활성 필터

Active filter
액티브 파워 필터와 혼동하지 마십시오.
Sallen-Key 토폴로지의 하이패스 활성 필터의 예. 작동 증폭기는 완충 증폭기로 사용된다.

능동 필터는 능동 구성 요소, 일반적으로 증폭기를 사용하여 전자 필터를 구현하는 아날로그 회로의 한 유형이다. 필터 설계에 포함된 증폭기를 사용하여 필터의 비용, 성능 및 예측 가능성을 개선할 수 있다.[1]

증폭기는 다음 단계의 부하 임피던스가 필터 특성에 영향을 미치지 않도록 방지한다. 활성 필터는 부피가 크거나 비싼 인덕터를 사용하지 않고 복잡한 폴과 0을 가질 수 있다. 반응의 모양, Q(품질 인자) 및 튜닝된 주파수는 종종 저렴한 가변 저항기로 설정될 수 있다.[2] 일부 활성 필터 회로에서는 다른 회로에 영향을 주지 않고 한 파라미터를 조정할 수 있다.[1]

종류들

1974년식 KROHN-HITE 모델 3500 필터.

활성 요소를 사용하는 데는 몇 가지 한계가 있다. 기본 필터 설계 방정식은 한정된 증폭기 대역폭을 무시한다. 사용 가능한 활성 장치는 대역폭이 제한적이기 때문에 높은 주파수에서는 비실용적인 경우가 많다. 증폭기는 전력을 소비하고 노이즈를 시스템에 주입한다. 증폭기 요소에 대한 바이어스 전류를 위해 DC 경로가 제공되지 않는 경우 특정 회로 위상은 비실용적일 수 있다. 파워 핸들링 기능은 앰프 단계에 의해 제한된다.[3]

활성 필터 회로 구성(전자 필터 토폴로지):

액티브 필터는 패시브 필터와 동일한 전송 기능을 구현할 수 있다. 공통 전송 기능은 다음과 같다.

  • 하이패스 필터 – 컷오프 지점 아래의 주파수 감쇠
  • 저역 통과 필터 – 컷오프 지점 위의 주파수 감쇠
  • 대역 통과 필터 – 통과가 허용되는 주파수 위와 아래로 모두 감쇠
  • 밴드 스톱 필터(노치 필터)[4] – 특정 주파수의 감쇠와 다른 주파수는 모두 통과할 수 있음
노치와 하이패스(범행하는 대부분의 럼블 필터에서 특정 주파수에서 나오는 럼블 필터)와 같은 조합이 가능하다. 또 다른 예는 타원형 필터다.

활성 필터 설계

참고 항목: 필터 디자인

필터를 설계하기 위해 설정해야 하는 사양은 다음과 같다.

  • 주파수 응답의 모양과 함께 원하는 주파수(패스밴드)의 범위. 이는 필터의 다양성(위 참조)과 중심 또는 코너 주파수를 나타낸다.
  • 입력 및 출력 임피던스 요구 사항. 이 경우 사용 가능한 회로 위상이 제한된다. 예를 들어, 모든 활성 필터 위상이 버퍼링된(저임피던스) 출력을 제공하는 것은 아니다. 그러나 작동 증폭기의 내부 출력 임피던스를 사용할 경우 고주파수에서 현저하게 상승하여 예상된 감쇠량을 감소시킬 수 있다는 점을 기억하십시오. 일부 하이패스 필터 토폴로지는 입력을 거의 고주파 측 단락으로 표시한다는 점에 유의하십시오.
  • 활성 요소의 동적 범위. 앰프는 예상 입력 신호에 포화 상태(전원 공급 레일과 충돌)가 되지 않아야 하며, 소음이 지배하는 낮은 진폭에서 작동해서는 안 된다.
  • 원하지 않는 신호가 거부되어야 하는 정도.
    • 협대역 대역 통과 필터의 경우 Q는 -3dB 대역폭과 중심 주파수에서 멀리 떨어진 주파수의 거부 정도를 결정한다. 이 두 요건이 충돌할 경우 시차 조정 대역 통과 필터가 필요할 수 있다.
    • 노치 필터의 경우 노치 주파수에서 원하지 않는 신호를 거부해야 하는 정도가 구성 요소의 정확도를 결정하지만, 노치의 원하는 가파도에 의해 제어되는 Q(즉, 감쇠 전 노치 주위의 대역폭)는 결정하지 않는다.
    • 하이패스 및 로우패스(중앙 주파수에서 멀리 떨어진 대역 패스 필터뿐만 아니라)의 경우, 필요한 제거는 필요한 감쇠 기울기를 결정할 수 있으며, 따라서 필터의 "순서"를 결정할 수 있다. 2차 전지 필터는 옥타브(40dB/decade)당 약 12dB의 궁극적인 경사를 주지만 코너 주파수에 가까운 경사는 훨씬 적어 때로는 필터에 노치를 추가해야 한다.
  • 고역 및 저역-통과 필터의 통과 대역 내에서 허용되는 "리플"(평탄한 응답으로부터의 분리, 데시벨 단위)과 코너 주파수 근처의 주파수 응답 곡선의 형상은 감쇠비 또는 감쇠 계수(= 1/(2Q)를 결정한다. 이것은 또한 위상 반응과 사각파 입력에 대한 시간 반응에도 영향을 미친다. 몇 가지 중요한 반응 형상(잠금 비율)은 잘 알려진 이름을 가지고 있다.
    • 체비셰프 필터 – 코너 전 패스밴드 피킹/리플, 2차 필터의 경우 Q>0.7071.
    • Butterworth 필터 – 최대 평판 진폭 응답, 2차 필터의 경우 Q=0.7071
    • Legendre-Papoulis 필터 – 더 가파른 내리막길을 위해 패스밴드 내 일부 평탄도를 여전히 단조롭지만 교환한다.
    • Linkwitz-Riley 필터 – 오디오 크로스오버 애플리케이션에 적합한 속성, 오버슈트 없이 가장 빠른 상승 시간, Q = 0.5(심각하게 감쇠)
    • Paynter 또는 과도 Tomputer-Butterworth 또는 "compression" 필터 – Besel보다 빠른 하강; 2차 필터의 경우 Q=0.639
    • 베셀 필터 – 최대 플랫 그룹 지연, 2차 필터의 경우 Q=0.577. 그것은 좋은 선형 위상을 제공한다.
    • 타원형 필터 또는 Cauer 필터 – 패스밴드 바로 바깥쪽에 노치(또는 "0")를 추가하여 노치 없는 순서와 댐핑 비율의 조합보다 이 지역에서 훨씬 더 큰 경사를 제공한다. 출력은 이상적인 필터(즉, 통과 대역과 정지 대역의 좋은 평탄한 응답)와 유사하다.

