로우패스필터는 어떻게 특정 주파수 이상의 신호만 걸러내나요?

Question

전자회로에서 로우패스필터가 고주파 노이즈를 제거하는 데 쓰인다고 배우는데, 커패시터와 저항의 조합이 어떤 원리로 특정 주파수 대역만 통과시키는지 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

RC 로우패스필터는 저항을 신호가 지나가는 길에 직렬로 넣고, 커패시터를 출력 단자와 접지 사이에 연결한 구조예요. 출력은 커패시터 양단의 전압이에요.

커패시터는 주파수에 따라 저항처럼 작용하는 정도가 달라요. 이를 리액턴스라 부르고 Xc = 1/(2πfC)로 계산해요. 주파수가 낮으면 Xc가 커서 커패시터가 거의 끊긴 선처럼 행동하니, 입력 전압이 대부분 출력에 그대로 걸려요. 주파수가 높으면 Xc가 작아져 커패시터가 접지로 통하는 지름길이 되고, 고주파 성분은 출력으로 가지 못하고 접지로 빠져나가요. 저항과 커패시터가 전압을 나눠 갖는 비율이 주파수에 따라 달라지는 거예요.

시간으로 보면 더 직관적이에요. 커패시터는 저항을 거쳐 충전되는 데 시간이 걸리고, 그 빠르기는 RC 값으로 정해져요. 천천히 변하는 신호는 충전이 따라갈 수 있어 출력이 입력을 잘 따라가요. 빠르게 오르내리는 신호는 채 충전되기 전에 방향이 바뀌니 출력이 거의 움직이지 않아요.

경계가 되는 차단 주파수는 fc = 1/(2πRC)예요. 1kΩ과 0.1μF를 쓰면 약 1.6kHz가 되고, 이 주파수에서 출력은 입력의 약 70%예요. 그 위로는 주파수가 10배 오를 때마다 출력이 10분의 1로 줄어요. 칼로 자르듯 딱 끊기는 게 아니라 서서히 줄어들어서, 더 가파르게 걸러야 할 때는 필터를 여러 단 이어 붙이거나 인덕터·연산증폭기를 함께 써요 :)

Answer 2

안녕하세요.

로우패스필터는 저주파 신호는 통과시키고 고주파 신호는 줄이는 회로를 말해요.

저항은 전류 흐름을 제한하고 커패시터는 주파수가 높아질수록 신호를 더 쉽게 흘려 보내는 특성이 있죠. 그래서 고주파 성분은 커패시터 쪽으로 빠져나가고, 저주파 성분은 출력 쪽에 남게 되죠.

저항과 커패시터의 크기를 조절하면 어느 주파수부터 신호가 크게 줄어들지 결정할 수 있는데, 쉽게 이야기 하면 고주파 노이즈가 빠져나가는 길을 만들어서 원하는 저주파 신호만 남기는 원리라고 보면 되요.

감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

로우패스 필터는 커패시터의 리액턴스가 주파수에 딸라 달라지는 성질을 이용합니다.

저주파에서는 커패시터가 거의 끊긴 선처럼 되어 신호를 통과하며

고주파에서는 커패시터가 접지로 통하는 지름길이 되어 노이즈로 출력으로 가지 못하고 접지로 빠져나가는 것입니다.

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

로우패스 필터는 커패시터가 신호의 주파수에 따라 저항 값이 달라지는 성질을 이용합니다. 주파수가 높아질수록 커패시터의 리액턴스가 극도로 작아져 고주파 노이즈는 출력단으로 가지 못하고 커패시터를 통해 접지로 흘러 빠져나갑니다 반대로 신호의 주파수가 낮으면 커패시터의 리액턴스가 매우 커져 마치 회로가 단선된 것처럼 동작하므로 저주파 신호는 저항을 거쳐 로스 없이 그대로 출력단으로 통과하게 됩니다. 결론적으로 저항과 커패시터가 만든 특정 차단 주파수를 기준으로 그보다 높은 고주파 영역만 아래로 바이패스시켜 제거하는 원리입니다

Answer 5

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

로우패스 필터는 커패시터가 주파수에 따라서 저항 성분이 변하는 성질을 이용합니다. 커패시터의 리액턴스는 주파수가 높아질수록 0에 가까워집니다. 그래서 직류나 저주파 신호가 들어오면 커패시터가 길을 막아서 신호가 출력 단자로 그대로 나가죠.

하지만 고주파 신호나 노이즈가 들어오면은 커패시터의 저항이 낮아집니다. 그래서 전력이 접지 쪽으로 빠져나가 버리죠.

그리고 출력 단자로 나가는 신호의 한계점은 저항과 커패시터의 값으로 결정됩니다. 원하는 주파수 대 위쪽만 딱 골라서 지워버릴 수가 있는 거죠. 게다가 저항과 커패시터의 위치만 바꾸면 거꾸로 고주파만 통과시키는 하이패스 필터가 될 수도 있습니다. 그래서 결론적으로 저항으로 신호 흐름을 잡고 커패시터로 노이즈 바이패스 통로로 써서 고주파를 걸러내는 원리라고 이해해 주시면 좋을 것 같습니다.