전자 필터 유형, 설계 및 응용 분야 이해

전자 필터는 어떤 주파수가 통과하고 어떤 주파수가 차단되는지 제어하여 신호를 명확하고 안정적으로 유지하는 회로입니다. 전력 시스템, 오디오 장치, 통신 링크 및 데이터 수집에 사용됩니다. 이 문서에서는 필터 유형, 용어, 응답 패밀리, 설계 단계 및 응용 프로그램에 대해 자세히 설명합니다.

씨1. 전자 필터 오버view  

씨2. 전자 필터의 핵심 유형 

씨3. 필터 용어 세부 정보  

전자 필터 개요

전자 필터는 신호의 어느 부분이 유지되고 어떤 부분이 감소하는지 제어하는 회로입니다. 유용한 주파수는 통과시키고 필요하지 않은 주파수는 약화시키는 방식으로 작동합니다. 전력 시스템에서 필터는 원치 않는 소음을 제거하고 안정적인 전기 공급을 유지합니다. 오디오에서는 음질을 조정하고 저음과 고음과 같은 음역을 분리합니다. 통신에서 필터는 신호를 명확하고 정확하게 유지하는 데 도움이 됩니다. 그것들이 없으면 많은 시스템이 원활하거나 안정적으로 실행되지 않을 것입니다.

전자 필터의 핵심 유형

저역 통과 필터(LPF)

LPF는 차단 주파수 이하의 신호를 전달하고 더 높은 주파수를 감쇠합니다. 전원 공급 장치 출력을 매끄럽게 하고, 오디오의 노이즈를 제거하며, 디지털 회로의 앨리어싱을 방지합니다. 간단한 RC 필터가 일반적인 예입니다.

고역 통과 필터(HPF)

HPF는 컷오프 이상의 주파수를 통과하고 더 낮은 주파수를 차단합니다. 트위터용 오디오, DC 오프셋을 제거하기 위한 AC 커플링, 드리프트를 줄이기 위해 악기에 사용됩니다. 증폭기 입력의 직렬 커패시터는 기본 형태입니다.

대역 통과 필터(BPF)

BPF는 선택한 주파수 대역만 통과하고 다른 주파수 대역은 거부할 수 있도록 허용합니다. 무선 수신기, 무선 통신 및 ECG와 같은 의료 기기에 필수적입니다. FM 라디오의 LC 튜닝 회로가 전형적인 예입니다.

대역 정지 / 노치 필터 (BSF)

BSF는 위와 아래를 통과하는 동안 좁은 주파수 대역을 감쇠합니다. 오디오의 윙윙거리는 소리를 제거하고 통신 간섭을 제거하며 악기의 소음을 제거합니다. 트윈 T 노치 필터는 잘 알려진 디자인입니다.

필터 용어 세부 정보

통과 대역

통과대역은 필터가 최소한의 감쇠로 통과할 수 있는 주파수 범위입니다. 예를 들어 전화 통신에서는 300Hz에서 3.4kHz의 음성 대역이 유지되므로 음성이 선명하게 유지됩니다. 넓고 평평한 통과 대역은 원하는 신호가 원래의 강도와 품질을 유지하도록 보장합니다.

저지대

저지대역은 필터가 원치 않는 신호나 노이즈를 차단하기 위해 강하게 감쇠하는 주파수 범위입니다. 이 영역은 간섭, 왜곡 또는 앨리어싱이 유용한 신호를 오염시키는 것을 방지하는 데 기본입니다. 저지대역 감쇠가 깊을수록 필터가 원치 않는 주파수를 거부하는 데 더 효과적입니다.

차단 주파수(fc)

차단 주파수는 통과대역과 저지대역 사이의 경계를 표시합니다. 버터워스 필터와 같은 대부분의 필터 설계에서는 신호가 통과대역 레벨에서 -3dB 떨어지는 주파수로 정의됩니다. 이 점은 시스템 요구 사항을 충족하기 위해 필터를 설계하고 조정하기 위한 참조 역할을 합니다.

전환 대역

전이 대역은 필터 출력이 통과 대역에서 저지대역으로 이동하는 기울기 영역입니다. 전이 대역이 좁을수록 더 선명하고 선택적인 필터를 나타내며, 이는 통신 시스템의 채널 분리와 같은 응용 분야에서 바람직합니다. 더 날카로운 전환에는 종종 더 복잡한 필터 설계나 고차 회로가 필요합니다.

필터의 보드 플롯

크기 플롯

크기 플롯은 주파수에 대한 필터의 게인(데시벨 단위)을 보여줍니다. 예를 들어, 저역 통과 필터에서 응답은 통과 대역에서 약 0dB 정도 평평하게 유지된 다음 차단 주파수 이후에 롤오프되기 시작하여 더 높은 주파수의 감쇠를 나타냅니다. 이 롤오프의 가파른 성도는 필터의 차수에 따라 달라지며, 고차 필터는 통과대역과 저지대역 사이에 더 날카로운 전환을 제공합니다. 크기 플롯을 사용하면 필터가 원하는 범위를 유지하면서 원치 않는 주파수를 얼마나 잘 차단하는지 쉽게 확인할 수 있습니다.

