제 12 장 증폭기 (Amplifiers)
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2007 년 1 학기 전기전자공학개론
제 제 12 12 장 장 증폭기증폭기(Amplifiers)(Amplifiers)
12.1 BJT 증폭기 12.2 FET 증폭기12.3 부하결합12.4 다단 증폭기12.5 동조 증폭기12.6 전력 증폭기12.7 연산 증폭기Lee De Forest
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
신호의 증폭신호의 증폭주어진 신호가 시스템 내에서 역할을 수행하기에 미약할 경우 원하는 크기로 신호를 증폭하여야 한다 .
증폭기는 전압 , 전류 및 전력신호를 증대 시키는 전자 장비로서 , 각종 계측기 , 무선통신이나 방송 및 각종 오디오 장비 등에 주로 사용된다 . 증폭기는 신호 증폭기와 전력 증폭기로 분류된다 . 신호증폭기들은 주로 무선 수신기에 사용되지만 , 음향 중계기 , 오디오 테이프 플레이어 , CD 플레이어 등에도 사용된다 . 신호증폭기는 수 나노볼트 (10-9V) 정도의 매우 약한 입력신호를 취급하도록 설계되었다 .전력증폭기는 무선 송신기 , 방송송신기 , 하이파이 오디오장비 및 모터나 각종 액츄에이터 등에서 사용된다
신호 : 전압이나 전류 등 전기량증폭 : 입력된 전압이나 전류를 일정한 비율로 변환( 크게 / 작게 ) 시키는 과정
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
소신호 증폭의 사례소신호 증폭의 사례
1. 음향신호의 증폭 : 오디오 시스템음압 전압신호 : 마이크 (A 단위의 미세전류 )전압신호 전류신호 : 전류증폭기전류신호 기계적인 진동 : 스피커 (A 단위의 강전류 )
2. 응력신호의 증폭 : 스트레인 게이지 스트레인 게이지 : 물체의 탄성변형 검출
응력과 변형률의 관계 : E
변형량으로부터 응력 , 힘 , 토크 등을 측정
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
증폭기의 기본 특성증폭기의 기본 특성
입력신호의 증폭실제 증폭기 : 입력저항과 출력저항이 존재입력저항 Ri : 클수록 입력신호의 왜곡이 없다
출력저항 Ro : 작을수록 증폭된 신호의 선형성이 보장된다 .
증폭률 A : 원하는 증폭비로 조절할 수 있다 .
이상적인 증폭기 : 왜곡없이 입력신호를 증폭 Vout=AxVin
Vin
+
-
Iin
Vin
+
-
+
-AxVin
Vout
+
-Amplyfy
Iout
Vin
+
-
Iin +
-AxVin
Vout
+
-Amplyfy
Ri
RO
Common Reference Potential
Vout
Vin0 Vin
Vout
트랜지스터 /FET 를 이용한 증폭기 – 전류증폭을 통한 작동기 구동과 스위칭 용으로 주로 사용되나 , 비선형적인 증폭특성 때문에 현대에는 신호증폭 용으로의 사용은 줄고있다 OP 앰프 증폭기 – 뛰어난 선형성과 넓은 밴드폭 등의 장점이 있어 소신호 증폭용으로 널리 사용되고 있다 .
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
쌍극성 트랜지스터쌍극성 트랜지스터이미터 공통 증폭기이미터 공통 증폭기 : 컬렉터는 부하와 연결되고 이미터는 접지와 연결된 형태의 증폭기실제적으로 완전한 쌍극성 트랜지스터 증폭기
전압분배 바이어스 회로 - 왜곡 없이 소신호를 증폭하기 위한 최적의 Q 점 확보신호는 베이스로 입력 , 부하는 컬렉터에 접속결합 커패시터 Cin : 부하를 연결할 때 발생하는 Q 점의 변동을 막는 역할이미터 안정화 저항 RE : 바이어스의 안정화 , 그러나 교류신호에 대해 이득을 저하시키는 작용을 함측로 커패시터 Cby : 교류 신호에 대해 RE 를 단락시킨 것과 같은 역할
모든 커패시터와 직류 전원은 교류에 대해서는 단락회로교류에 대해서는 단락회로와 같이 작용한다 .
