설계 보고 설계3. OP-AMP-RC FILTER 설계

목차

< 1. 설계부품 >

< 2. 설계 준비 사항 >

< 3. 실험 과정 및 실험 결과(실제 실험 결과를 시뮬레이션과 비교분석) >

< 4. 실험 결과에 대한 토의 및 고찰 >

< 5. 참 고 문 헌 >

본문내용

는 100Hz로 측정되었었는데 이는 실험이라는 조건을 생각하면 일치하는 값이라 할 수 있다. 즉, 주파수가 100Hz 미만일 때 gain이 거의 1로 유지되다가 200Hz를 넘어가면서 이득이 20dB/decade의 비율로 줄어드는 것을 알 수 있다. 따라서, 저주파 신호를 통과시키는 low-pass filter의 설계가 잘 이루어진 것을 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있다.
조금의 오차가 발생된 원인으로는 실험이라는 상황과 육안으로 본다는 오차의 원인, 그리고 보이지 않는 전선이나 오실로스코프, 브레이드 보드 등의 저항 등으로 인하여 오차가 발생된 것으로 생각된다.
실험에서는 dB값 그래프를 구현하기에 제한이 있어 직접 파형 발생기의 주파수를 바꾸어 가면서 오실로스코프의 출력 전압 변화 추이를 보면서 f0값 및 3dB, 20dB frequency등을 확인하였다.
지금까지의 보고서에서는 실험 결과와 시뮬레이션 모두 Resonator 회로로 비교를 하였는데, KHN biquad 회로는 시뮬레이션을 통해 더욱 정확한 비교가 가능하다.
◎ KHN biquad LPF 검증
-Setup:
a)그림 13-3의 회로를 이용하여 Low-pass filter회로를 구성한다.
b) Low-pass filter의 입력을 신호발생기에 연결하고, 2Vpp의 sine wave를 인가한다.
2Vpp sin wave를 인가한 Low-pass filter 회로
-Measurement
a) 입력 노드와 node A를 측정한다. 주파수를 변화시키면서 출력 peak-to-peak 전압을 측정하시오. 최대 출력전압(Vpp)를 구하고, 이 때의 주파수를 측정하시오.
최대 출력 전압 (Vpp)
주파수
2.3034 Vpp
111.686 Hz
2Vpp입력에 대한 node A의 peak-to-peak 주파수에 따른 전압 변화
→ 시뮬레이션 결과, Low-Pass filter의 경우도 Resonator회로로 설계한 특성과 거의 차이가 없을 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있다.
b) 주파수를 증가시키면서 이득이 3 dB 감소되는 주파수와 20dB 감소되는 주파수를 각각
측정하시오. 또한 이때의 phase를 각각 측정하시오.
3dB
주파수
201.217 Hz
20dB
주파수
606.349 Hz
위상
-115.694˚
위상
-164.642˚
주파수에 따른 출력 전압 (log scale) & phase
→ 시뮬레이션 결과, 전체적인 특성은 Resonator회로의 LPF와 동일하지만 10kHz 영역을 살펴보면 위상각이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 두 번째 op amp의 적분기에 달려 있는 커패시터 때문입니다. 이로 인해 10kHz이상이 고주파에서 low pass filter의 이득이 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 큰 증가량이 아니므로 filter기능에 많은 영향을 끼친다고 할 수 없음을 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있다.
PSpice를 통한 KHN biquad LPF 시뮬레이션
c) 주파수에 대한 magnitude response 측정 결과를 그래프에 그리고, 설계 시뮬레이션 결과와 비교하시오.
주파수에 대한 magnitude response 측정결과
→ 시뮬레이션 결과, Resonator LPF와 달리 고주파 영역에서 미세하게 출력전압의 크기가 증가하는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있다.
PSpice를 통한 KHN biquad LPF 시뮬레이션
< 4. 실험 결과에 대한 토의 및 고찰 >
설계 3. OP-AMP-RC FILTER은 OP-AMP와 R,C를 이용하여 주요 3가지 여파기(Resonator 회로와 KHN biquad 회로를 이용하여 Band-pass filter, Low-pass filter, High-pass filter)에 대한 이해와 응용을 설계를 통하여 알아보았다.
Resonator 회로와 KHN biquad 회로를 이용하여 Band-pass filter, Low-pass filter, High-pass filter을 설계하는 실험이다. 차단필터는 기본적으로 커패시터와 인덕터, 저항을 연결하여 만들 수 있다. 하지만 인덕터가 비싸기 때문에 커패시터와 OP-Amp와 저항을 이용하여 인덕터의 역할을 하는 Resonator 회로를 만들어 그 회로가 인덕터의 역할을 하는지 차단 필터를 이용하여 알아보는 실험이었다. 또한 KHN biauad 회로의 경우 측정위치에 다라 Band-pass filter, Low-pass filter, High-pass filter의 역할을 하는 회로이다.
설계를 진행하면서 Resonator회로를 이용하여 입력의 위치만 바꾸어줌으로 BPF, HPF, LPF를 쉽게 설계하고 사용할 수 있다는 것을 배웠고 각 여파기에 대하여 실질적으로 이해할 수 있는 계기가 되었다. 또한 KHN biquad를 이용한 BPF, HPF, LPF의 특성과 Resonator 회로로 설계한 필터회로의 특성은 parameter가 같을 경우 90% 이상 같은 특성을 보일 수 있다는 것을 확인하였다. 설계를 하면서 차이점 Phase이며, KHN biquad를 이용한 filter는 Resonator 회로보다 pole과 zero가 많아 위상각이 많이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 때문에 시스템의 안정도에 있어서 Resonator회로로 만든 filter가 더 안정하다고 판단할 수 있다.
설계 3. OP-AMP-RC FILTER은 OP-AMP와 R,C를 이용하여 주요 3가지 여파기(Resonator 회로와 KHN biquad 회로를 이용하여 Band-pass filter, Low-pass filter, High-pass filter)에 대한 이해와 응용을 설계를 통하여 알아보았고, 설계 및 실험을 통해 그동안 배운 회로에 대한 응용에 대한 지식과 자신감을 갖는 좋은 기회가 되었다.
< 5. 참 고 문 헌 >
- FUNDAMENTALS OF MICROELECTRONICS, RAZAVI, WILEY, 2008.
- FEEDBACK CONTROL OF DYNAMIC SYSTEMS, F.FRANKLIN, PEARSON PRENTICE HALL, 2010.
- 전자회로실험 교재, 아주대학교, 2011.

키워드

아주대,   전자회로실험,   설계,   OP-AMP-RC FILTER 설계