대역 통과 필터에 대한 완전한 안내서

전자 설계에서 대역 통과 필터는 오디오 시스템 및 무선 통신과 같은 많은 영역에서 사용되는 주요 부품입니다.이 필터는 간단하지만 나머지를 차단하면서 특정 주파수 만 통과하도록 영리하게 만들어졌습니다.이 기능은 신호를 개선 할뿐만 아니라 간섭을 줄이고 시스템의 전반적인 성능을 향상시키는 데 도움이됩니다.이 기사에서는 대역 통과 필터의 기본 사항 (제작 방법, 다른 유형 및 사용 방법을 포함하여 밴드 패스 필터의 기본 사항을 살펴 보겠습니다.우리는 또한이 필터를 사용하는 데있어 몇 가지 일반적인 문제와이를 해결하는 방법에 대해서도 이야기합니다.

목록

대역 통과 필터 개요

대역 통과 필터는 특정 범위의 주파수 내에서 신호를 통과하도록 설계된 전자 회로 유형이며 외부에 떨어지는 것을 차단합니다.이 범위는 두 개의 컷오프 포인트 (낮음과 1 개의 최고)로 정의됩니다.하한 또는 상한 아래의 신호는 급격히 감소하거나 제거됩니다.

주파수 스펙트럼의 타겟팅 된 슬라이스 만 통과 할 수있게함으로써 필터는 해당 범위에 속하지 않는 신호에서 원치 않는 간섭을 방지하는 데 도움이됩니다.이 선택적 동작은 오디오 처리, 무선 통신 또는 계측과 같은 깨끗하고 구체적인 신호에 의존하는 시스템에서는 너무 많은 소음이나 오버랩이 성능을 방해 할 수 있습니다.

대역 통과 필터를 만드는 방법?

대역 통과 필터를 만들려면 특정 순서로 두 가지 기본 필터 유형 (저역 통과 및 고역 통과)을 결합합니다.함께, 그들은 더 넓은 신호에서 원하는 주파수 만 추출하기 위해 노력합니다.

프로세스는 저역 통과 필터로 시작합니다.회로 의이 부분은 특정 컷오프 주파수보다 높은 신호를 약화 시키거나 차단하여 더 낮은 주파수 만 통과 할 수 있습니다.이 단계에서는 대상 주파수 대역과 더 낮은 원치 않는 신호 모두 여전히 존재합니다.

다음으로 신호는 고역 통과 필터로 흐릅니다.이 구성 요소는 저역 통과 필터가 허용하는 하위 주파수를 제거하지만 여전히 원하는 범위를 벗어납니다.남아있는 것은 중간 섹션 - 두 컷오프 지점 사이에있는 주파수 대역입니다.

이 단계별 필터링은 원래 신호를 특정 범위 내의 주파수로 좁 힙니다.결과는 오디오 튜닝, 통신 또는 센서 시스템과 같이 특정 주파수 대역 만 유용한 응용 분야에 맞게 조정 된 청정 출력입니다.

그림 2. 대역 통과 필터의 시스템 레벨 블록 다이어그램

다이어그램은이 설정을 시각화하는 데 도움이 될 수 있지만 핵심 아이디어는 간단합니다. 하나의 필터는 상단에서 트림을, 다른 필터는 아래쪽에서 트림을 트림하고 남은 것은 필요한 밴드입니다.

커패시터가있는 대역 통과 필터 설계

대역 통과 필터를 구축하는 간단한 방법은 직렬로 연결된 두 개의 간단한 RC (저항 캡 카이터) 회로를 사용하는 것입니다.이 설정은 하나의 저역 통과 필터와 하나의 고역 통과 필터를 사용합니다.함께, 그들은 너무 높거나 너무 낮은 신호를 줄이면서 중간 범위 주파수의 특정 밴드 만 통과 할 수 있도록 노력합니다.

그림 3. 용량 성 대역 통과 필터

필터는 두 단계로 내장되어 있습니다.첫 번째 단계는 저항 및 커패시터로 만든 저역 통과 필터, 특히 2.5 마이크로 파라드 커패시터 (C1)와 직렬로 연결된 200 oohm 저항 (R1)입니다.이 단계는 고주파 신호를 특정 컷오프 지점보다 낮게 줄입니다.

