简单的小工具协助您创建更好的电路
引言
电路设计可以是非常艰巨，因为现实中的事物与我们在书本上读到的事物有很大不同。不少的电路都是从RLC组合而成，例如滤波器、分压电路等，看似简单，而且都是一般方程式已经可以表达出功能，但其实在设计上包含很多学问。很明显，工程师需要不断练习电路设计，在过程中进行大量锻炼及纠正，才能更有效率完成电路设计工作。 DigiKey 的在线小工具，不只有关PCB走线设计、零件丝印确认（欢迎参阅上篇文章【从PCB制作到实践的好帮手 – DigiKey 的在线换算器】）等的超实用工具，同时亦有不少是电路设计。以下会介绍，都是工程所超受欢迎，看一看是否您的心水。
图1 ：「DigiKey 的在线换算器」界面
无源滤波器用于衰减高于或低于确定频率的信号。这个无源滤波器计算器可以让您选择电路的组成（RC - 电阻/电容 或RL - 电阻/电感）并输入值来计算 -3dB 截止频率。根据元器件的配置，您可以构建出低通或高通滤波器。各组合类型对应的计算方式和线路图会显示在计算器界面内。各滤波器类型的描述于表一列出。
| 滤波器类型 | 线路图例 | 描述 |
|---|---|---|
| RC低通滤波器 |  |
RC 滤波器是最基础的滤波器构建块，通常用于低功率信号滤波。由于负载与电容器并联，一般假设负载阻抗很高，所以电路没有负载。 |
| RC 高通滤波器 |  |
低通滤波器可以转换为高通滤波器，透过交换电阻和电容进行滤波。亦可设为高负载阻抗电路。 |
| RL低通滤波器 |  |
RL 滤波器是另一个一阶滤波器组合。由于包含电感，会产生相移。普遍用作射频放大器的直流电源，其中电感器用于传递直流偏压电流并阻止射频返回电源。 |
| RL 高通滤波器 |  |
低通滤波器可以转换为高通滤波器，透过交换电阻和电感进行滤波。 |
表一 走线类型对应表
实例示范
ADI 的 AD7980 PulSAR® ADC 系列，应用线路中使用一个以一个20Ω电阻器及一个2.7nF电容器组合而成的抗混叠滤波器（Antialiasing Filter）放置在 ADC 前面。由于理想的抗混叠滤波器的特征是通带内具有单位增益，没有增益变化，而且线路简单，因此 RC 滤波器是其中一个不错选择。图2 是 AD7980 的应用线路图例。
图2 ：AD7980 应用线路（资料来源: ADI）
想要找出这滤波器的 -3dB 截止频率，在工具中选择「低通滤波器」及「RC - 电阻器电容器」，输入R = 20 OHM 及C = 2.7nF， 得出 -3dB 截止频率 2.9473 MHz。
图3 ：「低通/高通滤波器计算器」结果显示
在不少工程师的概念中，分压器电路只是一个在书本上的电路，真实情况下较少机会用到，不太重视分压电路，与滤波器相比，滤波器是较重要，而且是两种不同电路设计，互无关系。但再细心分析，滤波器的工作就像电阻器电阻值（ R ）和电容器电抗1/2πfC （以 RC 电路为例）之间的分压器。其实，分压器在真实电路的应用不少，应用领域亦很广泛，例如 ADC 的逻辑电平转换、传感系统的环境测量及测量仪器等都是有应用到分压器的技术或概念，所以这工具是不少资深工程师所喜爱的。这工具的好处不单是提供基本的无负载分压计算、公式及线路图例程，同时亦有带负载时的情况以进行比较。
图4 ：「分压器计算器」输入界面
实例示范
利用分压电路加在保护元件输入前端，分压比率作为调节对隔离元件的允许输入范围是其中一个普遍的应用。图5是 Broadcom 的 ACPL-C87作电路隔离元件，输入端需设定为一个分压电路，作为一个电压感测器，及跟据电压比率以控制光生成而成光学隔离放大器。虽然 ACPL-C87 拥有十分高的输入阻抗，但是在高度精密仪器的应用时，这误差是不可忽略。图5中，在 R1/R2 的分压器中，R2 和 RIN（ACPL-C87x 的输入电阻）亦视为立一个分流器，从而产生额外的测量误差分量。利用这工具，可很快得知带负载的误差值，从而考虑此误差值的接受程度而作出线路更改或调节电阻值。
图5 ：ACPL-C87X 输入端应用电路图
规格书应用模例给出 R1 = 598kOHM, R2 = 2KOHM, 输入阻抗 1000MOHM@2V。计算结果如图6所示：
图6 ：「分压器计算器」结果显示
在电路的设计中，将同类元件并联和串联使用是十分普遍，例如上述的分压电路是电阻的串联，或是 DAC 中的电阻的并联。现实中，并联和串联的应用还伸展到其他类型，例如 LED 或电池等，这此元件的并联和或串联在设计上特别要考虑零件的内阻，经过运算后，再调节零件数值或对电路作出更改，所以善用这工具可节省费时的复杂运算。工具包括「并联电阻器」和「串联电阻器」两个选项，亦可添加电阻器，显示对应的公式或线路图例，十分方便。
图7 ：「并联和串联电阻器计算器」输入界面
实例示范
以下是如何计算串联和并联电阻的电阻总量。假设我们一开始有三个电阻，一个 1000ohm，一个 470ohm及一个 680ohm。如果它们是并联的，其电阻值在工具输入，得出 217.4741 ohm。图8 是结果显示。
图8 ：并联电阻器選項的结果显示
如果它们是联的，其电阻值在工具输入，得出 2150 ohm。图9 是结果显示。
图9 ：串联电阻器選項的结果显示
总结
要设计一个电子产品的硬件电路，需要仔细的分析、学习及实践，在各类组件的领域上，这些组件中的细节每一个都是由工程师设计和开发的。在各领域不同的线路要求，在每个的专门中，亦离不开采用一些基础而实用的电路。我们介绍了低通/高通滤波器计算器、分压器计算器及并联和串联电阻器计算器三个实用而普及的线上工具，善用这些小工具，将会是一个好帮手！
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