RB1 = 470Ω RB2 = 360Ω RC = 470Ω RE = 620ΩVc 의 측정값은 3.83v 이며 VE의 측정값은 1.656v이 나왔으므로 이 두 값을 빼 주면VCE의 값 2.2v가 나옴.Ic 는 옴의 법칙에 의해 Rc/VRC의 수식이성립이 되므로 위와 같은 값이나오게 되었다.그래프를 보면 부하저항을 제거 한 뒤에도 증폭이 정상 동작하고 있는 것을 볼 수 있다.입력 CH1 94.0mv에서 출력 CH2 2.52v로출력전압은 정상적으로 작동되고 있습니다.Fc의 주파수는 Vmax일 때 의 주파수를 측정해야 하므로 더 이상의 V가 증가하지 않을 때의 주파수 값은 94.9 였으며 Vmax의 값은 2.56 이였다.FL 의 주파수는 Vmax*0.7의 공식에 의해 Vmax(2.56v)*0.7 = 1.792v가 나오는데 이 값이 나오는 지점이 FL 의 주파수이다.Fu 의 주파수는 FL 과 같은 방법으로 주파수라인이 올라갈 때 3dB 차이나는 지점의 주파수 이다.0.1FL의 주파수는 FL 주파수 값에 0.1를 곱하여 준 값 이므로 1.71231HZ가 된다.10Fu의 주파수는 Fu의 주파수 값에 10을 곱하여 준 값 이므로 16MHZ가 되지만펑션제너레이터로 측정 할 수 없는 값이므로 측정불가이다.Fc, FL , Fu, 0.1FL 의 진폭은 진폭의 공식 20log10*Av(여기에서 Av 는 Vout/Vin)을 이용하여 계산하게 되면Fc 의 진폭은 Vout이 2.56v Vin이 100mv 이므로 계산하면 다음과 같이 된다.FL 의 진폭은 Vout이 1.80v Vin이 96.0mv 이므로 계산하면 다음과 같이 된다.Fu 의 진폭은 Vout이 1.80v Vin이 80.0mv 이므로 계산하면 다음과 같이 된다.0.1FL 의 진폭은 주파수가 1.71231KHZ 이지만 근사값인 1.67KHZ일때 Vout이 240mv Vin이 96.0mv 이므로 계산하면 다음과 같이 된다.φFu와 φFL 위 φFc와 φ0.1FL 같은 방법으로 주파수와 절대차를 구하여 계산을 해주면 아래와 같은 값이 나오게 된다.최종 결과 표(주파수, 진폭, 위상)RL1 = 1KΩ으로 측정 하였을 경우 V1의 값은 1.94v ~ 1.96v 이였다.*V1의 값이 1.94 ~ 1.96으로 변동하여 사진과 계산식의 V1의 값이 약간 달랐다.따라서 RL1 = 1KΩ V1 = 1.94vRL2 = 2KΩ으로 측정 하였을 경우 V2의 값은 2.18v ~ 2.20v 이였다.RL2 = 2KΩ으로 측정 하였을 경우 V2의 값은 2.18v ~ 2.20v 이였다.따라서 RL2 = 2KΩ V2 = 2.18v최종 결과 값위에 나온 결과 값과 트렌지스터의 컬렉터에 연결된 저항 값을 비교하여 비슷하면 실험은 성공 한 것이다.따라서 Rc의 값(360)과 위 식의 결과 값이 비슷하므로 실험은 성공하였습니다.
1. 전기 신호의 주파수를 선택하는 필터가 무엇인지 공진(resonance) 관점에서 논하시오.(1) 전기적 공진전기적 공진은 소위 말하는 LC 공진을 말한다. RF관점에서 본 L과 C 에서 보았듯이, 인덕터와 캐패시터는 전/자기 에너지 축적소자이다. 그러한 순간적인 전자기 에너지 축적과 방출 특성 때문에, 캐패시터와 인덕터는 정 반대의 주파수 특성을 보이게 된다. 인덕터는 주파수가 낮을수록 통과를 잘 시키는 특성이 있고, 캐패시터는 반대로 주파수가 높을수록 잘 통과시키게 된다. 이러한 두 특성의 소자가 한꺼번에 직/병렬로 붙으면 다음 그림과 같이 된다.같은 주파수상에서 인덕터는 통과하지 못하도록 힘을 줄 것이며, 캐패시터는 통과할 수 있도록 힘을 쓰게 된다. 