보드 선도와 여유: 단계별 풀이가 있는 연습 문제

그림, 힌트, 자세한 풀이가 있는 무료 보드 선도와 여유 연습 문제. 매번 새로운 값으로, 세 가지 난이도: 필터와 점근선, 크기와 위상, 안정 여유.

무료 연습 문제쉬움
vin​C = 4.7 nFR = 10 kΩvout​

R = 10 kΩ, C = 4.7 nF일 때, 그림에 나타난 RC 고역 통과 필터의 차단(−3 dB) 주파수 fc을(를) 구하시오. Hz로 답하시오.

R = 10 kΩC = 4.7 nF
Hz
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보드 선도와 여유 무료로 연습하기지금 보드 선도와 여유 연습하기매일 무료 문제 5개. 카드 등록이 필요 없습니다.

연습 내용

  1. 쉬움필터와 점근선
  2. 보통크기와 위상
  3. 어려움안정 여유

보드 선도와 여유 처음부터 배우기

먼저 알아 둘 것: 교류 임피던스와 페이저, 라플라스 변환

1보드 선도가 보여 주는 것

사인파를 필터나 증폭기에 넣으면 같은 진동수의 사인파가 나옵니다. 바뀌는 것은 두 가지뿐입니다: 크기와 타이밍.

tvvin​vout​

이득 |H|는 출력 진폭을 입력 진폭으로 나눈 비입니다. 위상 φ는 출력이 도 단위로 얼마나 어긋났는지입니다. 음의 위상은 출력이 뒤처진다는 뜻입니다.

둘 다 진동수에 따라 달라집니다. 보드 선도는 이를 진동수에 대해 그립니다: 위에는 데시벨 단위의 이득, 아래에는 위상. 진동수 축은 로그 눈금이므로 모든 디케이드(×10)가 같은 폭을 가집니다.

데시벨은 비를 더할 수 있는 수로 바꿉니다:

|H|dB = 20·log₁₀|H|
  • 이득 1은 0 dB, 10은 20 dB, 100은 40 dB, 0.1은 −20 dB입니다.
  • 이득 1/√2 ≈ 0.707은 −3 dB입니다. 이것이 필터의 통과 대역의 가장자리입니다.
자가 점검 증폭기의 이득이 100입니다. 데시벨로 이득은 얼마입니까?
  1. 100 dB
  2. 2 dB
  3. 20 dB
  4. 40 dB

답: 40 dB. 20·log₁₀(100) = 20·2 = 40 dB입니다. 20 dB는 전압이 아니라 전력비에 쓰는 10·log₁₀를 쓴 값입니다. 2는 log₁₀(100)일 뿐입니다.

21차 필터

저항에 커패시터나 인덕터를 달면 가장 간단한 필터가 됩니다. 저역 통과 필터는 낮은 진동수를 통과시키고 높은 진동수를 약하게 합니다. 고역 통과 필터는 그 반대입니다.

vin​RCvout​vin​CRvout​

RC 저역 통과 필터(왼쪽)에서는 출력이 커패시터 양단에 있습니다. RC 고역 통과 필터(오른쪽)에서는 저항 양단에 있습니다. 인덕터를 쓰면 저역 통과 필터의 출력은 R 양단, 고역 통과 필터의 출력은 L 양단에 있습니다.

변화는 이득이 −3 dB인 차단 진동수 근처에서 일어납니다. 저역 통과와 고역 통과에서 같은 값입니다:

ωc = 1/(R·C) ωc = R/L fc = ωc/(2π)

ωc는 rad/s, fc는 Hz입니다. R, C, L을 먼저 기본 단위로 바꾸세요: Ω, F, H.

0−20−40dB−20 dB/dec−3 dB0°−45°−90°−45°0.010.1110100ω/ωc​

그림은 저역 통과 필터를 보여 줍니다. ωc 아래에서 이득은 약 0 dB입니다. 그 위에서는 디케이드당 20 dB씩 떨어집니다. 위상은 0°에서 −90°로 가며 차단 진동수에서 −45°입니다.