두 번째 단계는 1 마이크로 파라드 커패시터 (C2)와 1kiloohm 하중 저항 (RLOAD)을 사용하여 제작 된 고역 통과 필터입니다.회로 의이 부분은 컷오프 임계 값 미만의 저주파 성분을 제거합니다.이 두 단계를 연속적으로 배열함으로써 회로는 통과 대역을 만듭니다. 원하는 미드 레인지 주파수 만 남아있는 영역입니다.

프로세스는 1 볼트 AC 신호가 입력에 적용될 때 시작됩니다.신호가 첫 번째 단계로 들어 오면 저역 통과 필터는 고주파수 구성 요소를 차단합니다.남은 것은 낮은 주파수와 미드 레인지 대역을 포함합니다.여과 된 신호는 두 번째 단계로 이동합니다.여기서 고역 통과 필터는 나머지 저주파 신호를 제거합니다.최종 출력은 두 필터 모두 신호가 효율적으로 전달되는 특정 주파수를 중심으로합니다.

그림 4. 좁은 주파수 범위 내의 용량 성 대역 통과 필터 피크의 응답

이 구성에서, 필터는 주파수가 약 250Hz를 통과시키고 해당 범위 외부의 신호를 급격히 감쇠시킬 수 있도록 조정됩니다.주파수 응답 그래프에서 성능을 보려면 250Hz 근처의 출력 전압이 명확한 피크가 표시됩니다.이 피크는 통과 대역의 중심을 표시하고 좁은 주파수 범위를 분리하는 필터의 능력을 보여줍니다.

인덕터가있는 대역 통과 필터 설계

인덕터 기반 대역 통과 필터는 입력 신호로부터 특정 주파수 범위를 분리하는 또 다른 방법입니다.커패시터 기반 필터와 동일한 기본 원리를 따르지만 회로의 레이아웃과 동작은 약간 다릅니다.이 설계에서 회로는 고역 통과 필터로 시작하여 인덕터를 사용하여 주파수 응답을 형성하는 저역 통과 필터로 끝납니다.

그림 5. 유도 대역 통과 필터

첫 번째 단계는 고역 통과 필터입니다.저항 (R1)과 직렬로 연결된 인덕터 (L1)를 사용합니다.회로 의이 부분은 저주파 신호를 차단하므로 더 높은 주파수가 앞으로 이동할 수 있습니다.

다음은 두 번째 인덕터 (L2)와 하중 저항 (Rload)으로 구성된 저역 통과 단계입니다.이 섹션은 그 반대를 수행합니다. 고주파수 구성 요소가 줄어들어 특정 주파수 이하의 신호 만 계속할 수 있습니다.두 단계가 순서대로 연결되면 조합을 통해 중간 범위 주파수 만 통과 할 수 있습니다.너무 낮은 모든 것이 첫 번째 단계에 의해 차단되고, 너무 높은 모든 것은 두 번째로 절단됩니다.

입력은 AC 신호이며 먼저 높은 패스 섹션으로 들어갑니다.이 시점에서, 저항-인덕터 조합의 거동으로 인해 저주파 신호가 억제된다.여과 된 신호는 저역 통과 섹션으로 흐르며 나머지 고주파수 구성 요소가 제거됩니다.남은 것은 두 컷오프 지점으로 정의 된 범위를 중심으로하는 주파수 대역입니다.

대역 통과 필터 유형

대역 통과 필터는 여러 가지 형태로 제공되며, 각각의 기술 및 실용적 요구에 맞게 설계되었습니다.필터의 선택은 주파수 제어가 얼마나 정확한 지, 신호 증폭이 필요한지 여부 및 필터가 사용될 시스템의 한계에 달려 있습니다.

활성 대역 통과 필터

활성 대역 통과 필터는 저항, 커패시터 및 때로는 인덕터와 함께 작동 증폭기를 사용합니다.수동 설계와 달리,이 필터는 원하는 주파수 대역 내에서 신호의 강도를 높이고 외부의 필터를 억제 할 수 있습니다.이 이중 기능 (필터링 및 증폭)은 깨끗한 신호와 추가 게인이 필요한 시스템에서 인기있는 선택을 제공합니다.