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Q
V CC
R 1
R 2
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+- v s
+v o-
C in
C out
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부하입력신호원
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기의 작동교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기의 작동교류신호이므로 모든 커패시터를 단락으로 가정
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R 1
+-
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R SQ
C in단락
C E단락
C o ut단락
전압원 V CC 단락
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교류신호
회로의 간략화
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교류 등가회로
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간략화 된 교류 등가회로
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CoSB rrRR ,
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기교류신호에 대한 이미터 공통 증폭기전압이득 : 간략화 된 교류 등가회로를 기준으로 해석
B-E 루프에서 KVL 에 의해 C-E 루프에서 출력전압 vo 는 옴의 법칙에 의해
따라서 전압이득 Av 는
전류이득 : Ai=io/is 로 정의된다등가회로에서
전류분배에 의해
그러므로 전류이득 Ai 는
입력 임피던스와 출력 임피던스입력단은 B-E, 출력단은 C-E입력 임피던스 (Zi=r) : 신호원의 저항을 제외하고 입력단에 연결된 총저항
출력 임피던스 (Zo=RC) : 부하저항을 제외하고 출력단에 연결된 총 저항
쌍극성 트랜지스터 증폭기는 입력 임피던스는 작을수록 , 출력 임피던스는 클수록 좋다
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RA
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
다른 유형의 트랜지스터 증폭기다른 유형의 트랜지스터 증폭기컬렉터 공통 증폭기
베이스 공통 증폭기
이 두 유형의 증폭기는 이미터 공통 증폭기와는 달리 증폭이 아닌 특수한 목적으로 사용된다 .
Q
V CC
R 1
R 2
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부하
입력신호원
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C by
부하입력
신호원
R S
+-
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
인덕터를 통한 부하 결합인덕터를 통한 부하 결합이미터 공통 증폭기의 작동특성 분석 : 컬렉터 저항 RC 의 영향
전압이득 의 측면에서 RC 가 클수록 유리
전류이득 의 측면에서 RC 가 클수록 이득이 –에 근접
인덕터를 사용한 부하결합 - 교류에 대한 RC 의 부하효과를 없애 전압이득을 극대화RFC(radio frequency choke) RFC 의 권선저항이 매우 낮으므로 직류에 대해서는 거의 단락기능 , 매우 높은 리액턴스를 갖으므로 교류에 대해서는 거의 개방기능
전압이득은 위 식에서 RC 가 무한대이므로
전류이득은 RC 대신 무한대를 대입하므로
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RS
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C
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B
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RFC
리액턴스가 매우 크므로개방 회로와 같다 .
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2007 년 1 학기 전기전자공학개론
변압기를 이용한 부하결합변압기를 이용한 부하결합부하저항이 매우 작은 경우 , 인덕터를 사용하여도 더 이상 이득을 증가시킬 수 없다변압기 T 를 통하여 부하결합 - 변압기로는 직류가 전달되지 못하므로 부하 RL 은 직류 바이어스 회로에 영향을 끼치지 않으면서 증폭기와 교류적으로만 결합된다 .
