- 회로, 공식, 곡선은 무엇입니까?
- 증폭 기능이있는 액티브 로우 패스 필터 :
- 주파수 및 전압 이득 차단 :
- 주파수 응답 곡선 :
- 비 반전 및 반전 증폭기 필터 회로 :
- Unity 게인 또는 전압 팔로워 액티브 로우 패스 필터 :
- 계산을 사용한 실제 예
- 2 차 활성 로우 패스 필터 :
- 응용
이전에 패시브 로우 패스 필터에 대해 설명했으며이 튜토리얼에서는 액티브 로우 패스 필터 가 무엇인지 살펴볼 것입니다.
회로, 공식, 곡선은 무엇입니까?
이전 자습서에서 알 수 있듯이 수동 저역 통과 필터는 수동 구성 요소와 함께 작동합니다. 두 개의 수동 부품 저항과 커패시터 만이 수동 저역 통과 필터 회로의 핵심 또는 핵심입니다. 이전 튜토리얼에서 패시브 로우 패스 필터가 외부 중단이나 액티브 응답없이 작동한다는 것을 배웠습니다. 그러나 그것은 특정한 한계가 있습니다.
패시브 로우 패스 필터의 한계는 다음과 같습니다.
- 회로의 임피던스는 진폭 손실을 생성합니다. 따라서 Vout은 항상 Vin보다 작습니다.
- 패시브 로우 패스 필터만으로 증폭 할 수 없습니다.
- 필터 특성은 부하 임피던스에 따라 크게 달라집니다.
- 이득은 항상 단일 이득보다 작거나 같습니다.
- 필터 단계 또는 필터 순서가 추가 될수록 진폭 손실이 줄어 듭니다.
이러한 제한으로 인해 증폭이 필요한 경우 필터링 된 출력을 증폭 할 활성 구성 요소를 추가하는 가장 좋은 방법입니다. 이 증폭은 연산 증폭기 또는 연산 증폭기에 의해 수행됩니다. 여기에는 전압 소스가 필요하므로 활성 구성 요소입니다. 따라서 이름은 Active low pass filter 입니다.
일반적인 증폭기는 외부 전원 공급 장치에서 전력을 끌어와 신호를 증폭하지만 주파수 대역폭을보다 유연하게 변경할 수 있으므로 매우 유연합니다. 또한 요구 사항에 따라 선택할 활성 구성 요소 유형을 선택하는 것은 사용자 또는 설계자의 선택입니다. 많은 유연성을 포함하는 Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp가 될 수 있습니다. 구성 요소의 선택은 대량 생산 제품 용으로 설계된 경우 비용과 효율성에 따라 달라집니다.
단순성, 시간 효율성 및 연산 증폭기 설계의 증가하는 기술을 위해 일반적으로 연산 증폭기가 능동 필터 설계에 사용됩니다.
액티브 로우 패스 필터를 설계하기 위해 왜 연산 증폭기를 선택해야하는지 살펴 보겠습니다.
- 높은 입력 임피던스.
높은 입력 임피던스로 인해 입력 신호를 파괴하거나 변경할 수 없습니다. 일반적으로 또는 대부분의 경우 진폭이 매우 낮은 입력 신호는 낮은 임피던스 회로로 사용하면 파괴 될 수 있습니다. Op-Amp는 이러한 경우에 장점이 있습니다.
- 부품 수가 매우 적습니다. 저항이 거의 필요하지 않습니다.
- 이득, 전압 사양에 따라 다양한 유형의 연산 증폭기를 사용할 수 있습니다.
- 작은 소음.
- 설계 및 구현이 더 쉽습니다.
그러나 우리가 완전히 완벽한 것은 없다는 것을 알기 때문에이 능동 필터 설계에는 특정한 한계가 있습니다.
출력 이득 및 대역폭과 주파수 응답은 연산 증폭기 사양에 따라 달라집니다.
더 자세히 살펴보고 무엇이 특별한 지 이해합시다.
