Sallen-Key 필터를 이용한 능동 RC 필터 설계 및 실험

본 내용은 " [2024/A+]서울시립대_전전설3_실험5_예비 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.03.12

문서 내 토픽

• 1. 능동 RC 필터 (Active-RC Filter)

  능동 소자와 RC로 이루어진 필터 회로로, 주로 OP Amp를 이용하여 저주파 영역에서 사용된다. 수동 필터와 달리 인덕터를 사용하지 않아 품질계수의 이득을 볼 수 있으며, 높은 전압 이득과 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스를 갖는다. OP Amp 자체가 RC 회로로 이루어져 있어 고주파 영역에서는 사용이 제한된다.

• 2. Sallen-Key 필터

  1개의 OP Amp로 2차 특성을 얻을 수 있는 필터 회로이다. 전달함수를 통해 주파수의 크기특성과 위상특성을 구할 수 있으며, Quality Factor(Q값)와 차단주파수를 계산할 수 있다. R과 C의 위치에 따라 저주파 통과 필터(LPF) 또는 고주파 통과 필터(HPF)로 동작한다.

• 3. 저주파 통과 필터 (Low Pass Filter, LPF)

  저주파 성분만 통과시키는 2차 특성의 필터 회로이다. 회로의 커패시터 개수에 따라 차수가 결정된다. 주파수 특성은 전달함수의 절대값으로 표현되며, 설정된 차단주파수 이상의 신호는 감쇠된다.

• 4. 고주파 통과 필터 (High Pass Filter, HPF)

  고주파 성분만 통과시키는 2차 특성의 필터 회로이다. LPF 회로에서 R과 C의 위치를 바꾸면 같은 주파수에서 반대 특성을 나타낸다. 저주파 신호는 감쇠되고 고주파 신호는 통과된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 능동 RC 필터 (Active-RC Filter)

  능동 RC 필터는 현대 전자 회로 설계에서 매우 중요한 역할을 합니다. 수동 RC 필터와 달리 연산 증폭기(Op-Amp)를 사용하여 능동 소자를 포함함으로써 더 나은 성능을 제공합니다. 주요 장점으로는 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스, 그리고 이득 조절이 가능하다는 점이 있습니다. 또한 수동 필터에서 발생하는 신호 감쇠 문제를 해결할 수 있으며, 더 가파른 롤오프 특성을 구현할 수 있습니다. 다만 전원 공급이 필요하고 회로 복잡도가 증가한다는 단점이 있습니다. 신호 처리, 오디오 장비, 의료 기기 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다.

• 2. Sallen-Key 필터

  Sallen-Key 필터는 능동 RC 필터의 가장 대표적인 구현 방식 중 하나로, 간단한 구조와 우수한 성능의 균형을 잘 맞춘 설계입니다. 단일 연산 증폭기와 수동 소자들로 구성되어 있어 비용 효율적이며 구현이 용이합니다. 특히 저차 필터 설계에 매우 적합하며, 다양한 필터 특성(Butterworth, Chebyshev 등)을 쉽게 구현할 수 있습니다. 높은 입력 임피던스로 인해 신호원에 미치는 부하가 적고, 이득 조절이 간단합니다. 다만 고주파 대역에서 연산 증폭기의 대역폭 제한으로 인한 성능 저하가 발생할 수 있으며, 부품 공차에 민감할 수 있다는 점을 고려해야 합니다.

• 3. 저주파 통과 필터 (Low Pass Filter, LPF)

  저주파 통과 필터는 신호 처리에서 가장 기본적이고 널리 사용되는 필터입니다. 고주파 노이즈를 제거하고 저주파 신호를 통과시키는 역할을 하며, 오디오 처리, 센서 신호 조건화, 전력 전자 등 다양한 응용 분야에서 필수적입니다. 설계가 간단하고 구현이 용이하며, 수동 소자만으로도 기본적인 필터링이 가능합니다. 능동 LPF는 더 나은 성능과 조절 가능성을 제공합니다. 다만 필터의 차수가 높을수록 신호의 위상 지연이 증가하고, 컷오프 주파수 설정이 응용에 따라 신중하게 결정되어야 합니다. 적절한 설계는 시스템의 신호 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 4. 고주파 통과 필터 (High Pass Filter, HPF)

  고주파 통과 필터는 저주파 신호와 DC 성분을 제거하고 고주파 신호를 통과시키는 중요한 필터입니다. 오디오 시스템에서 저주파 잡음 제거, 교류 신호 추출, 고주파 신호 검출 등에 광범위하게 사용됩니다. LPF와 마찬가지로 설계와 구현이 상대적으로 간단하며, 능동 HPF는 더 나은 성능을 제공합니다. 특히 커플링 용도로 자주 사용되어 DC 오프셋을 제거하면서 AC 신호를 전달합니다. 다만 매우 낮은 컷오프 주파수를 구현할 경우 큰 커패시턴스가 필요하여 부품 크기와 비용이 증가할 수 있습니다. 응용에 맞는 적절한 컷오프 주파수 선택이 시스템 성능에 중요한 영향을 미칩니다.