패시브 필터와 비교

활성 필터는 게인(gain)을 가질 수 있으며, 입력에 비해 신호에서 사용할 수 있는 전력을 증가시킨다. 패시브 필터는 신호에서 에너지를 방출하고 순 전력 이득을 얻을 수 없다. 예를 들어 오디오 주파수 이하에서와 같은 일부 주파수 범위의 경우 활성 필터는 인덕터를 사용하지 않고도 주어진 전송 기능을 실현할 수 있는데, 인덕터는 저항기와 캐패시터에 비해 상대적으로 크고 비용이 많이 드는 구성 요소로서 요구되는 고품질과 정확한 값으로 만드는 데 더 비싸다. 사용 가능한 캐패시터는 상대적으로 값이 낮기 때문에 통합 회로 영역을 차지하는 고값 저항기가 필요하기 때문에 칩에 완전히 통합된 활성 필터에는 이러한 이점이 그다지 중요하지 않을 수 있다. 활성 필터는 단계 간 분리가 양호하며, 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 제공할 수 있다. 이는 소스와 로드 임피던스와 독립적인 특성을 만든다. 특성을 개선하고자 할 때 여러 단계를 계단식으로 진행할 수 있다. 이와는 대조적으로, 다중 단계 패시브 필터의 설계는 선행 단계의 각 단계의 주파수 의존적 하중을 고려해야 한다. 패시브 필터에 비해 넓은 범위에서 액티브 필터를 튜닝할 수 있도록 하는 것이 실현 가능하다. 인덕터를 사용하지 않기 때문에 필터는 매우 콤팩트한 크기로 만들 수 있으며 존재할 수 있는 자기장을 생성하거나 상호작용하지 않는다.

능동형 필터와 비교했을 때, 수동형 필터는 추가적인 전원 공급이 필요하지 않다. 활성 필터의 증폭 장치는 처리할 전체 주파수 범위에 걸쳐 예측 가능한 이득과 성능을 제공해야 한다. 증폭기의 게인 대역폭 제품은 사용할 수 있는 최대 주파수를 제한한다.[5][6]

참고 항목

참조

  1. ^ a b 돈 랭커스터, 액티브-필터 쿡북, 하워드 W. 샘스앤코, 1975년 ISBN0-672-2168-8페이지
  2. ^ "Op-amp Band Pass Filter". Basic Electronics Tutorials. 2013-08-14. Retrieved 2018-12-26.
  3. ^ 무함마드 H. 라시드, 마이크로 전자 회로: 분석 및 디자인, Cengage Learning, 2010 ISBN 0-495-66772-2, 804페이지
  4. ^ "Band Stop Filters are called Reject Filters". Basic Electronics Tutorials. 2015-10-20. Retrieved 2018-12-26.
  5. ^ Don Lancaster, Active-Filter Cookbook, Exvier Science, 1996 ISBN 9780750629867
  6. ^ "Basic Introduction to Filters - Active, Passive, and Switched-Cap (Rev. A) Analog & Mixed-Signal SNOA224A - TI.com" (PDF). www.ti.com. Retrieved 2020-02-03.

외부 링크