저항 RL 과 양단 전압 vo 및 전류 io 를 일차측으로 환산트랜스의 일차측과 이차측의 권선비 Tr=N1/N2
변환된 임피던스
전압이득
전류이득
Tr을 1 보다 충분히 크게 하면 전압이득과 전류이득을 증가시킬 수 있다
V CC
R 1
R 2
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2007 년 1 학기 전기전자공학개론
FET FET 증폭기증폭기소스공통 증폭기 - 입력 신호원은 게이트에 입력되며 , 부하는 결합 커패시터를 통헤 드레인에 접속된다 .전압이득
입력신호 , 출력전압
전압이득
입력임피던스 , 출력 임피던스
FET 증폭기는 입력 임피던스와 출력 임피던스 모두가 클수록 이득이 커진다FET 증폭기의 이득은 트랜지스터 증폭기에 비하여 낮지만 전류의 전도에 한가지만의 캐리어를 사용하기 때문에 두 가지 캐리어를 사용하는 쌍극성 트랜지스터에 비하여 잡음이 작다
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전체회로회로의 간략화 교류회로
교류등가회로
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
다단 증폭기다단 증폭기증폭기 하나로는 충분한 이득을 얻을 수 없는 경우 두 개 이상의 증폭단을 직렬로 결합하여 전체 이득을 높일 수 있다RC 결합 -앞 단의 직류성분이 다음 단으로 입력되지 않아 Q 점의 변동이 없다
인덕터 결합 , 변압기 결합
Q 2
V CC
R 3
R 4
R C 2
R E 2
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전원선
접지선
G 1
R G 1
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전원선
접지선
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전원선
접지선
RFC 1 RFC 2
Q1
V CC
9V
+-
vs
Cin
T1455
Q2
R1
68
C1
0.05
RS
R4
18
R3
1.2
T2455
T3455
RL
신호입력
출력
C2
0.05 C3
0.05
C4
0.05 R2
680Ω R5
680Ω
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
동조 증폭기동조 증폭기광대역 증폭기 (wideband amplifier)- 넓은 주파수 대역에 걸쳐 일정한 이득을 내는 증폭기협대역 증폭기 (narrowband amplifier)
특정한 주파수 대역의 신호만을 선별하여 증폭동조 증폭기 (tuned amplifier) 라고도 함병렬공진 회로와 결합하여 사용
RLC 병렬공진회로
L C ZR
R
fHfL fo
0.707 R
B
f0
Z
병렬공진회로의 복소 임피던스
)1
1(111
1
2LCRCj
R
CjLjR
Z
공진주파수 - 분모의 허수부가 0 이 되는 주파수
LCo
1
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
동조증폭기동조증폭기이미터 공통 증폭기의 컬렉터 저항 RC 를 RLC 병렬공진회로로 대체하면 증폭률은 병렬공진회로의 임피던스 Z에 대하여 다음과 같이 주어진다
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Z
V
VA
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Z
V
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L CR C
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Z C 교류회로LC RRR ||
공진회로의 저항
중심 주파수
최대 전압이득
선택도
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LCfo 2
1
L
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sv
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Q
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B
f0
A v (max)
A v
0.707 A v (max)
fo=1
2 LC
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
변압기 결합 동조증폭기변압기 결합 동조증폭기부하저항값이 낮은 경우
등가저항 R(=RC||RL) 이 낮아져 증폭률을 높일 수 없다
변압기를 통하여 부하를 결합하면 권선비 조절을 통해 원하는 R값을 얻을 수 있다
LC RNNRR 221 )/(||
Q
V CC
R 1
R 2
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N 1 :N 2
(N 1 /N 2)2R L
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
전력 증폭기전력 증폭기 -A-A 급 증폭기급 증폭기대신호 (large signal)
작동기의 구동에는 다량의 전력이 소모된다증폭시스템의 최종단은 거의 항상 전력증폭기가 담당일반증폭기에 비해 다량의 열 발생전력증폭기에서는 이득보다 증폭기의 효율이 매우 중요
출력교류전력%효율 = 총 공급된 직류전력