위상 플롯

위상 플롯은 필터가 서로 다른 주파수에서 신호의 위상을 어떻게 이동하는지 보여줍니다. 이것은 신호 지연의 척도입니다. 저주파에서는 위상 변이가 최소화되는 경우가 많지만 주파수가 증가함에 따라 컷오프 주변에서 필터에 더 많은 지연이 발생합니다. 위상 응답은 오디오 처리, 통신 링크, 제어 시스템과 같이 시간에 민감한 시스템의 기본으로, 작은 타이밍 오류라도 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

필터 순서 및 롤오프

패시브 필터 기본 사항

RC 필터

RC 필터는 저항과 커패시터를 조합하여 사용하는 가장 간단한 수동 설계입니다. 가장 일반적인 형태는 RC 저역 통과 필터로, 높은 주파수를 감쇠하면서 저주파를 통과시킬 수 있습니다. 차단 주파수는 다음과 같이 주어집니다.

fc =

이는 전원 공급 장치의 신호를 평활화하고, 고주파 노이즈를 제거하고, 오디오 또는 센서 회로에서 기본 신호 컨디셔닝을 제공하는 데 가장 적합합니다.

RL 필터

RL 필터는 저항과 인덕터를 사용하므로 더 큰 전류를 처리하는 회로에 더 적합합니다. RL 저역 통과 필터는 전력 시스템의 전류를 평활화할 수 있는 반면, RL 고역 통과 필터는 AC 신호를 통과하는 동안 DC를 차단하는 데 효과적입니다. 인덕터는 전류 변화에 저항하기 때문에 RL 필터는 에너지 처리 및 효율성이 중요한 응용 분야에서 자주 선택됩니다.

RLC 필터

RLC 필터는 저항, 인덕터 및 커패시터를 결합하여 보다 선택적인 응답을 생성합니다. 구성 요소가 배열되는 방식에 따라 RLC 네트워크는 대역 통과 필터 또는 노치 필터를 형성할 수 있습니다. 이는 주파수 정밀도가 중요한 무선 수신기, 발진기 및 통신 회로를 튜닝하는 데 필요합니다.

필터 응답 패밀리의 유형

버터워스 필터

버터워스 필터는 잔물결이 없는 부드럽고 평평한 통과대역 응답으로 높이 평가됩니다. 자연스럽고 왜곡 없는 출력을 제공하므로 오디오 및 필터링에 탁월합니다. 단점은 다른 제품군에 비해 롤오프율이 적당하다는 것인데, 이는 급격한 컷오프가 필요할 때 덜 선택적이라는 것을 의미합니다.

베셀 필터

베셀 필터는 시간 도메인 정확도를 위해 설계되었으며, 거의 선형 위상 응답과 최소 파형 왜곡을 제공합니다. 따라서 신호 모양을 보존해야 하는 데이터 통신이나 오디오와 같은 애플리케이션에 가장 적합합니다. 주파수 선택성이 낮기 때문에 근처의 원치 않는 신호를 효과적으로 거부할 수 없습니다.

체비셰프 필터

체비셰프 필터는 버터워스보다 훨씬 빠른 롤오프를 제공하여 더 적은 수의 구성 요소로 더 가파른 전환을 허용합니다. 통과대역에서 제어된 리플을 허용함으로써 이를 달성합니다. 효율적이지만 리플은 민감한 신호를 왜곡하여 정밀 오디오에 적합하지 않을 수 있습니다.

타원 필터

타원 필터는 최소한의 구성 요소 수에 대해 가장 가파른 전이 대역을 제공하므로 협대역 응용 분야에 매우 효율적입니다. 절충안은 통과대역과 정지대역 모두에서 리플이 발생하여 신호 충실도에 영향을 미칠 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 타원형 설계는 날카로운 차단이 필요한 RF 및 통신 시스템에 자주 사용됩니다.

필터 특성: f₀, BW 및 Q

• 중심 주파수(f₀): 필터가 통과하거나 차단하는 대역 중간의 주파수입니다. 하한 컷오프 주파수와 상한 컷오프 주파수를 곱한 다음 제곱근을 구하여 구합니다.

• 대역폭(BW): 상위 차단 주파수와 하위 차단 주파수 사이의 범위 크기입니다. 대역폭이 작을수록 필터가 좁은 범위의 주파수만 허용한다는 의미이고, 대역폭이 클수록 더 많은 주파수를 커버할 수 있습니다.

