노치 필터 설계:특정 노이즈 감쇠를 위한 협대역 필터

서로 다른 회로가 충돌하는 다양한 신호 주파수를 생성하기 때문에 전기 장치를 다룰 때 노이즈와 간섭이 일반적입니다. 이러한 문제는 전력선에 쉽게 영향을 받는 통신 장치에서 만연합니다. 이러한 문제가 발생하는 경우 노치 필터 설계를 사용하여 원치 않는 주파수를 필터링하는 방법이 있습니다. 다양한 유형의 노치 필터가 있으며 각각은 특정 구성 요소를 구축해야 하는 고유한 회로 설계를 가지고 있습니다.

이 기사에서는 올바른 회로를 구축할 수 있도록 그것들을 자세히 살펴볼 것입니다.

노치 필터란 무엇입니까?

대역 제거 필터 또는 대역 정지 필터라고도 하는 노치 필터는 좁은 노치에서 높은 수준의 감쇠를 생성하는 장치입니다. 이 주파수 대역은 거부하지만 차단된 범위 아래 또는 위에 있는 다른 모든 주파수는 전송할 수 있습니다.

50Hz 오디오 필터의 주파수 응답을 보여주는 그래프. 차단된 주파수의 좁은 V자 모양에 유의하세요.

출처:Wikimedia Commons.

이 장치는 AC 전원에서 나오는 60Hz 윙윙거리는 소리와 같은 특정 노이즈를 필터링하는 데 유용합니다.

노치 필터 특성

노치 필터에는 세 가지 속성이 있습니다.

• 협대역폭(저지대역)
• 완벽한 감쇠 깊이
• 높은 Q

높은 Q를 달성하려면 회로에 거의 무한한 감쇠 깊이와 높은 이득 연산 증폭기가 필요합니다.

노치 필터 유형

노치 필터 설계에는 세 가지 구성 요소가 있습니다. 저역 통과 필터는 고주파수를 감쇠하고 고역 통과 필터는 저주파를 차단하며 합산 증폭기는 결과를 결합합니다.

그러나 다양한 노치 필터 유형이 있으며 각각 고유한 회로 설계가 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

활성 노치 필터

액티브 노치 필터 회로도

녹색 부분은 이 활성 필터에서 저역 통과 필터를 형성하고 파란색 부분은 고역 통과 필터를 형성합니다. 이들은 연산 증폭기(주황색 구성 요소)에 의해 요약됩니다.

수동 노치 필터

능동 노치 필터와 달리 이 유형에는 수동 부품만 있습니다. 회로의 활성 부분을 형성하는 증폭기가 없습니다.

T 구성의 저역 및 고역 통과 필터를 보여주는 수동 노치 필터 회로도

주황색 부분은 다이어그램에서 저역 통과 필터 섹션을 구성하고 파란색 구성 요소는 고역 통과 필터를 구성합니다.

RLC 노치 필터

이름에서 알 수 있듯이 RLC 노치 필터는 회로에 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C)만 있기 때문에 수동형입니다.

RLC 노치 필터

버터워스 노치 필터

Butterworth 노치 필터는 가능한 한 평평한 응답을 생성하여 신뢰성 있고 매우 정확합니다. ECG와 같은 대부분의 의료 장비에는 장치가 있습니다.

4차 버터워스 저역 통과 필터

FM 노치 필터

FM 노치 필터는 수신기 포화를 유발하는 강한 FM 신호를 거부하는 데 도움이 됩니다. 주로 지역화된 오디오 방송으로 인해 동일한 대역의 주파수 변조가 증가했기 때문에 이 장치는 소음을 줄이는 데 중요합니다.

VHF FM 노치 필터

다른 유형에는 광학, RF 및 역 노치 필터가 있습니다. 더 있을 수 있지만 모두 기본 회로로 능동 또는 수동 노치 필터가 있습니다. 둘을 구별하는 유일한 방법은 회로 설계에 능동 구성 요소(증폭기 회로)가 있는지 여부입니다.

노치 필터 설계 예

노치 필터의 기본 디자인

앞서 언급했듯이 노치 필터에는 저역 통과 필터, 고역 통과 필터 및 증폭기의 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 이 세 가지를 결합하면 좁고 특정한 주파수 범위를 감쇠시킵니다.

노치 필터의 좁은 V 저지대역을 보여주는 그래프 응답

출처:Wikimedia Commons.

