Transcript Exp6. Active • Passive Filter

아날로그 회로 실험 및 설계
Exp 6. Active • Passive Filter
- 대진대학교 전자공학과 -
Exp6. Active • Passive Filter
능동 • 수동필터 실험목표
- 아날로그회로 중에서 가장 많이 사용되는 회로
- 신호처리의 근간이 되는 회로이다.
- 능동 • 수동 필터의 동작 개념을 이해한다.
Exp6. Active • Passive Filter
What is the filter?

다양한 신호들은 대부분 여러 신호가 뒤섞여있는 신호이다.
Exp6. Active • Passive Filter
What is the filter?

특정의 주파수대를 통과시키거나, 차단하고 혹은 증폭하는 기능을 지닌 회로
Exp6. Active • Passive Filter
Ideal filters

이상적인 필터의 주파수 응답은 Scut가 샤프하고, Gain은 플랫한 것이 특징

그럼, 현실적인 필터의 주파수 응답은 어떨까???
Exp6. Active • Passive Filter
Practical filters

실제 필터의 주파수 응답은 삽입손실이 있고 Scut가 명확하지 못하다.

이는 필터의 차수(Order)를 높여주면 개선될 수 있다.
Exp6. Active • Passive Filter
What is Passive filter?
A passive filter is a kind of electronic filter that is made only from passive
elements – in contrast to an active filter, it does not require an external power
source (beyond the signal).
– Wikipedia –
Exp6. Active • Passive Filter
RC filter – Low Pass Filter
Transfer Function
1
V ( s ) jC
1
H ( s )  out


Vin ( s ) R  1 1  j RC
jC
Characteristics of Gain
H ( j ) 
 1,   0
H ( j )  
0,   
Cutoff Frequency
1
1  (c RC ) 2

1
1

1  j RC
1  ( RC ) 2
1
,
2
c 
1
,
RC
fc 
1
2 RC
Where f c is the cutoff or corner frequency and the output is down by
1
2
at the cutoff frequency
Exp6. Active • Passive Filter
RC filter – Low Pass Filter
주파수 =0에서
커패시터는 개방
주파수 =∞에서
커패시터는 단락
Exp6. Active • Passive Filter
LPF ’s Frequency Response
Gain: x 1
1
 0.707
2
Butterworth type LPF Response
Exp6. Active • Passive Filter
RC filter – High Pass Filter
Transfer Function
H ( s) 
Vout ( s)
R
j RC


Vin ( s) R  1 1  j RC
jC
Characteristics of Gain
j RC
 RC

1  j RC
1  ( RC ) 2
 0,   0
H ( j )  
1,   
H ( j ) 
Cutoff Frequency
c RC
1  (c RC ) 2

1
,
2
c 
1
,
RC
fc 
1
2 RC
Where f c is the cutoff or corner frequency and the output is down by
1
2
at the cutoff frequency
Exp6. Active • Passive Filter
RC filter – High Pass Filter
주파수 =0에서
커패시터는 개방
주파수 =∞에서
커패시터는 단락
Exp6. Active • Passive Filter
The Limit of Passive Filters
이론상으론 기본형 필터를 몇 단 직렬로 연결하면 첨예한 특성을 만들 수 있다고
한다. 하지만 실상은 f의 기하평균이 된다.
fc 
f c1 f c 2 f c3 f c 4
f cn
Or
fc 
2 C1C2C3
1
Cn R1R2 R3
실제로는 Impedance 관계 등으로 passive filter의 직렬 연결이 불가능하다.
따라서 Active Filter가 진리 !!
Rn
Exp6. Active • Passive Filter
Active Filter : Low Pass Filter (Integrator)
Av 
Vout
Vin
R2
Av 0
R1


1  j R2C
1  j R2C

허수 표현은 다음과 같이 변환 가능
1  j R2C  1  ( R2C )2
The DC Gain
Av 0  
R2
R1
Cutoff Frequency
1
fc 
2 R2C
Av 

Av 0
1  ( R2C )
2

R2
R1
2
Exp6. Active • Passive Filter
Active Filter : High Pass Filter (Differentiator)
Av 

Vout

Vin

Av 
R2
R1
1  ( R2C ) 2
R2
R1
2
Cutoff Frequency
fc 
1
2

1
2 R1C
Exp6. Active • Passive Filter
Passive LPF : Computer Simulation
Cutoff Frequency
1
1
fc 