이 필터의 동작은 표준 전송 기능을 사용하여 설명 할 수 있습니다.

여기서 k는 중심 주파수 (ω0)의 게인이며, Q는 통과 대역이 얼마나 좁거나 넓은 지 정의합니다.

수동 대역 통과 필터

그림 7. 수동 밴드 패스 필터

이 필터는 전적으로 수동 구성 요소 (레저, 커패시터 및 인덕터)에 의존하며 외부 전원이 필요하지 않습니다.그들의 단순성과 장기 신뢰성은 전력 소비를 최소화해야하고 신호 이득이 필요하지 않은 시스템에 이상적입니다.

그들의 응답은 단순화 된 전송 기능으로 모델링 될 수 있습니다.

이 경우 K는 신호 스케일링을 제어하고 활성 구성 요소가 없으면 필터의 수동적 특성을 반영합니다.

RLC 대역 통과 필터

그림 8. RLC 대역 통과 필터

일반적인 형태의 수동 필터 인 RLC 대역 통과 필터는 저항, 인덕터 및 커패시터의 조합을 사용합니다.이러한 구성 요소는 특정 주파수로 공명하도록 배열되어 통과 대역의 정확한 튜닝이 가능합니다.RLC 필터는 종종 무선 수신기 또는 계측과 같은 정확한 주파수 타겟팅이 유용한 아날로그 회로에 사용됩니다.

와이드 밴드 패스 필터

그림 9. 와이드 밴드 패스 필터

와이드 밴드 패스 필터는 더 넓은 범위의 주파수를 통과 할 수 있도록 설계되었습니다.그들은 일반적으로 더 간단한 하위 주문 필터를 순서대로 연결하여 구축됩니다.설계에 따라 통과 대역 외부의 주파수를 점차적으로 감쇠시킬 수 있습니다.예를 들어, 1 차 섹션은 10 년마다 약 ± 20dB로 롤오프되는 반면, 2 차 섹션은 경사를 10 년마다 약 ± 40dB로 가파르게합니다.이 필터는 오디오 이퀄라이저 또는 광대역 통신 장치와 같은 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 유연성이 필요한 시스템에 적합합니다.

좁은 대역 통과 필터

그림 10. 좁은 대역 통과 필터

정밀도가 위험 할 때 좁은 밴드 패스 필터가 작동합니다.이 필터는 미세 조정되어 슬림 한 주파수 범위 만 통과하고 다른 모든 것을 차단합니다.여기에는 종종 선택성을 연마하는 여러 피드백 경로 또는 조정 된 구성 요소가 포함됩니다.그들의 엄격한 제어는 신호 복조 또는 혼잡 한 통신 채널에서 밀접하게 간격을 두는 주파수를 필터링하는 데 이상적입니다.

대역 통과 필터의 이점과 한계

대역 통과 필터는 특히 특정 주파수 범위 내에서 분리 또는 청소 해야하는 신호로 작업 할 때 몇 가지 귀중한 이점을 제공합니다.그러나 그들의 성과에는 설계 및 구현 중에 고려해야 할 몇 가지 과제도 있습니다.

이익

대역 통과 필터의 주요 강점 중 하나는 다른 모든 것을 차단하면서 원하는 주파수 만 통과하는 기능입니다.이를 통해 주변 노이즈의 간섭을 줄임으로써 신호 품질을 보존하는 데 도움이됩니다. 이는 많은 신호가 겹치는 환경의 주요 이점입니다.

활성 설계에서,이 필터는 또한 통과 대역 내에서 원하는 주파수를 증폭시킬 수있다.이 내장 게인은 추가 회로를 필요로하지 않고 신호 강도를 유지하는 데 도움이됩니다.효율적인 디자인으로 인해 많은 대역 통과 필터는 단단한 공간에 들어갈 수있을 정도로 컴팩트하여 최신 전자 시스템에 사용하기에 이상적입니다.

