하이패스 필터: 설계, 동작 원리 및 실용적 응용

하이패스 필터 개요

하이패스 필터는 로우패스 필터와 정반대 동작을 합니다. 고주파 신호는 통과시키고 저주파 성분은 감쇠시킵니다. 가장 일반적인 두 가지 구현인 커패시터 방식과 인덕터 방식은 로우패스 필터와 대응되지만 임피던스 동작이 반대입니다.

커패시터 하이패스 필터

커패시터의 임피던스 특성

커패시터 하이패스 회로에서 커패시터의 임피던스는 주파수가 낮아질수록 증가합니다(아래 플롯 참조). 이 높은 직렬 임피던스가 저주파 에너지가 부하에 도달하는 것을 효과적으로 차단합니다.

capacitive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
c1 1 2 0.5u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

커패시터 하이패스 필터의 응답은 주파수에 따라 상승합니다.

인덕터 하이패스 필터

인덕터의 임피던스 특성

인덕터 하이패스 필터는 정반대로 동작합니다. 인덕터의 임피던스는 주파수가 낮아질수록 감소하여, 저주파 신호가 부하 저항에 도달하기 전에 저임피던스 병렬 경로로 단락시킵니다. 결과적으로 대부분의 전압이 직렬 저항 R1에 걸리게 됩니다.

inductive highpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 200
l1 2 0 100m
rload 2 0 1k
.ac lin 20 1 200
.plot ac v(2)
.end

인덕터 하이패스 필터의 응답은 주파수에 따라 상승합니다.

실제로는 커패시터 설계가 더 선호됩니다. 단일 반응 소자만 필요하고 더 순수한 특성을 보이기 때문입니다. 인덕터는 고주파에서 표피 효과와 코어 손실을 겪는 경향이 있습니다.

차단 주파수

모든 1차 필터와 마찬가지로 하이패스 필터도 특성 차단 주파수 f_c를 가지며, 이곳에서 출력이 입력의 70.7%(1/√2)가 됩니다. 커패시터 하이패스 회로의 표준 공식은 다음과 같습니다:

위 예시에서 유일한 저항은 부하 저항(1 kΩ)이므로 이 값을 계산에 사용합니다.

하이패스 필터의 응용

스테레오 시스템을 예로 들어보겠습니다. 트위터에 직렬로 연결된 커패시터는 하이패스 필터 역할을 하여, 재생할 수 없는 저주파 베이스 에너지가 스피커에 낭비되는 것을 막습니다. 반대로 우퍼에 직렬로 연결된 인덕터는 로우패스 필터 역할을 하여 고주파 왜곡으로부터 베이스 드라이버를 보호합니다. 미드레인지 스피커는 전체 오디오 스펙트럼을 받습니다. 더 정교한 대역 분배를 위해서는 대역통과 필터를 사용하여 미드레인지 주파수만 미드레인지 드라이버로 보낼 수 있습니다.

하이패스는 고음을 트위터로, 로우패스는 저음을 우퍼로 보냅니다.

완전한 스테레오 시스템에서는 6개의 드라이버(우퍼 2개, 미드레인지 2개, 트위터 2개)가 사용되며, 각각 적절한 필터 네트워크로 구동됩니다.

요약:

• 하이패스 필터는 고주파 신호의 통과를 돕고 저주파 성분을 감쇠시킵니다.
• 커패시터 하이패스는 커패시터를 부하와 직렬로 배치하고, 인덕터 방식은 직렬 저항과 병렬 인덕터를 추가하여 원치 않는 주파수에 대한 저임피던스 단락 경로를 만듭니다.
• 차단 주파수는 출력이 입력의 70.7%가 되는 지점입니다. 이 이상에서는 출력이 개선되고, 이하에서는 신호가 감쇠됩니다.

관련 워크시트:

• 액티브 필터 워크시트
• 패시브 필터 회로 워크시트