A 급 증폭기하나의 트랜지스터가 교류 신호 전체를 증폭Q 점의 위치변동이 신호의 왜곡을 초래하므로 주의필요오디오 증폭기의 전형적인 형태정해진 작동영역 내에서 교류파형 전체를 증폭해야 하므로 효율이 30% 이하이다
Q
VCC+12.5V
RB5.6
+- vs
Cin
T
RS
교류입력
10-Ω스피커
50
+vo-
Zp50Ω
Zs10Ω
iC (min) =0
iB (min) =0
IBQ ICQ
¡¿
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¡¿
iC (max)
iB (max)
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
전력증폭기전력증폭기 -B-B 급 증폭기급 증폭기B 급 푸쉬 -풀 증폭기
두 개의 트랜지스터를 사용하여 양의 교류 사이클과 음의 교류 사이클을 분리하여 증폭전력효율을 크게 높일 수 있다 .두 트랜지스터 모두 베이스 - 이미터 간에는 바이어스 전압이 없다
출력변압기
T 2
+-
A 1
C 1
B 1
교류입력
1
2
1
2
1
2
+-
Q 1
Q 2
10-§Ù스피커
Z s10§Ù
100§Ù
100§Ù
입력변압기
T 1
V CC12.5V
출력신호
1
2
T 2C 1+- V CC
출력 신호
1
1
Q 1
Q 2
C 2
A 1
B 1
A 2
B 2 1
T 2C 1
+-V CC
출력 신호
2
2
Q 1
Q 2
C 2
A 1
B 1
A 2
B 22
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
전력증폭기전력증폭기 -AB-AB 급 증폭기급 증폭기교차왜곡 -B 급 증폭기는 turn on 전압때문에 0 점 교차시 신호의 왜곡이 발생한다
AB 급 동작각 트랜지스터를 도통 직전의 상태로 바이어스 전압을 걸어주면 교류전압이 실리는 순간 바로 도통이 될 수 있어 교차왜곡의 제거가 가능하다AB 급 증폭기는 신호가 없는 상태에서도 약간의 전류가 흐르므로 B 급 증폭기에 비해 약간의 효율이 떨어진다 ( 약 70%)트랜지스터 라디오 수신기에서 사용
t
출력변압기
T 2
+-
A 1
C 1
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교류입력
1
2
1
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1
2
+-
Q 1
Q 2
10-§Ù스피커
10§Ù
50§Ù
50§Ù
입력변압기
T 1
V CC12.5V
R E 1
R E 2
R 2
R 1
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
연산 증폭기연산 증폭기 (Operational Amplifier)(Operational Amplifier)1960 년대 IC 의 집적기술을 이용하여 이상적인 증폭기 특성에 가깝도록 집적화한 증폭기연산 ( 신호의 처리 ) 을 위해 사용하는 차동 증폭기차동 증폭기구성 : 2 개의 입력단자 (Vp,Vn), 하나의 출력단자 , VCC 와 VEE 의 전원입력
Q 2Q 1
Q 4
Q 6
Q 7
Q 9
Q 10
Q 8
3 2
R 32§Ú
R 52§Ú
D 1
D 2
R 85.8§Ú
R 112.9§Ú
R 75.8§Ú
Q 3
Q 5
R 44§Ú
R 171.5§Ú
R 161.5§Ú
R 151§Ú
R 1 85.9§Ú
8
7
6
11
12
R 110 §Ú
R 410§Ú
R 24.1§Ú
R 97.5§Ú
R 1 27.5§Ú
5
9V out
4-V EE
+V CC10
비반전입력단
반전입력단
R 6
1
출력
-
1
3
2
9V out
+
)(0 np VVAV
Vp
Vn
IC 칩의 다리 번호 부여 원칙칩의 포면에는 오목한 반원형 홈이 있다 .
홈을 좌측으로 위치시킨 후 왼쪽 아래에 위치한 다리가 1 번반시계 방향으로 돌면서 번호증가
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
연산증폭기의 특징연산증폭기의 특징특징
A = 105 이상의 전압이득 거의 무한대인 주파수 대역 : 1MHz typically입력 임피던스 : 내부로 유입되는 전류 0출력 임피던스 0 : 신호의 왜곡없이 출력
Golden Rule 출력전압은 두 입력간의 전위차를 0 으로 만든다회로 내부로 유입되는 전류는 0 이다 .
741 OP 앰프가장 일반적인 범용 OP 앰프칩 내에 하나의 앰프 내장양 전원 사용 (+15V/-15V)
2904 단전원 OP 앰프단전원 (5V/0V) 으로 작동 , 한 칩 내에 두 개의 연산증폭기 내장
연산증폭기는 사용목적에 따라 다양한 유형( 단전원 / 고정밀 / 고이득 / 고속 / 저소비전력 /저드리프트 등 ) 존재
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
반전증폭기반전증폭기OP 앰프의 기본회로신호의 반전 / 증폭증폭비 조절 가능Rule 1 : VA = VB = 0 V
Rule 2 : OP 앰프내로 흘러 들어가는 전류는 0I1 = I2I1 = Vin/R1, I2 = (0-Vout)/R2
Vin/R1 = -Vout/R2
그러므로 , Vou /Vin =- R2 /R1
실제 회로 제작시 유의사항R1 ( 입력저항 ) : 1k - 10k 사사
R2 ( 이득저항 ) :
원하는 이득이 확실할 경우 : 계산원하는 이득이 가변일 경우 : 포텐시오미터 사용
RL( 부하저항 ) : 10k 출력전압의 요동 방지
주의사항 : OP 앰프 주변에서는 1M 이하의 저항만 사용 !