무선 통신과 같은 영역에서 이러한 필터가 종종 캐리어 신호를 분리 할 수 ​​있습니다.오디오 엔지니어링에서는 음질을 개선합니다.의료 기기에서는 정확한 생물학적 신호를 감지합니다.그리고 정확한 주파수 타겟팅이 필수 인 레이더 시스템에서.

제한

유용성에도 불구하고 대역 통과 필터에는 몇 가지 제약이 있습니다.설정 주파수 범위 내에서만 효과적으로 작동하므로 정확한 응용 프로그램을 위해 필터를 신중하게 설계해야합니다.작은 편차조차도 필터의 동작을 바꾸고 성능을 줄일 수 있기 때문에 올바른 저항, 커패시터 또는 인덕터 값을 선택하는 것은 위험합니다.

또 다른 일반적인 문제는 통과 대역의 가장자리 근처에서 발생합니다.신호가 컷오프 주파수에 접근함에 따라 패스에서 정지로의 전환은 완벽하지 않습니다. 이는 약간의 왜곡이나 신호 선명도의 손실을 유발할 수 있습니다.

정밀도가 높은 필터를 설계하려면 회로 동작에 대한 깊은 이해가 필요하며 종종 고급 설계 도구가 필요합니다.고성능 또는 심각한 미션 시스템 에서이 필터는 프리미엄 구성 요소와 더 엄격한 제조 공차를 요구할 수있어 비용과 복잡성을 모두 높일 수 있습니다.

대역 통과 필터 사용

대역 통과 필터는 특정 주파수 범위 내에서 신호를 분리하여 많은 기술 영역에서 사용됩니다.원치 않는 주파수 만 필터링하는 동시에 중요한 주파수 만 필터링하는 기능은 명확성, 정확성 또는 신호 제어가 필요한 시스템에서 유용하게 만듭니다.

무선 통신

스마트 폰, Wi-Fi 라우터 및 Bluetooth 액세서리와 같은 장치에서 대역 통과 필터는 각 통신 채널이 지정된 주파수 대역 내에 유지되도록합니다.겹치는 신호 사이의 간섭을 방지하여 더 명확한 데이터 전송 및보다 안정적인 연결을 허용합니다.

오디오 엔지니어링

사운드 시스템에서 대역 통과 필터는 오디오를 형성하고 정제하는 데 사용됩니다.이 평등 자, 스피커 크로스 오버 및 톤 제어 회로에 나타납니다.이 필터는 특정 주파수 만 통과하도록함으로써베이스, 미드 레인지 및 트레블의 균형을 잡는 데 도움이됩니다.

레이더 및 소나 시스템

레이더와 소나는 정확한 신호 감지에 의존합니다.대역 통과 필터는 배경 노이즈와 관련없는 주파수 구성 요소를 제거하여 대상을 반사하는 신호 만 남습니다.이는 공기 및 수중 환경 모두에서 추적, 내비게이션 및 객체 감지의 정확도를 향상시킵니다.

의료 영상

초음파 및 MRI와 같은 기술에서 이미지 품질은 신호 선명도에 크게 의존합니다.대역 통과 필터는 이러한 스캔에 사용 된 정확한 주파수를 분리하여 도움이됩니다.이것은 간섭을 줄이고 최종 이미지를 선명하게하여보다 정확한 의학적 진단을 돕습니다.

과학적 측정 도구

실험실 기기는 종종 소음을 포함한 신호의 혼합을 다룹니다.대역 통과 필터는 관련 데이터 만 추출하여 물리, 화학 및 엔지니어링과 같은 분야에서보다 정확하고 반복 가능한 측정을 수행 할 수 있습니다.

환경 모니터링

지진 교대, 대기 조건 또는 기타 자연 현상을 추적하는 악기는 대역 통과 필터를 사용하여 의미있는 주파수 대역에 중점을 둡니다.이는 관련이없는 배경 노이즈를 줄임으로써 지진 또는 압력 변화와 같은 특정 이벤트를 식별하는 데 도움이됩니다.