증폭 기능이있는 액티브 로우 패스 필터:
연산 증폭기를 사용하는 액티브 저역 통과 필터 설계를 이해하기 전에 증폭기에 대해 조금 알아야합니다. Amplify는 돋보기로 우리가 보는 것을 더 잘 인식하기 위해 더 큰 형태로 복제합니다.
패시브 로우 패스 필터의 첫 번째 튜토리얼에서 로우 패스 필터가 무엇인지 배웠습니다. 저역 통과 필터는 저주파를 필터링하고 AC 정현파 신호 중 더 높은 신호를 차단합니다. 이 액티브 로우 패스 필터는 패시브 로우 패스 필터와 동일한 방식으로 작동합니다. 단 하나의 추가 구성 요소가 추가되고 op-amp로서 증폭기 입니다.
다음은 간단한 저역 통과 필터 설계입니다.
액티브 로우 패스 필터 이미지입니다. 여기 위반 라인은 이전 튜토리얼에서 보았던 전통적인 수동 저역 통과 RC 필터를 보여줍니다.
주파수 및 전압 이득 차단:
차단 주파수 공식은 패시브 로우 패스 필터에서 사용되는 것과 동일합니다.
fc = 1 / 2πRC
이전 튜토리얼에서 설명한대로 fc는 차단 주파수이고 R은 저항 값이고 C는 커패시터 값입니다.
연산 증폭기의 양극 노드에 연결된 두 개의 저항은 피드백 저항입니다. 이러한 저항이 연산 증폭기의 양극 노드에 연결되면 비 반전 구성이라고합니다. 이 저항은 증폭 또는 이득을 담당합니다.
다음 방정식을 사용 하여 증폭기 의 이득을 쉽게 계산할 수 있습니다. 이득에 따라 등가 저항 값을 선택하거나 그 반대 일 수 있습니다.증폭기 이득 (DC 진폭) (Af) = (1 + R2 / R3)
주파수 응답 곡선:
액티브 로우 패스 필터 또는 보드 플롯 / 주파수 응답 곡선 의 출력이 무엇인지 살펴 보겠습니다.
이것은 연산 증폭기 비 반전 구성에서 액티브 로우 패스 필터 의 최종 출력입니다. 다음 이미지에서 자세히 설명하겠습니다.
보시다시피 이것은 수동 저역 통과 필터와 동일합니다. 시작 주파수에서 Fc 또는 주파수 차단 지점 또는 코너 주파수는 -3dB 지점 에서 시작 됩니다. 이 이미지에서 게인은 20dB이므로 차단 주파수는 fc 지점이있는 곳에서 20dB-3dB = 17dB 입니다. 기울기는 10 년당 -20dB입니다.
필터에 관계없이 시작점에서 차단 주파수 점까지 필터의 대역폭이라하고 그 후 통과 주파수가 허용되는 통과 대역이라고합니다.
연산 증폭기 전압 이득을 변환 하여 크기 이득 을 계산할 수 있습니다.
계산은 다음과 같습니다
db = 20log (Af)
이 Af는 이전에 저항 값을 계산하거나 Vout을 Vin으로 나누어 설명한 Dc 이득이 될 수 있습니다.
비 반전 및 반전 증폭기 필터 회로:
처음에 표시된이 액티브 로우 패스 필터 회로에도 한 가지 제한이 있습니다. 신호 소스 임피던스가 변경되면 안정성이 저하 될 수 있습니다. 예: 감소 또는 증가.
표준 설계 방식은 입력에서 커패시터를 제거하고 연산 증폭기 2 차 피드백 저항과 병렬로 연결하여 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
다음은 비 반전 액티브 로우 패스 필터 회로입니다.
이 그림에서 이것을 처음에 설명한 회로와 비교하면 임피던스 관련 안정성을 위해 커패시터 위치가 변경 되었음을 알 수 있습니다. 이 구성에서 외부 임피던스는 커패시터 리액턴스에 영향을주지 않으므로 안정성이 향상 됩니다.
동일한 구성에서 출력 신호를 반전하려면 연산 증폭기의 반전 신호 구성을 선택하고 반전 된 연산 증폭기와 필터를 연결할 수 있습니다.