그리고 둘 중에 더 강한 소자에 따라 특정 주파수에서의 통과특성이 결정된다. 그렇게 평형을 이룬 상태의 결과는 아래 그림과 같은 형상이 나오게 된다. (그림은 병렬공진 이다)위의 예와 같은 병렬공진의 경우는 5GHz에서 S21이 -40dB로 매우 작아진다. 즉 5GHz의 신호를 통과하지 못하게 막고 있는 band reject (notch) 특성이 나타나고 있다. 이런 식으로 주파수를 선택적으로 막거나 통하게 할 때 우리는 공진(resonance)가 일어났다고 표현 할 수 있다.인덕터와 캐패시터의 특성만 잘 파악하면, 두 개의 특성 그래프가 섞였을 때 위와 같은 공진그래프가 나오는 것은 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 이것은 인덕터와 캐패시터가 서로의 특성을 나타내기 위해 밀고 당기기를 하다 두 소자에 절충점을 찾다가 주파수가 일치하는 지점이 결정 된것이다.RF에서 인덕터와 캐패시터는 많은 유용한 특성을 갖고 있는데, 뭐니뭐니 해도 이처럼 L,C값의 조절에 의해 특정?주파수에 대해?선택적 특성을 만들 수 있다는 점, 즉 공진을 쉽게 유발해낼 수 있다는 점이?가장 중요하다고도 볼 수 있습니다.(2) 필터에서의 L과 C필터는 기본적으로 L과 C 성분의?직병렬 조합을 통해 만들어 진다. L과 C 자체를 잘 생각해보면 각각 Lowpass 특성과 Highpass 특성을 갖고 있다는 것을 알수 있다. 그걸 좀 더 다듬고 조합해서 원하는 주파수, 원하는 감쇠 특성을 가지는 어떤 구조를 만든 것, 그것이 바로 ' Filter '?이다.아래의 LPF 그림을 번호 순서에 맞게 보면그림에 설명처럼 HPF의 경우는 L과 C의 소자 위치를 정반대로 바뀐 것이다. 결국 모든 filter는 저런 Inductance와 Capacitance를 잘 조절해서 만드는 것이다. 한 가지 꼭 inductor, capacitor소자같은?lumped element로만 만드는 것은 아니라, 어떤 구조든 Inductance와 capacitance를 유발할 수 있다면 그것들을 조합하여 다 filter로 만들 수 있다는 점을 명심해야한다.(3) 주파수 Filtering의 원리 : L + C = 공진!!필터란 만들어질 수 있는 결정적인 원리는 바로 L과 C의 조합에?의한 공진입니다.L,C의 의미를 다시한번 정의하면..구 분내 용L (inductance)주파수가 올라갈수록 통과가 잘 안되는 특성C (Capacitance)주파수가 올라갈수록 통과가 잘되는 특성이러한 L,C 의 근본적인 주파수특성만 봐도 알 수 있듯이, 이 두가지의 조합을 잘 꾸미면 원하는 주파수는 잘 통과시키고, 원하지 않는 주파수는 차단해 버릴 ?수 있다. L과 C 하나씩을 이용하여 구현 가능한?최소한의 2차 필터 기본형은 아래와 같다.PCB에 직접 땜질하는 lumped element 소자의 L, C는 공진필터와 같은 구조적인 형태의 필터와 원리는 같다.?L,C 라고 말하면 눈에 보이는 조그만 소자들만 생각하게 되는데 그것은 L,?C 성분을 특별히 강조해서 만들어진 전용 소자일 뿐, 흔히 inductance/capacitance 라 부르는 개념은 어떤 소자를 지칭하는게 아니라 위와 같은 주파수 통과/감쇄 특성을 가지는 어떤 구조나 현상 그 자체를 말하는 것이다. 구조적인 공진 필터도 결국 L , C 등가회로로 구현이 가능하고, 모양이 달라 보일 뿐 분석을 해보면 결국 등가의 inductance?성분과 capacitance 성분을 추출해낼 수 있다.결국 모든 필터의 근본 원리는 이러한 L, C 성분의 조합이라는 점을 명심해야 한다.2. 