• 품질 계수(Q): 필터가 얼마나 선명하거나 선택적인지 알려줍니다. 중심 주파수를 대역폭으로 나누어 계산합니다. Q 값이 높을수록 필터가 중심 주파수 주위에 더 촘촘하게 초점을 맞춘다는 것을 의미하고, Q 값이 낮을수록 더 넓은 범위를 커버한다는 의미입니다.

필터 설계 프로세스의 단계

• 차단 주파수, 원치 않는 신호에 필요한 감쇠량, 통과대역의 허용 가능한 리플 수준 및 그룹 지연 제한과 같은 요구 사항을 정의합니다. 이러한 사양은 설계의 기초를 설정합니다.

• 목표에 따라 필터 유형을 선택합니다: 저주파를 허용하는 저역 통과, 고주파를 허용하는 고역 통과, 범위를 허용하는 대역 통과 또는 범위를 차단하는 대역 정지.

• 응용 프로그램에 가장 적합한 응답 패밀리를 선택합니다. Butterworth는 평평한 통과대역을 제공하고, Bessel은 시간 정확도를 유지하고, Chebyshev는 더 날카로운 롤오프를 제공하며, 타원형은 컴팩트한 디자인으로 가장 가파른 전환을 제공합니다.

• 필터의 순서를 계산하여 원치 않는 주파수를 얼마나 가파르게 감쇠할 수 있는지를 결정합니다. 고차 필터는 더 강한 선택성을 제공하지만 더 많은 구성 요소가 필요합니다.

• 설계를 구현할 토폴로지를 선택합니다. 패시브 RC 필터는 간단하고 능동 연산 증폭기 필터는 이득 및 버퍼링을 허용하며 디지털 FIR 또는 IIR 필터는 최신 처리에 널리 사용됩니다.

• 필터를 구축하기 전에 필터를 시뮬레이션하고 프로토타입을 제작합니다. 시뮬레이션 및 보드 플롯은 성능을 확인하는 데 도움이 되며, 프로토타입은 필터가 실제로 정의된 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

전자 제품에 필터의 응용

오디오 전자

필터는 이퀄라이저, 크로스오버, 신디사이저 및 헤드폰 회로에서 사운드를 형성합니다. 주파수 균형을 제어하고 선명도를 개선하며 소비자 및 전문 오디오 장비 모두에서 원활한 신호 흐름을 보장합니다.

전원 시스템

고조파 필터와 EMI 억제 필터는 모터 드라이브, UPS 시스템 및 전력 변환기에 필수적입니다. 민감한 장비를 보호하고 전력 품질을 개선하며 전자기 간섭을 줄입니다.

데이터 수집

신호 왜곡을 방지하기 위해 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 앞에 앤티앨리어싱 필터가 사용됩니다. EEG 및 ECG 모니터와 같은 생체의학 기기에서 필터는 원치 않는 노이즈를 제거하여 의미 있는 신호를 추출합니다.

통신

대역 통과 및 대역 정지 필터는 RF 시스템의 기본입니다. Wi-Fi, 셀룰러 네트워크 및 위성 통신의 주파수 채널을 정의하여 간섭을 거부하면서 명확한 신호 전송을 가능하게 합니다.

결론

필터는 선명한 오디오, 안정적인 전력, 정확한 데이터 및 안정적인 통신을 위해 신호를 형성하는 데 기본입니다. 유형, 용어 및 설계 방법을 이해하면 시스템을 정확하고 효과적으로 유지하는 필터를 선택하거나 만드는 것이 더 쉬워집니다.

자주 묻는 질문 

1분기. 능동 필터와 수동 필터의 차이점은 무엇입니까?

액티브 필터는 연산 증폭기를 사용하고 신호를 증폭할 수 있는 반면, 패시브 필터는 이득 없이 저항, 커패시터 및 인덕터만 사용합니다.

2분기. 디지털 필터는 아날로그 필터와 어떻게 다릅니까?

아날로그 필터는 구성 요소가 있는 연속 신호를 처리하는 반면, 디지털 필터는 DSP 또는 소프트웨어에서 샘플링된 신호에 대한 알고리즘을 사용합니다.

3분기. 통신 시스템에 고차 필터가 사용되는 이유는 무엇입니까?

더 날카로운 컷오프를 제공하여 촘촘하게 배치된 채널을 더 잘 분리하고 간섭을 줄일 수 있습니다.

4분기. 센서에서 필터의 역할은 무엇입니까?

필터는 원치 않는 노이즈를 제거하여 센서가 깨끗하고 정확한 신호를 전달합니다.

5분기. 필터 안정성이 필요한 이유는 무엇입니까?

불안정한 필터는 신호를 진동시키거나 왜곡할 수 있으므로 안정성은 안정적인 성능을 보장합니다.

6분기. 필터를 조정할 수 있습니까?

예. 조정 가능한 필터는 라디오 및 적응형 시스템에 사용되는 차단 또는 중심 주파수를 조정합니다.