예비 실험5. 능동 필터회로

목차

< 1. 목 적 >

< 2. 이 론 >

< 3. 실험 과정 및 실험 결과 예상 (시뮬레이션) >

< 4. 참 고 문 헌 >

본문내용

pice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 100Hz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 200Hz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 500Hz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 1KHz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 2KHz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 5KHz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 10KHz 일 때)
f (Hz)
Vin (mV)
Vout (mV)
이득 A (V/V)
A dB (dB)
100
1000
997.4
0.9974
-0.0226
200
1000
953.7
0.9537
-0.4118
500
1000
768.7
0.7687
-2.2849
1k
1000
492.7
0.4927
-6.1483
2k
1000
190.9
0.1909
-14.3839
5k
1000
33.5
0.0335
-29.4991
10k
1000
6.97
0.0069
-43.2230
2차 저역 통과 필터
→ 시뮬레이션 결과, 전압이득이 주파수가 클수록 감소함을 볼 수 있다. 2차 저역통과 필터회로는 2개의 커패시터의 영향으로 이득의 감소는 1차 필터에서 보다 2배나 빠른 것을 확인할 수 있다.
PSpice를 통한 시뮬레이션 차단 주파수 측정 결과
(x축은 주파수, y축은 이득 dB 인 그래프)
→ 시뮬레이션 결과, 위 그래프를 보면 이득이 -3dB 떨어진 지점이 차단 주파수 이다. 약 648.4Hz임을 확인할 수 있다. 실제로 차단주파수를 구하는 계산식으로 계산해 보면 = 로 약 300Hz이상 차이가 남을 확인 할 수 있었다.
→측정값과 계산값 오차의 원인 :
1차 필터는 고주파에서의 감쇠 특성이 완만하기 때문에 보다 가파른 감쇠특성을 얻기 위해서는 2차 필터가 사용된다. 즉 1차 필터는 차단주파수 이상이 되면 출력전압이 주파수에 비례하여 감소하지만 2차 필터는 주파수의 제곱에 비례하여 감소한다. 2차 필터에서는 Q값이 있어서 이 Q값에 따라 감쇠특성이 여러 가지로 변한다. Q값은 필터나 공진기, 발진기처럼 특정 주파수 스펙트럼에서 샤프하게 에너지가 뜨는 경우, 그 파형의 에너지 집중도를 표현할 때 사용한다. Q가 크면 주파수 선택성이 커져서 특정 주파수를 잡아낼 수 있지만 너무 크면 피크가 생긴다. 피크가 생기지 않고 가장 큰 감쇠특성을 가지도록 Q값을 정했을 때 최대 평탄특성을 가지게 된다. 이러한 최대 평탄특성을 가지는 필터를 Butterworth 필터라고 하며 이 2차 Butterworth 필터의 Q값은 0.707이 된다. 따라서 커패시터 값을 바꾸면서 시뮬레이션을 해보았는데 2차 저역 통과 필터인 C2를 줄이고 C1을 크게 하여 시뮬레이션 해보니 계산한 차단 주파수 결과와 비슷하게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 위 실험회로에서 계산식과 측정값이 달랐던 이유는 Butterworth 필터보다 실험회로의 Q값이 더 작아서 3dB 대역폭이 컸기 때문에 차단주파수가 계산식보다 작았다.
PSpice를 통한 시뮬레이션 차단 주파수 측정 결과
(C2를 0.008uF, C1을 0.125uF으로 정하고 측정한 차단주파수 : 866.4Hz)
3) 2차 고역 통과 필터
(1) 그림 5-7의 회로를 구성하라.
(2) 저주파 함수발진기의 주파수를 100kHz로 맞추고 필터 출력의 신호 준위가 1Vp-p가 되도록 진폭을 조정하라. 입력 전압을 측정하여 표 5-4에 기록하라.
(3) 저주파 함수 발진기의 주파수를 5kHz로 맞추고 입력 전압을 측정하여 기록하라.
(4) 표 5-4의 다른 주파수의 값들에 대해서도 과정 (14)를 반복하라.
(5) 표 5-4의 각 주파수에 대한 전압이득과 데시벨 이득을 계산하라.
(6) 차단 주파수를 측정하여 기록하라.
PSpice를 통한 2차 고역 통과 필터회로 시뮬레이션
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 100Hz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 200Hz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 500Hz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 1KHz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 2KHz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 5KHz 일 때)
PSpice를 통한 시뮬레이션 입출력 파형 결과
(주파수가 10KHz 일 때)
f (Hz)
Vin (mV)
Vout (mV)
이득 A (V/V)
A dB (dB)
100
1000
9.938
0.0099
-40.087
200
1000
40.69
0.0407
-27.8081
500
1000
201.1
0.2011
-13.9317
1k
1000
511.9
0.5119
-5.8163
2k
1000
800.9
0.8009
-1.9284
5k
1000
954.1
0.9541
-0.4081
10k
1000
984.6
0.9846
-0.1348
2차 고역 통과 필터
→시뮬레이션 결과, 주파수가 높을수록 이득이 증가하여 1에 가까워짐을 볼 수 있다. 따라서 고역 통과 필터임이 확인된다. 또한 2차 고역 통과 필터이므로 차단 주파수를 지나서는 12dB/octave의 기울기로 증가함을 확인 할 수 있다.
PSpice를 통한 시뮬레이션 차단 주파수 측정 결과
→ 피스파이스로 -3dB인 지점 차단 주파수를 측정해 본 결과 약 1558Hz가 측정 되었다.
차단주파수 계산식에 넣어 계산해본 결과는 저역 통과 필터 때와 마찬가지로 = 이므로 계산식과는 대략 550Hz의 오차가 났다. 앞서 2차 저역 통과 필터에서와 마찬가지로 Q-factor값이 작아서 대역폭이 크기 때문에 차단 주파수가 계산값보다 크게 나온 것으로 보인다.
< 4. 참 고 문 헌 >
- FUNDAMENTALS OF MICROELECTRONICS, RAZAVI, WILEY, 2008.
- 회로이론, James W.Nilsson·Susan A, Riedel, WILEY, 2006.

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