필터 이론에 등장하는 대역폭(bandwidth)과 Q-factor(quality factor)를 설명하시오.(1) Filiter의 종류 1 - 대역특성에 따른 분류필터는 정의하기에 따라서 여러 가지 분류법에 의해 구분된다.어느 주파수 대역을 통과키는지에 대한?특성에 따라 필터는 4가지의 종류로 구분할 수 있다.1. LPF (Low Pass Filter : 저역통과 여파기)??모든 필터의 기본형이라 할 수 있는 것이 바로 이 LPF이다. 가장 간단한 형태로 구현되어, 이것을 기반으로 여러 가지 형태로 변환하여 다른 종류의 필터를 만들게 된다.주로 고주파 잡신호를 걸러내어 저주파의 필요한 신호만을 골라낼 때 많이 사용되는 filter구조로써 전원단에서 저주파 ripple을 제거하기 위한 용도 및, 고주파 spurious 제거, 고조파 억제와 각종 검파등 전분야에 걸쳐 고루 사용되는 필터형태이다.특성적으로는 모든 필터의 기본형으로서, 우선 LPF 형태의 필터를 구현하고서 그것을 변화하여 다른 형태의 필터로 구현하는 경우가 많다. 그래서 필터를 익히려면 제일먼저 LPF의 구조와 원리에 대해 익혀야 하게 되는 것이다.2. BPF (Band Pass Filter : 대역통과 여파기)??RF Filter 중에서도 최고의 주연급 배우는 역시 BPF이다. 여러 주파수를 잘 게 나누어 쓰는 현대 RF에서, 원하는 주파수대역만 정확하게 골라내야 하는 BPF의 역할은 너무나도 중요한 문제이다.수신단에서는 수많은 잡주파수 중에서 필요한 주파수만 정확히 골라내야 하고, 송신단에서는 불필요한 잡주파수가 발신되지 않도록 송신주파수만 잘 걸러서 내보내야 한다. 이렇듯 시스템마다 사용해야 할 주파수가 정확히 정해져있고, 이것을 국한시켜주는 것이 결국 BPF의 일이다.그렇기 때문에 특성과 application에 따라 매우 다양한 형태의 필터로 구현되게 된다. filter와 관련된 거의 모든 최신 기술의 90%는 이 BPF에 몰려있다고 해도 과언이아닌, 그야말로 filter 중에서도 주인공 그 자체이다.3. HPF (High Pass Filter : 고역통과여파기)LPF와 정반대라서 왠지 자주 쓰일 것도 같지만, 실제로는 매우 제한되 용도로 사용되는 필터이다. 무엇보다 HPF 형태의 필터는 distributed type으로는 구현하기가 어렵다는게 가장 큰 문제이다. 낮은 주파수의 감쇄를 막아서 LPF로 구현하는 것은 쉽지만, 높은 주파수의 감쇄를 막아서 HPF로 구현하는 것은 어렵다.그럼에도 불구하고 매칭구조등에서 저주파 발진을 최소화하기 위해서 HPF 형태를 종종 사용하게 된다. 모든 매칭단이 LPF형태로 구성되면 고조파는 많이 억제되겠지만, 저주파에 불필요한 이득이 많아져서 발진이 나는 경우도 종종 발생하기 때문에, HPF 형태구조의 매칭단도 함께 겸해서 사용하기도 한다..여하튼 상대적으로 적게 사용되긴 하지만 그렇다고 전혀 안쓰는 것도 아닌.. 저주파를 막아야 할 때는 사용되는 형태의 필터이다.4. BSF (Band Stop Filter, BRF - Band Reject Filter, Notch Filter?: 대역저지 여파기)말그대로 BPF와는 정반대로, 모든 주파수대역은 잘 통과시키면서 특정 대역의 주파수만 통과시키지 않는 형태의 필터이다.주로 특정 주파수의 유입만 차단하기 위해 사용되며, 보기보다 RF시스템 여러군데에서 곳곳에 유용하게 사용될 수 있다.
