전자장치의 고역통과필터의 종류와 회로

고역 통과 필터(HPF)는 전자 신호 처리에서 중요한 구성 요소로, 특정 임계값 이상의 주파수는 선택적으로 통과시키고 낮은 주파수는 감쇠합니다. 고역통과 필터의 응용 프로그램은 오디오 엔지니어링에서 통신에 이르기까지 다양한 분야에 걸쳐 있으며 현대 기술에 없어서는 안될 필수 요소입니다.

 

정의에 따르면 고역 통과 필터는 고주파 신호는 통과시키고 저주파 신호는 차단하도록 설계된 전자 회로입니다. 기능의 핵심은 주파수 응답, 특히 주파수가 크게 감쇠되는 임계값인 차단 주파수에 있습니다. 하이 패스 필터는 무선 장비 등과 같은 민감한 장치의 DC 구성 요소를 차단하는 것과 같은 많은 용도로 사용됩니다.

 

 

 

 

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1. 고역통과필터의의 종류

회로 구조에 따라 High Pass Filters는 Passive High Pass Filters와 Active High Pass Filters의 두 가지 범주로 분류됩니다.

 

1) 패시브 하이 패스 필터

패시브 하이패스 필터는 수동 구성 요소(R, L 및 C)로만 구성됩니다. 커패시터와 인덕턴스 구성 요소의 리액턴스가 주파수에 따라 변한다는 원리를 사용하여 구성됩니다. 패시브 HPF는 설계가 단순하며 외부 전원이 필요하지 않습니다. 패시브 필터는 신뢰성이 높습니다.

 

수동 필터의 단점으로는 통과대역 에너지 손실, 부하 효과 및 유도 성분이 사용되는 경우 EMI가 있습니다. 이 제품은 커패시터의 주파수 종속 임피던스를 활용하여 작동하며, 더 낮은 주파수를 필터링할 수 있는 기본적이지만 효과적인 수단을 제공합니다. 가장 일반적인 유형의 패시브 HPF는 RC 및 LC 유형입니다. 아래 이미지는 간단한 1차 RC HPF의 회로도를 보여줍니다.

 

 

 

이 회로에서 커패시터의 리액턴스는 저주파에서 매우 높기 때문에 커패시터는 개방 회로로 작용하여 주파수가 절단될 때까지 입력 신호를 차단합니다. 주파수 지점 절단 위에서는 리액턴스 커패시터가 낮고 단락으로 작동하여 아래 표시된 주파수 응답 곡선과 같이 모든 입력 신호를 허용합니다.

 

 

 

 

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2) 액티브 하이 패스 필터

액티브 HPF는 연산 증폭기와 같은 액티브 구성 요소를 통합합니다. 액티브 하이패스필터는 증폭 기능으로 유명하며, 이를 통해 필터의 이득을 더 잘 제어하고 특정 응용 분야에서 성능을 향상시킬 수 있습니다. 액티브 고역 통과 필터의 주요 장점은 통과대역 에너지 손실이 없고, 증폭이 가능하고, 부하 효과가 없으며, 고차 필터를 형성하기 위해 캐스케이드가 용이하다는 것입니다.

 

또한 액티브 HPF는 크기가 작고 무게가 가벼우며 EMI를 일으키지 않습니다. 액티브 HPF의 단점은 외부 DC 전원 공급 장치가 필요하고 통과 대역 범위가 연산 증폭기와 같은 액티브 장치의 대역폭에 의해 제한된다는 것입니다. 따라서 고전압, 고주파 및 고전력 응용 분야에는 적합하지 않습니다.

 

 

위의 이미지는 연산 증폭기를 사용하는 1차 고역 통과 필터의 능동적인 전자 구현을 보여줍니다. 1차 RC 고역 통과 필터의 컷오프 주파수는 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다

 

fc=1/(2πR_1 C)

 

 

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2. 하이패스필터의 차수

필터의 수학적 특성에 따라 1차 고역 통과 필터, 2차 고역 통과 필터 등으로 나뉩니다.

 

1) 1차 고역 통과 필터

일반적으로 RC 회로를 사용하여 설계된 1차 HPF는 20dB/decade의 선형 기울기로 주파수 응답을 나타냅니다. 구현하기 간단하며 주파수 응답에서 부드러운 롤오프를 제공합니다. 패시브 필터 섹션에서 설명하는 회로는 1차 RC 고역 통과 필터입니다.

 

1차 RC 고역 통과 필터의 주파수 컷은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

 

fc=1/2πRC

 

 

 

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2) 2차 고역 통과 필터

2차 고역통과필터는 두 개의 1차 필터를 캐스케이딩하여 구성됩니다. 이 제품은 40dB/decade의 더 가파른 차단 기울기가 특징이며, 원치 않는 주파수를 필터링하는 데 더 많은 정밀도를 제공합니다. 아래 이미지는 2차 RC 고역 통과 필터를 보여주며 두 개의 1차 고역 통과 필터를 함께 캐스케이딩하여 만들어졌습니다.

 

 

 

2차 RC 고역 통과 필터의 주파수 컷은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

 

fc=1/(2π√(R1 C1 R2 C2 ))

 

실제로, 캐스케이드 수동 필터는 각 필터 차수의 동적 임피던스가 인접 네트워크에 영향을 미치기 때문에 함께 생성되므로 더 큰 차수의 필터를 정확하게 구현하기가 어렵습니다. 부하에 대한 영향을 완화하려면 각 연속 스테이지의 임피던스가 이전 단계의 임피던스의 10배가 되는 프로토콜을 설정하는 것이 가능합니다. 이 방법을 채택하면 R2를 R1의 10배로, C2를 C1의 1/10로 설정하면 필터 무결성을 유지하면서 부하를 줄일 수 있습니다.