어떤 진동수에서든, 비 x = f/fc = ω/ωc로:

  • 저역 통과: |H| = 1/√(1 + x²), φ = −atan x.
  • 고역 통과: |H| = x/√(1 + x²), φ = 90° − atan x.
풀이 예제

R = 470 Ω, L = 47 mH인 RL 고역 통과 필터의 차단 진동수 fc를 구하시오.

1

기본 단위

L = 47 mH = 0.047 H
2

rad/s 단위의 차단 진동수

ωc = R/L = 470/0.047 = 10 000 rad/s
3

Hz 단위의 차단 진동수

fc = 10 000/(2π) = 1592 Hz
답

fc ≈ 1592 Hz (ωc = 10 000 rad/s).

자가 점검 RC 저역 통과 필터의 R = 1 kΩ, C = 1 µF입니다. 차단 진동수 fc는 얼마입니까?
  1. 1000 Hz
  2. 159 Hz
  3. 159 kHz
  4. 6283 Hz

답: 159 Hz. ωc = 1/(1000·0.000001) = 1000 rad/s이므로 fc = 1000/(2π) = 159 Hz입니다. 1000은 Hz가 아니라 rad/s 단위의 ωc입니다. 6283은 2π를 곱한 값이고, 159 kHz는 kΩ의 k를 잊은 값입니다.

3직선 근사 보드 선도

전달함수 G(s)의 크기는 직선으로 스케치할 수 있습니다. 각 인수는 자기 차단 진동수에서 기울기를 바꿉니다.

  • 분모의 극점 인수 (s + p)는 ω = p부터 선을 디케이드당 20 dB만큼 아래로 꺾습니다.
  • 분자의 영점 인수 (s + z)는 ω = z부터 선을 디케이드당 20 dB만큼 위로 꺾습니다.
  • 분모의 인수 s(적분기)는 모든 진동수에서 −20 dB/디케이드와 −90°의 위상을 줍니다.
  • 적분기가 없으면 선도는 dB로 바꾼 DC 이득 G(0)에서 평평하게 시작합니다.
200−20−40−60dB0−20−401101001000ω

그림은 G(s) = 10 000/((s + 10)(s + 100))을 보여 줍니다. G(0) = 10 000/1000 = 10이므로 선도는 20 dB에서 시작합니다. 10 rad/s에서 −20 dB/디케이드로, 100 rad/s에서 −40 dB/디케이드로 꺾입니다.

한 대역의 기울기를 구하려면: 적분기마다 −20 dB/디케이드로 시작하고, 그 대역보다 아래에 있는 극점 차단 진동수마다 −20을, 영점 차단 진동수마다 +20을 더하세요.

자가 점검 G(s) = 20(s + 50)/(s(s + 5))입니다. 5와 50 rad/s 사이에서 직선 선도의 기울기는 얼마입니까?
  1. 0 dB/디케이드
  2. −20 dB/디케이드
  3. −40 dB/디케이드
  4. −60 dB/디케이드

답: −40 dB/디케이드. 적분기가 처음부터 −20을 줍니다. 5의 극점이 −20을 더하므로 5와 50 사이의 기울기는 −40입니다. 50의 영점이 50 위에서 −20으로 되돌립니다. −60은 영점을 극점으로 취급한 값입니다.

4한 진동수에서의 정확한 값

직선은 스케치일 뿐입니다. 정확한 값을 얻으려면 s = jω를 대입하세요. 각 인수 (jω + a)는 다음과 같은 복소수입니다:

|jω + a| = √(ω² + a²) ∠(jω + a) = atan(ω/a)

G의 크기는 분자 크기의 곱을 분모 크기의 곱으로 나눈 값입니다. 위상은 분자 각의 합에서 분모 각의 합을 뺀 값입니다.

예: G(s) = 150/((s + 3)(s + 4)), ω = 4 rad/s. |j4 + 3| = 5이고 |j4 + 4| = 5.657이므로 |G| = 150/28.28 = 5.30이며 이는 14.5 dB입니다.

위상은 −atan(4/3) − atan(4/4) = −53.1° − 45° = −98.1°입니다.

R 양단을 출력으로 하는 직렬 RLC 회로는 대역 통과 필터입니다. 공진 진동수 ω₀ = 1/√(LC) 근처의 진동수를 통과시킵니다. 대역폭은 rad/s 단위로 BW = R/L이고, 품질 계수는 Q = ω₀/BW입니다.