필터목적 : 원하는 주파수 신호를 선택할 수 있는 BPF(Band Pass Filter)의 원리를이해하고 설계 및 제작 할 수 있다예비보고서(120점)1. 전기신호의주파수를선택하는필터가무엇인지공진(resonance)관점에서논하시오.(20점)인덕터와 커패시터의 특성에 의해서 이 둘을 조합하게 되면,특정 주파수에 대하여 저항이 0이 되어버린다.이때 주파수를 '공진주파수'라고 한다.이러한 특성을 이용하여 라디오나 TV 휴대폰등에서 우리들이 반드시 필요한 신호만을추출할 수 있게 된다즉 공진주파수라는것은 어떤회로에 가장 큰 전력을 얻기 위해 쓰는 어떤 주파수 이다.회로에 포함되는 L과 C에 의해서 정해지는 고유 주파수와 전원의 주파수가 일치하면 공진 현상을 일으켜 전류 또는 전압이 최대가 된다. 이 주파수를 공진 주파수라 하고, R, L, C의 직렬 회로에서 일어나는 직렬 공진과 R, L, C의 병렬 회로에서 일어나는 병렬 공진에서 공진 주파수 f0는 다음 식으로 구해진다.공식 = * R 저항 L 인덕터 C 커패시터공진 이란 : 대략적인 뜻은 두개이상의 무엇인가 조화되어, 극대화시키는 현상이라고 할 수 있다필요한 이유 : 현대 사회에는 수 많은 전파가 존재하기 때문에 자신에게 필요치 않은 정보는 잡음이 되기 때문임. 예를 든다면 동시에 여러 명이 말을 할 때 한명만 집중하여 듣는데 이것이 하나의 예가 될 수 있다.즉 필요한 신호만 얻을 수 있다는 점이다.사용하는 곳 : 회로(필터, 안테나)필터(여파기)의 경우 정수기 필터와 같이 필요한 신호만 걸러낸다.안테나는 한마디로 끊어진 선로이며 더 이상 전기신호가 진행할 수가 없는 상태이므로, 일반적인 선로가 그렇게 된다면 open(개방)된 회로처럼 신호가 더 이상 갈 곳이 없어서 전반사해서 돌아오게 됨.하지만 안테나는 그 끝단을 특정 주파수에서 공진하게 함으로써, 신호가 되돌아가지 않고 어떤 전자기장 형태의 에너지가 형성되어 외부로 뻗쳐나가도록 해준다.2. 필터 이론에 등장하는 대역폭(bANDWIDTH)과 Q-factor(quality factor)를 설명하시오.(40점)대역폭은 특정한 기능을 수행할 수 있는 주파수의 범위로, 헤르츠 단위로 측정된다. 대역폭은 정보 이론, 무선 통신, 신호 처리, 분광학 등 여러 분야에서 중요한 개념으로 다룬다. 셰논 하틀리(Shannon-Hartley) 이론에 따르면, 신뢰성 있는 통신의 자료 전송율(data rate)은 통신을 위해 쓰이는 신호의 주파수 범위에 밀접하게 비례한다. 여기서 말하는 대역폭이라는 용어는 통신 시스템의 자료 전송율 또는 주파수 범위(또는 둘 다)를 말한다. 이를테면, 무선 통신에서는 변조된 반송파(carrier wave)가 차지하는 주파수 범대역폭이라고 한다.대역폭은 한 가지로 정확하게 정의하기 힘든 개념이며, 주파수 영역에서 특정 기능이 얼마나 넓은 범위 안에서 동작하는지를 나타내는 모호한 개념으로 인식된다. 다른 영역에서는 또다른 (구체적인) 개념으로 정의되기도 한다.시스템, 필터, 신호들은 대역폭을 가진다. 시스템, 필터, 신호가 동작하는 주파수 범위를 대역폭이라 정의할 수 있다. 대역폭은 절대주파수를 말하는 것이 아니라 단지 점유범위를 나타낸다.Q-factor(quality factor)부품의 고주파 성능의 좋은 정도를 나타내는 한 표현이다. 예를 들면, 코일의 좋음을 나타내려면 인덕턴스를 L[헨리], 실효저항을 R[옴], 측정 주파수를 f[헤르츠]로 했을 때 Q=2πfL/R로 나타낸다코일(coil)에다 외부로 부터 온 에너지를 저장 할 수 있다. 그러나 저장된 에너지는 코일 자체의 저항성분에 의해 시간이 흐르면서 소멸되는데 이때 발생되는 손실의 정도를 규정하기 위해 도입되는 것이 바로 Q Q(Quality)-Factor 개념이다.Q = Reactance / Resistance여기서 Reactance 는 코일의 inductance 에 의한 저항성분 이며,
