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1. 능동 필터 회로
1.1. 능동 필터 회로의 개요
능동 필터 회로의 개요는 다음과 같다.
능동 필터 회로는 전압이득이나 임피던스 특성을 유지하기 위하여 트랜지스터나 연산증폭기와 같은 능동소자로 구성되는 회로이다. 능동 필터는 수동 필터에 비해 신호가 감쇠되지 않고 높은 이득을 제공할 수 있으며, 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가져 구동원과 부하의 영향을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한 능동 필터는 넓은 주파수 범위에서 필터 특성을 조정하기 용이하다는 장점이 있다.
능동 필터는 주파수 특성에 따라 저역통과 필터, 고역통과 필터, 대역통과 필터, 대역저지 필터 등의 다양한 유형으로 구현될 수 있으며, 각각의 회로 구성과 동작 원리가 다르다. 이러한 능동 필터 회로는 전자기기, 통신 시스템, 음향 시스템 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다.
1.2. 능동 필터의 종류
1.2.1. 능동 저역통과 필터
능동 저역통과 필터는 전압이득이나 임피던스 특성을 유지하기 위하여 트랜지스터나 연산증폭기와 같은 능동소자로 구성되는 회로이다. 입력회로는 단극(Single Pole) 저역통과 RC 회로로 구성되어 있으며, 단위이득의 부궤환 루프를 갖는 비반전 연산증폭기(전압플로어)와의 결합으로 구현된다.
비반전 단자의 전압 V_p는 R과 C의 전압분배기 형태이므로 다음과 같이 구해진다. V_p = (X_c / sqrt(R^2 + X_c^2)) * V_in 연산증폭기가 전압플로어(Voltage Follower)이므로 전압이득은 1이 되어 출력전압 V_out은 V_p와 같다. 즉, V_out = (X_c / sqrt(R^2 + X_c^2)) * V_in
만약 연산증폭기의 내부 차단주파수가 저역통과 필터의 차단주파수 f_c보다 매우 크다고 가정하면, 필터의 전압이득은 -20dB/decade의 기울기를 가지게 된다. 또한 R=X_C가 되는 주파수를 차단주파수 f_c라 정의하면 f_c는 다음과 같이 표현된다. f_c = 1 / (2πRC)
이러한 단극 또는 1차 필터 구성 외에도 2개의 RC회로를 연산증폭기와 결합하여 능동 저역통과 필터를 구현할 수 있다. 이를 버터워스(Butterworth) 필터라고도 부르며, 통과대역에서 매우 평탄한 진폭을 가지기 때문에 "진폭이 가장 평탄한 필터"라고 한다. 2개의 RC회로에서 각각의 차단주파수는 다음과 같이 계산할 수 있다. f_c = 1 / (2π√(R1*R2*C1*C2))
만약 R1=R2≡R, C1=C2≡C라 놓으면 위 식은 f_c = 1 / (2πRC)로 단순화된다. 이를 통해 2차 버터워스 필터의 차단주파수를 쉽게 계산할 수 있다.
이처럼 능동 저역통과 필터는 연산증폭기와 RC 회로를 적절히 결합하여 구현할 수 있으며, 단극 또는 2극 구조로 설계할 수 있다. 2극 구조의 경우 통과대역에서 매우 평탄한 진폭 특성을 가져 보다 정밀한 저역통과 필터 설계가 가능하다.
1.2.2. 능동 고역통과 필터
능동 고역통과 필터는 연산증폭기를 이용하여 구현된 필터로, 고주파 신호는 통과시키고 저주파 신호는 차단하는 역할을 한다. 그림 22-3은 능동 고역통과 필터의 회로와 응답특성곡선을 도시한 것이다.
능동 고역통과 필터의 입력회로는 단극 고역통과 RC 회로로 구성되어 있으며, 단위이득의 부궤환 루프를 갖는 비반전증폭기(전압플로어)와의 결합으로 구현되어 있다. 그림 22-3(a)에서 비반전 ...
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