簡單工具如何幫助您創造更好的電路
引言
電路設計是可以非常艱鉅的喔，因為現實中的事物與我們在書本上看到的東西是有區別的。 不少的電路都是從RLC組合而成，例如濾波器、分壓電路等，看似簡單，而且都是一般方程式已經可以表達出其功能，其實在設計上還包含許多學問。 很明顯，工程師需要不斷地練習電路設計，在學習的過程中進行大量鍛煉與修正，才能更有效率完成電路設計的工作。 DigiKey 的線上小工具，不謹只有關於PCB走線設計和零件標記確認（歡迎查閱上篇文章【從PCB製造到實踐的好幫手】）等超實用工具，同時也有不少是有關電路設計的。 以下介紹的工具，都是工程師超受歡迎的，看看是否有您的心頭好。
圖1 ：「DigiKey 的線上換算器」介面
被動濾波器用於衰減高於或低於確定頻率的訊號。 這個被動濾波器計算器可以讓您選擇電氣成分（RC - 電阻/電容 或RL - 電阻/電感）並輸入對應數值來計算 -3dB 截止頻率。 根據組件的配置，您可以建置低通或高通濾波器。 各組合類型對應的方程式和電路圖會顯示在計算器介面內。 而各濾波器類型的描述於下表列出。
| 濾波器類型 | 電路圖例 | 描述 |
|---|---|---|
| RC低通濾波器 |  |
RC 濾波器是最基礎的濾波器構建塊，通常用於低功率訊號濾波。 由於負載與電容器並聯，一般假設負載阻抗很高，所以電路沒有負載。 |
| RC 高通濾波器 |  |
低通濾波器可以轉換為高通濾波器，透過交換電阻和電容進行濾波。 亦可設為高負載阻抗電路。 |
| RL低通濾波器 |  |
RL 濾波器是另一個一階濾波器組合。 由於包含電感，會產生相移。 普遍用作射頻放大器的直流電源，其中電感器用於傳遞直流偏壓電流並阻止射頻返回電源。 |
| RL 高通濾波器 |  |
低通濾波器可以轉換為高通濾波器，透過交換電阻和電感進行濾波。 |
表一 濾波器類型對應表
實例示範
ADI 的 AD7980 PulSAR® ADC 系列，在應用電路中使用一個20Ω電阻器和2.7nF電容器組合而成的抗混疊濾波器（Antialiasing Filter）放置在 ADC 前方。 由於理想的抗混疊濾波器的特性是通帶內具有單位增益，但沒有增益變化，而且線路簡單，因此RC濾波器是其中一個不錯選擇。 圖2 是AD7980 的應用電路圖例。
圖2 ：AD7980 應用電路（資料來源: ADI）
想要找出這款濾波器的-3dB 截止頻率，只要在工具中選擇“低通濾波器”，以及“RC - 電阻器電容器”，並輸入 R = 20 OHM 及 C = 2.7nF，就可以得出-3dB 截止頻率2.9473 MHz。
圖3 ：「低通/高通濾波器計算器」結果顯示
在不少工程師的概念中，分壓器電路只會在書本所看到的一個電路，實際情況下比較少機會用到，所以不太重視分壓電路。與濾波器相比較，濾波器是比較重要，而且是兩種不同的電路設計，兩者並沒有關係。 但再細心分析，濾波器的工作就像電阻器的電阻值（ R ）和電容器電抗1/2πfC （以RC電路為例）之間的分壓器。 其實，分壓器在實際電路的應用並不少，應用領域也很廣泛，例如ADC的邏輯電平轉換、感測系統的環境測量及測量儀器等，都是有應用到分壓器的技術或概念， 所以這工具是深受不少資深工程師所喜愛的喔。 這工具的好處不單是提供基本的沒負載分壓計算、公式及線路圖，同時也有帶負載時的情況以作比較。
圖4 ：「分壓器計算器」輸入介面
實例示範
利用分壓電路設置在需要保護元件的輸入端，分壓比率作為調節隔離元件的容許輸入範圍，是其中一個普遍的應用。 圖5是Broadcom 的 ACPL-C87作電路隔離元件，輸入端需設定為分壓電路，作為電壓傳感器，並接據電壓比率以控制光產生成光學隔離放大器。 雖然ACPL-C87擁有十分高的輸入阻抗，但在高度精密儀器的應用時，此誤差是不可忽視的喔。 在圖5，R1/R2的分壓器中，R2 和 RIN（ACPL-C87x 的輸入電阻）也被視為一個分流器，產生額外的測量誤差。 只需使用分壓器計算器，很快就得出帶負載的誤差值，從而考慮此誤差值的接受程度而作出線路變更或調節電阻值。
圖5 ：ACPL-C87X 輸入端的應用電路圖
規格書中的應用實例給出 R1 = 598kOHM, R2 = 2KOHM, 輸入阻抗1000MOHM@2V。 計算結果如圖6所示：
圖6 ：「分壓器計算器」結果顯示
在電路的設計中，將同類元件並聯和串聯使用是十分普遍的，例如上面提到的分壓電路是由電阻的串聯組成，或者是DAC 中的並聯電阻。 在現實中，並聯和串聯的應用也伸展到其他類型，例如LED 或電池等，這些並聯和串聯的元件在設計上，需要特別考量零件的內阻。 經過一輪計算後，再調整零件的數值或對電路作出更改，善用此工具可以節省費時的複雜計算。 這工具還包括「並聯電阻」和「串聯電阻」兩個選項，也可添加電阻器，還可以顯示對應的公式或電路圖以作參考，十分方便。
圖7 ：「並聯與串聯電阻計算器」輸入介面
實例示範
以下是如何計算並聯和串聯電阻的總電阻值。 假設我們一開始有三個電阻器，一個 1000ohm，一個 470ohm及一個 680ohm。 如果它們是並聯的連接，其總電阻值會是多少呢？ 只需在工具輸入對應電阻值，您就會得出 217.4741 Ohms 。 圖8 是結果顯示。
圖8 ：並聯電阻器選項的結果顯示
如果將它們換成串聯，其總電阻值又會是多少呢？ 先切換為串聯模式，再輸入對應的電阻值，就可以得出 2150 Ohms。 圖9 是結果顯示。
圖9 ：串聯電阻器選項的結果顯示
總結
要設計一個電子產品的硬體電路，需要仔細的分析、學習與實踐。 在各類組件的領域上，每一個細節都是由工程師設計和開發的。 在各個不同領域對電路的要求，或者在每個專業領域中，也離不開採用一些基礎而實用的電路。 所以，我們介紹了低通/高通濾波器計算器、分壓器計算器，以及並聯和串聯電阻計算器，這三個實用而普遍的線上工具，只要善用這些小工具，將會成為您的好幫手喔！
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