결과보고서(설계 및 제작 방법)1. 주어진 capacitor와 inductor 값을 읽고 정확한 값은 측정을 통해 결정한다.○ Capacitor와 inductor 값을 어떻게 측정할 수 있는가?- capacitor : ex) 473k = 47 × 103 pF = 47 nF 오차 : ±10 %- inductor : ex) 683 = 68 × 103 μH = 68mH① LCR miter를 통해 capacitor와 inductor 값과 내부저항값 을 측정 할 수 있다.② universal miter를 통해 capacitor 값을 측정 할 수 있다.(단, inductor의 값은 측정할 수 없다.)※ 두 실험기기로 값을 측정해 보면 차이가 나는데 universal miter보다는 LCR miter가 좀더 정확한 값을 얻을 수 있다.○ 주어진 capacitor와 inductor 값을 측정해 공진주파수를 결정한다.⇒ 주어진 capacitor와 inductor 값을 측정에 의해 공진주파수는캐패시터의 공진주파수인덕터의 공진주파수⇒ 계산값공진주파수 :, 측정값공진주파수 =계산값공진주파수 :, 측정값공진주파수 :인덕터의 내부저항성분 때문에 측정값의 오차가 생길 수 있다.2. simulation S/W를 활용하여 Q = 10인 BPF를 설계한다.○ 직렬 BPF를 설계한다. 공진주파수가 2.8 ~ 3.2 [kHz] 범위에 있도록 L과 C를 조정한다.(설계시 RS=50Ω ,RL=50Ω으로 가정한다. 설계시 고려요소: 공진주파수)< PSpice 설계 >capacitor 3개와 inductor 1개와 저항 1개를 직렬로 연결하여 설계하였다.< PSpice 실행결과 >※ 공진주파수 : 3 ㎑○ 설계한 BPF를 직접 제작하라.capacitor 3개, inductor 1개로 제작- capacitor : 334K, 474J, 473K- inductor : 683< BPF 제작 사진 >결과보고서(고찰 및 분석)1. capacitor와 inductor 값을 측정한 결과를 쓰시오.○ 부품에 표시된 값과 측정 결과를 상호비교 하시오.① capacitor 334K = 33 × 104 pF = 330 nF 오차 : ±10 %② capacitor 474J = 47 × 104 pF = 470 nF 오차 : ±5 %③ capacitor 473K = 47 × 103 pF = 47 nF 오차 : ±10 %④ inductor 683 = 68 × 103 μH = 68mH① capacitor 334K = 326.24 nF② capacitor 474J = 478.96 nF③ capacitor 473K = 46.27 nF④ inductor 683 = 75.14 mH※ 소자에 표시된 값과 실제 LCR miter 측정값에 약간의 오차가 있는데..소자에 표시된 것처럼 K, J 등과 같이 ±10%, ±5% 오차가 있기 때문이다.○ LCR meter와 Universal meter로 측정한다.① capacitor 334K = 326.24 nF② capacitor 474J = 478.96 nF③ capacitor 473K = 46.27 nF④ inductor 683 = 75.14 mH① capacitor 334K = 330.8 nF② capacitor 474J = 472 nF③ capacitor 473K = 46.7 nF④ inductor 683 = Universal miter로는 inductor의 값을 측정할 수 없다.