게 나타냅니다.

 

• 위 설계의 커패시터는 위쪽 두 커패시터가 C이고 네트워크 중앙의 커패시터는 2C인 구성이라는 점에 유의해야 합니다. 마찬가지로 하단에 있는 두 개의 저항은 R이지만 중간에 있는 저항은 R/2입니다. 적절한 협대역 제거 작업을 수행하려면 이 설명된 구성을 항상 유지해야 합니다.

노치 필터를 사용하면 단일 주파수 또는 매우 작은 주파수 대역조차도 서로 다른 주파수 성분으로 구성된 넓은 대역폭의 감쇠 없이 고도로 감쇠될 수 있습니다. 이러한 필터의 가장 일반적인 응용 분야에는 윙윙거리는 소리(즉, 전기 노이즈)를 생성하는 50Hz 전력선 주파수와 같은 단일 주파수를 제거하는 것이 포함됩니다.

 

 

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트윈 T 노치 필터에 대한 방정식은 다음과 같습니다.

 

 

 

여기서 주목할 점은 위에서 설명한 패시브 트윈 T 네트워크는 Q의 값이 매우 낮을 때 결정적인 단점을 제공한다는 것입니다. 그러나 단점은 아래와 같이 전압 추종자 회로를 추가하면 극복할 수 있습니다.

 

 

 

여기서 전압 팔로워 회로의 출력은 2C 및 R/2 접합으로 피드백됩니다.

 

 

 

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4. 응용 프로그램

대역 차단 필터는 원치 않는 주파수 구성 요소를 제거하므로 생체 의학 기기와 같은 통신 및 의료 응용 분야에 사용됩니다. 이들은 신호 전송 중 노이즈 가능성을 줄이기 위해 전화선 서비스에서 사용됩니다. 또한 노이즈를 억제하기 위해 이미지 및 신호 처리에 사용됩니다.

 

더 나은 품질의 오디오를 얻기 위해 이러한 필터는 전관 방송 및 스피커 시스템에 사용됩니다. 또한 광통신에서는 광 신호를 전송하는 동안 왜곡이 발생하는 광섬유 케이블이 사용되며 이러한 왜곡은 대역 차단 필터를 사용하여 쉽게 제거할 수 있습니다.