음악 제작 및 오디오 효과

대역 통과 필터를 사용하여 창의적으로 사운드를 만들 수 있습니다.이 필터는 신시사이저 톤을 제작하든 특수 효과를 설계하든, 사운드 스펙트럼의 일부를 분리하여 특정 요소를 강조하거나 억제하여 예술적 표현을 향상시키는 데 도움이됩니다.

지진학

지진 모니터링 및 분석에서는 특정 진동 주파수를 검사하는 것이 활발합니다.대역 통과 필터는 지진 파도를 분리하여 지상 동작을 쉽게 해석하고 조기 경고 시스템의 잠재적 패턴을 식별 할 수 있습니다.

생의학 신호 처리

ECG (심전도) 및 EEG (ElectroencePhalogram)와 같은 시스템은 대역 통과 필터를 사용하여 의미있는 생물학적 활동에 해당하는 주파수 범위에 중점을 둡니다.이를 통해 다른 신호의 간섭없이 심장 및 뇌 기능을 모니터링 할 수 있습니다.

대역 통과 필터에 대한 일반적인 문제 및 실제 수정

잘 설계된 대역 통과 필터조차도 실제 회로에서 구축되고 테스트되면 성능 문제에 직면 할 수 있습니다.일반적인 문제 영역을 인식하고이를 고치는 방법을 아는 것은 필터가 의도 한대로 수행되도록하는 데 도움이됩니다.아래는 당신이 직면 한 가장 일반적인 과제 중 일부와 실질적인 문제를 해결하는 방법입니다.

활성 필터의 불안정성

활성 대역 통과 필터에서 불안정성은 예측할 수없는 출력 신호 또는 자체 지속 진동으로 나타날 수 있습니다.이것은 종종 피드백 루프 내에서 게인 및 위상 관계의 제어가 나쁘다는 것입니다.게인이 너무 높거나 위상 마진이 너무 빡빡하면 회로가 불안정해질 수 있습니다.

고치는 방법?

디자인의 게인 레벨과 위상 마진을 검토하여 시작하십시오.피드백 경로, 특히 OP-AMP 회로에서 자세히 살펴보고 모든 구성 요소가 올바르게 작동하는지 확인하십시오.피드백 네트워크를 조정하거나 구성 요소 값을 조정하면 종종 시스템을 안정적인 작동 범위로 되돌릴 수 있습니다.

과도한 신호 손실 (높은 삽입 손실)

때로는 필터가 통과 대역 내에서 예상보다 신호를 더 많이 약화시킵니다.높은 삽입 손실로 알려진이 문제는 원하는 신호의 강도를 낮추어 전반적인 시스템 성능을 줄입니다.

고치는 방법?

응용 프로그램에 측정 된 삽입 손실이 허용되는지 확인하십시오.그렇지 않은 경우, 재 계산 구성 요소 값, 특히 필터의 품질 계수 (Q)에 영향을 미치는 값을 고려하십시오.너무 높거나 너무 낮은 Q는 손실을 증가시킬 수 있습니다.경우에 따라 필터의 입력 및 출력 임피던스를 주변 회로와 일치 시키면 신호 전달이 향상 될 수 있습니다.

컷오프 주파수 근처의 예기치 않은 응답

필터가 통과 대역 가장자리 근처에서 예상대로 작동하지 않는다는 것을 알 수 있습니다.원치 않는 신호를 통과하거나 통과 해야하는 신호를 차단할 수 있습니다.이는 일반적으로 컷오프 주파수가 계산 또는 구현되는 방식에서 부정확성을 가리 킵니다.

고치는 방법?

컷오프 주파수 공식을 다시 확인하고 실제 구성 요소 값이 명목 디자인과 일치하는지 확인하십시오.실제 구성 요소에는 공차가 있으며 작은 변형은 컷오프 지점을 이동할 수 있습니다.또한, 트레이스 사이의 길 잃은 커패시턴스 또는 구성 요소 리드의 의도하지 않은 인덕턴스와 같은 기생 효과는 필터의 주파수 응답을 변경할 수 있다고 생각합니다.이 기생충을 포함하여 회로를 시뮬레이션하십시오.이것은 종종 미묘한 문제를 보여주고 응답을 목표로 되돌려 놓는 조정을 안내하는 데 도움이됩니다.