※ 두 실험기기로 값을 측정해 보면 차이가 나는데 universal miter보다는 LCR miter가 좀더 정확한 값을 얻을 수 있다.○ 이론 예측 결과와 실제 제작한 측정 결과가 차이나는 이유는 무엇인지 생각하라.: 측정기계 자체에서 약간의 오차가 발생 할 수 있고, capacitor에는 소자에 표시된 것처럼 K, J 등과 같이 ±10%, ±5%의 오차가 있기 때문이다.2. BPF 설계 추정치와 측정 결과를 쓰시오.○ 설계 결과물의 부하 조건( 50Ω ~ 100Ω )에 따른 전압 특성을 대역폭과 Q-factor 관점에서 관찰하시오. 예를 들어 RL=5, 50 ,100Ω라고 가정한다.(고려 항목: 공진주파수, 대역폭, Q-factor)- 설계추정치 -공진주파수3.015 ㎑차단주파수Ⅰ2.724 ㎑차단주파수Ⅱ3.59 ㎑공진주파수3.014 ㎑차단주파수Ⅰ2.7 ㎑차단주파수Ⅱ3.346 ㎑공진주파수3.015 ㎑차단주파수Ⅰ2.654 ㎑차단주파수Ⅱ3.406 ㎑- 측정결과 -< 입력전압 >< 5Ω >< 기준주파수 >< 차단주파수Ⅰ >< 차단주파수Ⅱ >< 기준주파수 >< 차단주파수Ⅰ >< 차단주파수Ⅱ >설계추정치와 측정결과를 비교하면..구 분입력전압출력전압기준주파수차단주파수Ⅰ차단주파수Ⅱ대역폭Q-factor5Ω5V0.096V3.015 ㎑2.724 ㎑3.29 ㎑0.566 ㎑5.32350Ω5V0.82V3.014 ㎑2.7 ㎑3.346 ㎑0.646 ㎑4.667100Ω5V1.415V3.015 ㎑2.654 ㎑3.406 ㎑0.752 ㎑4.009구 분입력전압출력전압기준주파수차단주파수Ⅰ차단주파수Ⅱ대역폭Q-factor5Ω5V0.079V3.001 ㎑2.658 ㎑3.35 ㎑0.629 ㎑4.77150Ω5V0.76V3.005 ㎑2.678 ㎑3.472 ㎑0.794 ㎑3.78100Ω5V1.26V3.021 ㎑2.648 ㎑3.536 ㎑0.888 ㎑3.402※ 설계추정치와 측정결과 모두 로드저항이 커짐에 따라 전압은 높아지는 것을 알 수 있다.※ 설계추정치와 측정결과 모두 로드저항이 커짐에 따라 대역폭은 커지는 것을 알 수 있다.※ 설계추정치와 측정결과 모두 Q=기준주파수 / 3dB대역폭으로 3dB대역폭이 커질수록 Q-factor값은 작아지는 것을 알 수있다.○ RL=50Ω 인 경우에 대해 측정값을 바탕으로 주파수 응답표(Bode plot: magnitude and phase)를 작성하시오. 주파수는 5개를 택해서 측정하시오(공진주파수, 차단주파수, 차단주파수 이외의 주파수). 이를 이론 결과와 비교하시오.< 입력전압 >- 이론값 -구 분입력전압출력전압dB그 외주파수(2KHz)5V0.203V-27.82dB차단주파수1(2.678 ㎑)5V0.552V-19.14dB공진주파수(3.005 ㎑)5V0.824V-15.66dB차단주파수2(3.472 ㎑)5V0.491V-20.15dB그 외주파수(4KHz)5V0.285V-24.88dB- 측정값 -구 분입력전압출력전압위상각dB그 외주파수(2KHz)5V0.176V96°-29.06 dB차단주파수1(2.678 ㎑)5V0.464V54°-20.64 dB공진주파수(3.005 ㎑)5V0.632V0°-17.96 dB차단주파수2(3.472 ㎑)5V0.456V-54°-20.80 dB그 외주파수(4KHz)5V0.264V-60°-25.54 dB(dB)-20.80-20.64-25.54-29.06234Frequency(㎑)< Magnitude >< Phase (파워포인트 작업)>○ 이론 설계 결과와 실제 제작한 측정 결과가 차이나는 이유는 무엇인지 생각하라.