  1. G(s) 또는 H(jω)를 쓰세요. RC나 RL 필터라면 먼저 ωc와 비 x = ω/ωc를 구하세요.
  2. 각 인수마다 크기 √(ω² + a²)와 각 atan(ω/a)를 구하세요.
  3. 크기는 곱하고 나누세요. 영점의 각은 더하고 극점의 각은 빼세요; 적분기는 −90°를 더합니다.
  4. 크기를 20·log₁₀로 dB로 바꾸세요.
  5. 직선 스케치와 비교해 확인하세요: 정확한 값은 그 가까이에 있어야 하고, 하나의 차단 진동수에서는 3 dB 아래에 있어야 합니다.

5풀이 예제

이것은 전형적인 보통 문제입니다. 열어 보기 전에 각 단계를 시도해 보세요.

풀이 예제

RC 저역 통과 필터의 R = 10 kΩ, C = 100 nF입니다. 480 Hz의 사인파를 가합니다. dB 단위의 이득 |H|와 위상 이동 φ를 구하시오.

1

차단 주파수

기본 단위를 쓰세요: R = 10 000 Ω, C = 0.0000001 F.

ωc = 1/(10 000·0.0000001) = 1000 rad/s
fc = 1000/(2π) = 159.2 Hz
2

진동수 비

x = f/fc = 480/159.2 = 3.016

입력이 차단 진동수보다 위에 있으므로 이득이 뚜렷이 줄어들 것으로 예상하세요.

3

이득

|H| = 1/√(1 + 3.016²) = 1/3.177 = 0.315
20·log₁₀(0.315) = −10.0 dB
4

위상

저역 통과 필터는 출력을 뒤처지게 하므로 위상은 음수입니다.

φ = −atan(3.016) = −71.7°
5

답 검산

0−20−40dB−20 dB/dec−10.0 dB0.010.1110100ω/ωc​

직선 근사는 −20·log₁₀(3.016) = −9.6 dB를 주며, 정확한 −10.0 dB에 가깝습니다.

답

|H| ≈ −10.0 dB, φ ≈ −71.7°.

6흔한 실수

  • 전압 이득에 10·log₁₀를 쓰기. 신호의 이득에는 20·log₁₀를 씁니다.
  • ω와 f를 혼동하기. ωc = 1/(RC)는 rad/s이며, Hz로 바꾸려면 2π로 나누세요.
  • RL의 차단 진동수에 L/R을 쓰기. L/R은 시정수이고, 차단 진동수는 ωc = R/L입니다.
  • 크기를 ω + a처럼 더하기. jω + a의 크기는 √(ω² + a²)입니다.
  • 적분기를 잊기: 1/s는 모든 진동수에서 −20 dB/디케이드와 −90°를 줍니다.
  • 정확한 크기를 물었는데 직선 근사 값을 답하기.
자가 점검 G(s) = 400/((s + 2)(s + 5))의 DC 이득은 dB로 얼마입니까?
  1. 16.0 dB
  2. 32.0 dB
  3. 40 dB
  4. 52.0 dB

답: 32.0 dB. G(0) = 400/(2·5) = 40이고 20·log₁₀(40) = 32.0 dB입니다. 16.0 dB는 10·log₁₀를 쓴 값입니다. 40은 비이지 dB가 아닙니다. 52.0 dB는 분모에서 s = 0을 놓는 것을 잊은 값입니다.

7시험 문제의 유형

  • 쉬움: 필터와 점근선. RC나 RL 필터의 Hz 또는 rad/s 단위의 차단 진동수, 한 대역에서 직선 선도의 기울기, 또는 dB 단위의 DC 이득.
  • 보통: 크기와 위상. 주어진 진동수에서 필터의 dB 단위 이득이나 위상, 전달함수의 정확한 |G(jω)| 또는 ∠G(jω), 또는 RLC 대역 통과 필터의 f₀, BW 또는 Q.
  • 어려움: 85/(s(s + 5)) 또는 K/(s(s + a)(s + b)) 같은 루프 L(s)의 안정 여유.

어려운 수준에서는 두 진동수가 필요합니다. 이득 교차 ωc에서 |L(jω)| = 1(0 dB)입니다. 위상 교차 ω180에서 ∠L(jω) = −180°입니다.