가장 일반적인 노치 필터 토폴로지는 기본 트윈 T 노치 필터 설계입니다. 두 개의 RC 브랜치의 조합입니다.

기본 트윈 T 노치 필터 회로

위쪽 T 구성(빨간색)은 로우 패스 필터이고 아래쪽 T(녹색)는 하이 패스 필터입니다.

그러나 높은 감쇠 수준으로 더 좁은 제거 수준을 얻으려면 연산 증폭기를 도입해야 합니다.

연산 증폭기가 있는 트윈 T 노치 필터. 주황색으로 표시된 두 개의 저항은 전압 분배기를 형성합니다.

회로에는 여전히 한 가지 중요한 문제가 있습니다. 응답 곡선에서 V 감쇠 후 게인을 증가시킵니다. 따라서 회로가 통과 대역을 변경하지 않도록 다른 연산 증폭기를 도입해야 합니다.

2개의 연산 증폭기 노치 필터 설계

디자인 예

1kHz 노치 주파수와 3dB 대역폭이 100Hz인 두 개의 연산 증폭기를 설계한다고 가정해 보겠습니다. 고역 통과 필터 커패시터의 값을 0.1uF로 고려하십시오.

다음과 같은 노치 필터 주파수를 구하는 공식을 사용할 수 있습니다.

따라서 다음과 같이 20dB 노치 깊이에 대한 활성 노치 필터를 설계할 수 있습니다.

20dB 노치 깊이를 위한 2개의 연산 증폭기 노치 필터

RLC 유형 노치 필터 설계

볼 가치가 있는 또 다른 예는 RLC 노치 필터입니다. 6개의 구성요소가 있는 Twin-T 설계 대신 저항, 인덕터 및 커패시터의 3개만 있습니다.

작업이 차단 주파수로 23kHz 및 25kHz를 사용하여 회로를 설계하는 것이라면 다음과 같이 하십시오.

23kHz 및 25kHz 차단 주파수용 RLC 노치 필터

노치 필터 전달 기능

BW는 대역폭입니다.

W_Z W_P 동안 제로 원형 주파수(차단 주파수) 극 원형 주파수입니다. 승_P 필터의 유형/특성을 결정하며 세 가지 가능성이 있습니다.

• 극 원형 주파수가 제로 원형 주파수보다 높은 경우(W_P>W_Z ), 하이 패스 노치 필터입니다.
• 극 원형 주파수가 제로 원형 주파수보다 낮은 경우(W_P Z ), 저역 통과 노치 필터입니다.
• 그러나 두 값이 같으면 표준 노치 필터가 있는 것입니다.

따라서 표준 노치 필터의 공식을 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.

여_C W₀ 동안 거부된 밴드의 너비입니다. 거부된 빈도(중앙)입니다.

노치 필터 응용 프로그램

• 통신 시스템:고조파 잡음(특히 전력선)에 의한 메시지 신호 간섭의 가능성이 높으며 노치 필터는 이러한 주파수 범위를 제거하는 데 도움이 됩니다.
• 오디오 애플리케이션(어쿠스틱 애플리케이션):허밍 노이즈는 증폭기 및 PA 시스템과 같은 오디오 엔지니어링 장치에서 왜곡되거나 급격한 스파이크를 생성할 수 있지만 노치 필터는 이러한 주파수를 제거할 수 있습니다.
• 의료 공학:전력선 간섭으로 인해 EEG 및 ECG 판독값이 엉망이 될 수 있습니다. 노치 필터는 생의학 신호에서 이러한 전력선 노이즈를 제거하는 데 도움이 됩니다.
• 인터넷 서비스:DSL과 같은 전화선을 통한 인터넷 전송은 원치 않는 간섭에 취약하며 이를 처리할 수 있는 유일한 방법은 회선 잡음 감소 장치인 노치 필터입니다.
• 디지털 신호 및 이미지 처리
• 광학 애플리케이션

요약

노치 필터는 주로 AC 전원으로 인한 간섭을 차단할 수 있기 때문에 여러 응용 분야에서 편리한 장치입니다.

이 장치를 만들고 싶다면 위의 정보와 회로도만으로도 프로세스를 안내하기에 충분합니다.

그러나 먼저 해당 프로젝트에 필요한 개별 구성 요소를 구입해야 하며 필요한 모든 것을 갖추고 있습니다. 정품 PCB, 저항, 커패시터 및 필터 설정에 필요한 모든 부품에 대한 저렴한 거래를 원하시면 저희에게 연락하십시오.