2
2 R1C1
 1, 591.54Hz
Exp6. Active • Passive Filter
LPF : Computer Simulation
차단주파수 1,591.54Hz
통과대역 전압 1.00 V x 0.707 = 0.707 V
표시 부분 전압 0.707 V
표시 부분 주파수 1,5887Hz
Exp6. Active • Passive Filter
LPF : Computer Simulation
Pspice -> Markers -> Advanced -> dB Magnitude of Voltage
Exp6. Active • Passive Filter
Passive HPF : Computer Simulation
Cutoff Frequency
1
1
fc 

2
2 R1C1
 1, 591.54Hz
Exp6. Active • Passive Filter
HPF : Computer Simulation
차단주파수 1,591.54Hz
통과대역 전압 1.00 V x 0.707 = 0.707 V
표시 부분 전압 0.707 V
표시 부분 주파수 1,5887Hz
Exp6. Active • Passive Filter
HPF : Computer Simulation
Pspice -> Markers -> Advanced -> dB Magnitude of Voltage
Exp6. Active • Passive Filter
Active LPF : Computer Simulation
Cutoff Frequency
1
1
fc 

2
2 R1C1
 1, 591.54Hz
Exp6. Active • Passive Filter
LPF : Computer Simulation
차단주파수 1,591.54Hz
통과대역 전압 5.1662 V x 0.707 = 3.652 V
Gain : 4.54
표시 부분 전압 3.6447 V
표시 부분 주파수 1,5986Hz
Exp6. Active • Passive Filter
LPF : Computer Simulation
Here Comes a
New Report !!!
Here Comes A New Report
향후 강의 일정
주차
날짜
실험내용
9
11/1
졸업여행(미정)
10
11/8
Term Project 1
11
11/15
ADC의 이해 및 실험
12
11/22
DAC의 이해 및 실험
13
11/29
Term Project 2
14
12/6
응용작품 실험
15
12/13
기말고사
과제 준비
과제 제출
Here Comes A New Report
Report 의 개요
Computer Simulation 을 기반으로 요구한 Spec을 만족시키는
아날로그 회로를 설계한다.
과제 보고서
요구서
1.
광전 용적 맥파 (PPG)의 이론과 특징
2.
PPG 측정기의 블록도(Block Diagram)
3.
회로 구성 및 분석
4.
시뮬레이션 결과
5.
느낀 점
Here Comes A New Report
PPG 의 소개
광전 용적 맥파 Photo-Plethysmography (PPG)는 특정 파장대역의 빛을
인체에 조사하고 반사 또는 투과된 빛을 검출한 신호로 심장 박동에 따라
발생하는 맥동성분을 나타내는 신호입니다.
PPG를 이용한 생체신호 측정은 무구속, 비침습적이며 단일 센서로 맥박, 호흡,
산소포화도 등의 다중신호의 검출이 가능하며, 저가로 구성이 가능하고
회로 또한 복잡하지 않다는데 장점이 있습니다.
Here Comes A New Report
PPG 신호의 습득
발광 파장과 수광 파장이 동일한 IRED Set을 사용하여 PPG 신호를 수집할 수 있다.
하지만, 신호의 크기가 너무 작으므로 증폭을 해야 한다.
Here Comes A New Report
PPG 신호의 습득
PPG 신호
Peak 검출
사람의 맥박은 성인 평균 60~80회이며, 청소년 80~90회 신생아는 120~130회이다.
따라서, 맥박 신호만 뽑아내기 위해, 맥박이 아닌 신호는 걸러내야 한다.
맥박의 최대와 최소를 10~300회로 가정하고, 해당 주파수 대역만 통과할 수 있는
회로를 구성한다.
출력레벨은 0~5V 로 정한다.
Here Comes A New Report
PPG 신호 예제
반전증폭
150mVpp
60mVpp
원신호
60mVpp
Here Comes A New Report
PPG 신호 예제
2Vpp
증폭과 필터링
2Vpp
원신호
25mVpp
25mVpp
Here Comes A New Report
PPG 신호 예제
원신호
음전압 양전압 존재
최종 신호
0~5V 사이에서 스윙
Here Comes A New Report
PPG 과제 요약
1.
사람의 맥박수를 통과 대역으로 하는 BandPass Filter 를 설계하고 시뮬레이션한다.
( LPF 와 HPF 를 나눠서 구성해도 관계없음)
2.
60mVpp 입력신호를 4Vpp 로 증폭시켜주는 증폭기를 설계한다.
3.
0V를 기준전압으로 하는 신호에 Offset 을 주는 회로를 구성하여
기준전압이 2~2.5V가 되게 한다.
4.
Term Project #2 로 제작하면 Very Good !!
Thank You !!!