결론

대역 통과 필터는 전자 시스템의 특정 주파수 대역을 정리하고 집중하는 데 유용합니다.우리는 그들의 설계, 유형 및 사용을 탐색했으며 의료 이미징에서 무선 통신에 이르기까지 다양한 영역에서 신호 선명도를 향상시키는 데 얼마나 중요한지를 보았습니다.몇 가지 문제가 발생할 수 있지만, 우리가 이야기 한 솔루션은 이러한 필터가 잘 작동하여 현대 전자 제품의 효율성을 지원합니다.기술이 발전함에 따라 대역 통과 필터의 중요성이 성장할 것으로 예상되며 신호 처리를보다 깨끗하고 정확하게 만들어 다양한 산업에 계속 영향을 미칩니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

1. 이상적인 대역 통과 필터는 무엇입니까?

이상적인 대역 통과 필터는 통과 대역으로 알려진 특정 범위 내의 모든 주파수를 완벽하게 전송하고 정지 대역이라고하는이 범위 외부의 주파수를 완전히 차단합니다.통과 대역 가장자리에서 날카로운 컷오프로 이것을 달성합니다. 즉, 점진적인 전환이 없음을 의미합니다.통과 대역 외부의 주파수는 완전히 감쇠됩니다.실제적인 용어로, 실제 필터는 항상 통과 대역과 스톱 밴드 사이의 어느 정도의 전환을 나타 내기 때문에 이러한 완벽한 특성은 명목상입니다.

2. 대역 통과 필터의 목적은 무엇입니까?

대역 통과 필터의 주요 기능은 해당 범위 외부의 주파수를 차단하면서 특정 범위 내의 주파수가 통과하도록하는 것입니다.이것은 다른 신호의 간섭없이 전송 또는 수신을 위해 특정 주파수를 분리 해야하는 무선 통신과 같은 응용 프로그램에 사용됩니다.예를 들어, 무선 수신기에서, 대역 통과 필터는 특정 방송 스테이션의 주파수 만 선택하여 명확한 수신 및 소음을 ​​최소화 할 수 있습니다.

3. 대역 통과 필터는 방향이 있습니까?

대역 통과 필터는 일반적으로 비 방향입니다.이것은 그들이 통과하는 신호의 방향에 관계없이 동일하게 작동한다는 것을 의미합니다.신호가 일반적으로 출력 또는 입력 측면으로 간주 될 수있는 것과 유입되는지 여부에 관계없이 주파수 선택성 측면에서 필터의 동작은 일관성이 유지됩니다.

4. 필터는 어떻게 등급이 매겨져 있습니까?

필터는 종종 대역폭, 선택성 및 삽입 손실과 같은 성능 특성에 따라 등급이 매겨집니다.선택성은 필터가 원하는 주파수와 바람직하지 않은 주파수를 얼마나 잘 구별 할 수 있는지 측정합니다.대역폭은 필터가 허용하는 주파수 범위와 관련이 있으며 삽입 손실은 필터로 인해 손실 된 신호 전력의 양을 나타냅니다.필터는 또한 주문에 의해 등급이 매겨지며, 고차 필터는 더 선명한 컷오프와 더 나은 선택성을 제공하지만 일반적으로 더 복잡한 디자인이 필요하고 잠재적으로 더 큰 신호 왜곡을 도입해야합니다.

5. 필터 등급의 목적은 무엇입니까?

필터 등급은 필터의 작동 기능 및 제한에 대한 유용한 정보를 제공합니다.주파수 범위, 효율성, 전력 처리 및 환경 공차와 같은 매개 변수를 자세히 설명하여 특정 응용 프로그램에 적합한 필터를 선택하는 데 도움이됩니다.등급은 오디오 시스템에서 노이즈를 필터링하거나 전기 회로에서 고조파 주파수를 차단하는지 여부에 관계없이 필터가 지정된 역할에서 예상대로 수행되도록합니다.이러한 등급은 필터를 필요에 맞추기 위해 심각하게 시스템 무결성과 성능을 보장합니다.