R 1
v s
-
+
v -
v+
+-
R L
+v o-
R 2
v s
-
+
v -
v+=0
+-
R L
+v o-
R 1
R 2i
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
비반전비반전 // 합산 증폭기합산 증폭기비반전 증폭기
반전 증폭기에서 부수적으로 도출된 회로증폭비는 1 이상 ( 신호의 감축은 불가능 )Rule 1 : VA = Vin
Rule 2 : VA = R1/(R1+R2) Vout
= Vin
그러므로 , Vout /Vin = (1+R2/R1)
항상 1 보다 큰 증폭비
합산증폭기여러 신호의 합산 및 평균반전 합산회로R1=R2=R3=R4=4RF : 평균연산
Rx : 내부전압 보정용 저항
Rx = R1//R2//R3//R4 //Rf4개 저항의 병렬합
R 1
v s
-
+
v -
v+
+-
R L
+v o-
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4
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3
3
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2
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V
R
V
R
VR
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f
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2007 년 1 학기 전기전자공학개론
기타 연산회로기타 연산회로차동증폭기
두 입력신호의 차이를 증폭
합산 -차동 복합회로합산회로와 차동회로의 복합등배증폭의 경우에 적용가능
전압추종기입력전압과 출력전압이 동일전압신호의 임피던스를 높이는 역할입력신호와 출력신호간의 상호 영향 차단
R A
R A
R B
-
+
v -
v+ R L
+v o-
R B
+-
+-v 1
v 2
i1
i2
+ vB -
)( 12 vvR
Rv
A
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R
R
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+RL
+vo-
RR
R
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V1
V2
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V4
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R S
v s
-
+
v -
v+
+-
R L
+v o-
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
노이즈 트리거노이즈 트리거 (Schmitt trigger)(Schmitt trigger)
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
펄스폭 변조기펄스폭 변조기 (PWM)(PWM)
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
정류기정류기 (Rectifier)(Rectifier)반파정류
전파정류
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
Peak detectorPeak detector
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
미분미분 // 적분기적분기
입력신호의 미분반전 미분연산작동 주파수 f=1/(2RC)설계순서
최저 주파수 f 선택C < 1F 인 C 선정저항 R 계산
입력신호의 적분반전 적분연산작동 한계 주파수 f=1/(2RC)설계순서
최고 주파수 f 선택C < 1F 인 C 선정저항 R 계산
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
필터회로필터회로연산증폭기를 사용하여 주파수에 선택적으로 작동하는 회로를 설계할 수 있다 .
저역통과필터 (LPF) : 저주파 신호만을 통과시킨다 .고역통과필터 (HPF) : 고주파 신호만을 통과시킨다 .대역통과필터 (BPF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시킨다대역저지필터 (BRF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 걸러낸다 .
다양한 종류의 필터 회로들이 실용화 되어 있다 .Bessel Filter, Butterworth Filter, Chebyshev Filter신호의 선형성은 Butterworth Filter 가 가장 양호하다 .
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
11차 차 Butterworth Butterworth 저역통과필터저역통과필터
차단주파수 fH 이상의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 저역통과필터
1차 Butterworth : 차단특성은 decade 당 -20dB설계순서
차단주파수 fH를 선정한다
1 F 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다 (0.1 F 정도면 적당하다 )R 값을 fH 식으로부터 계산한다
통과대역에서의 이득 AF 를 계산하여 결정한다 .
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
11 차 차 Butterworth Butterworth 고역통과필터고역통과필터
차단주파수 fL 이하의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 고역통과필터
1차 Butterworth : 차단특성은 decade 당 -20dB설계순서
차단주파수 fL 을 선정한다
1 F 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다 (0.1 F 정도면 적당하다 )R 값을 fL 식으로부터 계산한다
통과대역에서의 이득 AF 를 계산하여 결정한다 .
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
대역통과대역통과 (( 저지저지 ) ) 필터필터
고역통과 필터와 저역통과 필터를 직렬로 연결하여 대역통과 필터를 만들 수 있다 .fL=200Hz, fH=2kHz 인 대역통과 필터를 설계한다 .
설계순서는 앞서의 각 필터의 설계순서와 동일하다 .
2007 년 1 학기 전기전자공학개론
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