다음은 반전 된 액티브 로우 패스 필터 의 회로 구현입니다.
반전 구성의 액티브 로우 패스 필터입니다. 연산 증폭기는 반대로 연결 됩니다. 이전 섹션에서 입력은 연산 증폭기의 포지티브 입력 핀에 연결되었고 연산 증폭기 네거티브 핀은 피드백 회로를 만드는 데 사용되었습니다. 여기서 회로가 반전되었습니다. 접지 기준에 연결된 양의 입력과 연산 증폭기 음의 입력 핀에 연결된 커패시터 및 피드백 저항. 이를 반전 된 연산 증폭기 구성 이라고 하며 출력 신호는 입력 신호보다 반전됩니다.
Unity 게인 또는 전압 팔로워 액티브 로우 패스 필터:
지금까지 여기에 설명 된 회로는 전압 이득 및 사후 증폭 목적으로 사용됩니다.
단위 이득 증폭기를 사용하여 만들 수 있습니다. 즉, 출력 진폭 또는 이득이 입력과 동일합니다: 1x. Vin = Vout.
말할 것도없이 연산 증폭기가 입력 신호의 정확한 복제본을 생성 한 전압 팔로워 구성으로 종종 설명되는 연산 증폭기 구성이기도합니다.
회로 설계와 op-amp를 전압 팔로워로 구성하고 단일 이득을 활성 저역 통과 필터로 만드는 방법을 살펴 보겠습니다.
이 이미지에서는 연산 증폭기의 피드백 저항이 제거되었습니다. 저항 대신 연산 증폭기의 네거티브 입력 핀이 출력 연산 증폭기와 직접 연결됩니다. 이 연산 증폭기 구성을 전압 팔로워 구성 이라고 합니다. 이득은 1x입니다. 유니티 게인 액티브 로우 패스 필터입니다. 입력 신호의 정확한 복제를 생성합니다.
계산을 사용한 실제 예
비 반전 연산 증폭기 구성에서 액티브 로우 패스 필터의 회로를 설계합니다.
명세서:-
- 입력 임피던스 10kohms
- 이득은 10 배가됩니다.
- 컷오프 주파수는 320Hz입니다.
회로를 만들기 전에 먼저 값을 계산해 봅시다.
증폭기 게인 (DC 진폭) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10
R2 = 1k (하나의 값을 선택해야합니다. 계산의 복잡성을 줄이기 위해 R2를 1k로 선택했습니다).
가치를 모아서 우리는
(10) = (1 + R3 / 1)
세 번째 저항 의 값 은 9k 입니다.
이제 차단 주파수에 따라 저항 값을 계산해야합니다. 액티브 로우 패스 필터와 패시브 로우 패스 필터가 동일한 방식으로 작동하므로 주파수 차단 공식은 이전과 동일합니다.
의는 차단 주파수가 320Hz 인 경우 커패시터의 값을 확인하자, 우리는 저항의 값이 선택 4.7K.
fc = 1 / 2πRC
모든 가치를 종합하면 다음과 같은 이점이 있습니다.
이 평형을 풀면 커패시터 의 값이 약 106nF가됩니다.
다음 단계는 게인을 계산하는 것 입니다. 이득의 공식은 패시브 로우 패스 필터와 동일합니다. dB 단위의 이득 또는 크기의 공식은 다음과 같습니다.
20log (Af)
연산 증폭기의 이득이 10 배이므로 dB 단위의 크기는 20log (10)입니다. 이것은 20dB 입니다.
이제 값을 이미 계산 했으므로 이제 회로를 구성 할 때입니다. 모두 합쳐서 회로를 만들어 봅시다:-
우리는 이전에 계산 된 값을 기반으로 회로를 구성했습니다. 액티브 로우 패스 필터의 입력에서 10Hz ~ 1500Hz 주파수와 10 년당 10 포인트 를 제공 하고 차단 주파수가 증폭기 출력에서 320Hz인지 여부를 확인하기 위해 추가로 조사 할 것입니다.