PM = 180° + ∠L(jωc) GM = −20·log₁₀|L(jω180)|

L(s) = K/(s(s + a)(s + b))에서 위상 교차는 ω180 = √(a·b)입니다. 두 여유가 모두 양수이면 루프는 안정합니다.

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예제 풀이

예제 1쉬움
|H| (dB)0.11101001000−100−80−60−40−200ω (rad/s)

G(s) = 12/((s + 1)(s + 40))의 저주파(DC) 이득을 데시벨로 구하시오. |G(0)| dB 단위로 답하시오.

G(s) = 12/((s + 1)(s + 40))

구하는 값: |G(0)| (dB)

힌트 보기
  1. 아주 낮은 주파수에서는 s → 0입니다.
  2. G(0) = 0.3.
  3. 20·log₁₀(0.3).
정답과 단계별 풀이 보기

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

직류 이득

G(0) = 0.3

데시벨로

20·log₁₀(0.3) = −10.46 dB

답

|G(0)| = −10.46 dB
예제 2보통
vin​R = 1 kΩC = 1 nFvout​

그림의 RC 저역 통과 필터은(는) R = 1 kΩ, C = 1 nF을(를) 가집니다. 1600 kHz의 정현파 입력이 가해집니다. vin에 대한 vout의 위상 이동 φ을(를) 도 단위로 구하시오.

R = 1 kΩC = 1 nFf = 1600 kHz

구하는 값: φ (°)

힌트 보기
  1. 먼저 차단 주파수를 구하세요: fc = 159155 Hz.
  2. H(jω) = 1/(1 + jω/ωc)
  3. f/fc = 10.05.
정답과 단계별 풀이 보기

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

차단 주파수

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁹) = 1000000 rad/s
fc = 159155 Hz → f/fc = 1.6 × 10⁶/159155 = 10.05

위상

φ = − atan(10.05) = −84.32°

답

φ = −84.32°
예제 3어려움
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 185/(s(s + 5))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.

L(s) = 185/(s(s + 5))

구하는 값: PM (°)

힌트 보기
  1. |L(jω)| = 185/(ω·√(ω² + 25)) = 1에서 ω⁴ + 25ω² − 34225 = 0을 얻습니다.
  2. x = ω²에 대한 이차식을 푸세요: x = (−a² + √(a⁴ + 4K²))/2.
  3. ωc = 13.15 rad/s; ∠L = −90° − atan(ωc/5).
정답과 단계별 풀이 보기

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

이득 교차

ω⁴ + 25ω² − 34225 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·34225))/2 = 172.9
ωc = 13.15 rad/s

위상 여유

∠L(jωc) = −90° − atan(13.15/5) = −159.2°
PM = 180° + ∠L = 20.82°

답

PM = 20.82°

질문과 답변

보드 선도와 여유: 무엇인가요?

사인파를 필터나 증폭기에 넣으면 같은 진동수의 사인파가 나옵니다. 바뀌는 것은 두 가지뿐입니다: 크기와 타이밍.

둘 다 진동수에 따라 달라집니다. 보드 선도는 이를 진동수에 대해 그립니다: 위에는 데시벨 단위의 이득, 아래에는 위상. 진동수 축은 로그 눈금이므로 모든 디케이드(×10)가 같은 폭을 가집니다.

보드 선도와 여유 문제는 어떻게 단계별로 푸나요?

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

보드 선도와 여유에서 자주 하는 실수는?
  • 이것은 비율로 나타낸 이득입니다. 바꾸세요: 20·log₁₀(0.3).
  • 전압이나 신호의 비에는 20·log₁₀을 쓰고, 10·log₁₀(전력용)을 쓰지 마세요.
  • 모든 인수에서 s = 0으로 놓으세요: G(0) = 0.3이며 12이(가) 아닙니다.
보드 선도와 여유 연습에서는 무엇을 다루나요?
  • 쉬움: 필터와 점근선
  • 보통: 크기와 위상
  • 어려움: 안정 여유

문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다. 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.

연습 방법

  • 문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다.
  • 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.
  • 진행 상황, 틀린 문제, 저장한 문제가 보관되므로 시험 전에 복습할 수 있습니다.

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