이것이 주파수 응답 곡선 입니다. 녹색 라인은 입력 신호가 해당 주파수 범위에 대해서만 공급되므로 10Hz에서 1500Hz까지 시작됩니다.
코너 주파수는 항상 최대 이득 크기에서 -3dB입니다. 여기서 게인은 20dB입니다. 따라서 -3dB 지점을 찾으면 필터가 더 높은 주파수를 중지하는 정확한 주파수를 얻을 수 있습니다.
17db에 커서를 코너 주파수 (20dB-3dB = 17dB) 로 설정하고 320Hz에 가까운 317.950Hz 또는 318Hz 를 얻 습니다.
커패시터 값을 100nF 로 일반 값으로 변경할 수 있으며 코너 주파수도 몇 Hz의 영향을받는 것은 말할 필요도 없습니다.
2 차 활성 로우 패스 필터:
2 차 활성 저역 통과 필터와 같이 하나의 연산 증폭기에 걸쳐 더 많은 필터를 추가 할 수 있습니다. 이 경우 수동 필터와 마찬가지로 추가 RC 필터가 추가됩니다.
2 차 필터 회로 가 어떻게 구성되는지 봅시다.
이것은 2 차 필터입니다. 위의 그림에서 두 개의 필터가 함께 추가 된 것을 명확하게 볼 수 있습니다. 이것은 2 차 필터입니다. 그것은 널리 사용되는 필터이며 산업 응용은 증폭기, 전력 증폭 이전의 음악 시스템 회로입니다.
보시다시피 하나의 연산 증폭기가 있습니다. 전압 이득은 두 개의 저항을 사용하여 앞에서 설명한 것과 동일합니다.
(Af) = (1 + R3 / R2)
차단 주파수는
1 차 필터로 구성된 연산 증폭기를 더 추가하려는 경우 기억 해야 할 한 가지 흥미로운 점 은 이득에 각 개인이 곱해질 것 입니다. 혼란스러워? 회로도가 도움이 될 수 있습니다.
연산 증폭기가 더 많이 추가 될수록 더 많은 게인이 곱해 집니다. 위의 그림을 참조하십시오.이 이미지에서 두 개의 연산 증폭기가 개별 연산 증폭기와 계단식으로 연결되어 있습니다. 이 회로에서 캐스케이드 연산 증폭기, 첫 번째 게인이 10 배이고 두 번째 게인이 5 배인 경우 총 게인은 5 x 10 = 50x 게인이됩니다.
따라서 두 개의 연산 증폭기의 경우 계단식 연산 증폭기 저역 통과 필터 회로의 크기는 다음과 같습니다.
dB = 20log (50)
이 방정식을 풀면 34dB입니다. 따라서 계단식 연산 증폭기 저역 통과 필터 이득 공식의 이득은 다음과 같습니다.
TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)
여기서 TdB = 총 크기
이것이 액티브 로우 패스 필터가 구성되는 방법입니다. 다음 튜토리얼에서는 액티브 고역 통과 필터를 어떻게 구성 할 수 있는지 살펴 보겠습니다. 그러나 다음 튜토리얼 전에 액티브 로우 패스 필터의 응용 프로그램이 무엇인지 살펴 보겠습니다.
응용
능동 저역 통과 필터는 이득 또는 증폭 절차에 대한 제한으로 인해 수동 저역 통과 필터를 사용할 수없는 여러 장소에서 사용할 수 있습니다. 그 외에도 액티브 로우 패스 필터는 다음과 같은 장소에서 사용할 수 있습니다.
저역 통과 필터는 전자 제품에서 널리 사용되는 회로입니다.
다음은 액티브 로우 패스 필터의 몇 가지 응용 분야입니다.
- 파워 증폭 전베이스 이퀄라이제이션
- 비디오 관련 필터.
- 오실로스코프
- 음악 제어 시스템 및 저음 주파수 변조는 물론 저음 출력을위한 이전 우퍼 및 고 저음 오디오 스피커.
- 다양한 전압 레벨에서 가변 저주파 출력을 제공하는 함수 발생기.
- 다른 웨이브에서 주파수 모양을 변경합니다.