基础电路设计(四)集中定数电路与分布定数电路

前言

由于实际作业潜伏许多图面无法表现的因素，因此电路无法发挥预期的特性与功能，是进行电路设计时必需有心理准备。一般而言电路分为低频电路与高频电路两种，低频电路是将电阻、电容、线圈等电路组件定数视为「集中定数」，因此若用直流.交流电路理论计算分析，基本上就可作电路设计。
信号传输方式可分为下列两种:
*驱动端为低阻抗驱动(low impedance drive)，收信端为高阻抗驱动方式(此种方式成为低频波的整合对象)。
*电压传输方式。
设计低频电路与封装时几乎没有太多限制，因此可将导线的长度缩至极限，可是当频率变高时，印刷电路板的pattern立即丧失低阻抗的特性，基于特性阻抗 概念，此时必需将传输线路当作电路的一部份考虑。
 
　 
何谓集中定数电路

所谓的「集中定数电路」可用以下方式描述:
(a)可根据电阻、电容、电感、半导体组件等线形组件，与非线形组件的组件定数进行电路设计
由于组件本身的寄生电感、浮游容量、电磁界具有可忽略的领域，因此低频电路的集中定数电路可根据直流.交流理论计算分析作电路设计，。clock概括性的动作频率为数MHz至十几MHz左右，如果超越该范围组件本身的寄生电感、浮游容量就会逐一浮现，并对电路造成某种程度的影响。为了避免事后在该领域造成困扰，将高频概念充分反映于电路设计乃是非常重要的一环。

(b)根据频率决定可忽视线路长度与组件大小的领域
集中定数电路涉及的范围相对于导体的长度，如果动作频率的波长很长时，基板内的某个位置内某些电路部位的信号，与信号源的位相、振幅几乎完全相同，而该条件亦是低频电路被视为集中定数电路的主要原因之一。

(c)利用示波器作信号的时间轴分析
如(b)项所述低频的位相概念可被忽略，因为该振幅刚好是位相上可忽略的领域，因此即使祇作振幅分析也不会造成任何不当，。

(d)低频波增幅器的等化
如上所述低频电路驱动端为低阻抗驱动，收信端为高阻抗驱动之电压传输方式，
因此增幅器的等化式可用下式表示:

           
基准电压值可用[dBμV]或是[dBV]表示，[dBμV]是以1μV为基准；[dBV]是以1V为基准。例如基准电压V＝1μV，输出电压 ＝1V以[dBμV]表示时，

          
何谓分布定数电路

所谓「分布定数电路」可用组件level与传输线路方式整理成如下:
(a) 组件单体的lead inductance与浮游容量的影响，随着频率增高成为无法忽视的领域
由图1、图2、图3是电阻、电容、电感的频率特性可知，设计高频电路时必需注意组件的频率特性，慎选适合电路规格的高频组件。

图1 电阻的频率特性

图2 大容量积层陶瓷电容的频率特性
　

图3 chip induct的频率特性

(b)传输线路需考虑分布于单位长度的传播方向，以R、C、L表示之组件
如图4所示高频领域的传输电路，导体全部都会变成电感成份L，而导线之间可视为由浮游容量所构成的分布定数线路，也就是说在高频领域的传输电路可用下式表示，而电感L与浮游容量C可视为分布于长轴方向的传输电路， R与L则被忽略。
         
如此一来所构成的高频电路，虽然导体之间具有L与C的电抗(reactance)比导体原来的阻抗电感更优越，然而导线之间的浮游容量会使线路阻抗(impedance)下降，因此此时并无法当作单纯的两条低频线路考虑。有关传输线路的特性阻抗Zo可用下式表示:
         
图4的特性阻抗 值一般使用范围为50～150Ω。由于线路阻抗较小，因此设计时通常都希望驱动端具备较高的驱动能力，也就是说此时必需将传输线路当作电路的一部份考虑。通常高频信号传输会考虑整合条件，此时传输线路的特性阻抗，设计上会变成「传输线路传送高频电力，它的电压与电流比与距离无关，所到之处都是传输线路的固有值」。然而实际上都会忽视电路上的R与G，因此驱动端与收信端的输出入阻抗与传输线路的特性阻抗整合时，传输线路的任何位置的信号源波形，与位相性几乎都是相同信号，因此造成整体变成近似无位相概念的低频电路，这意味着信号传送接收能否顺利整合，直接左右高频电路的信号传输。此外设计电路会涉及所谓的「无损耗」，根本上无损耗是表示传输信号电力能量无任何漏损，因此电路中任何位置的信号，都必需维持与送信端相同的阻抗损耗level。

图4 集中定数电路与分布定数电路的差异

(c)将信号视为电力的流动
将信号视为电力的流动是高频电路与低频电路最大差异点。高频电路是以全频率的波谱(spectre)为对象，因此必需用电力的入射波与反射波的概念处理。

(d)时间轴与频率轴的分析
高频电路的电路量测、分析与噪讯对策是以发生的频率全领域为对象，因此必需作电压、电流与电力的分析，如果祇作时间轴的特性分析，就无法完整洞察频率轴上那个频率发生问题，如图5之实例为了解决问题，因此不得不量测各次元频率轴的波形特性。所幸的是高频组件通常都会标示频率特性，因此对整合性时发挥极大的帮助

图5 时间轴波形与频率轴波形的差异

(e)高频波增幅器的等化
高频波电路主要机能是捕捉电力的流动(亦即信号的传送与收信)，此时输出入条件例如定值输出入阻抗等等，就成为整合的基本要件。电力的等化是以dB表示，等化可利用下式求得:
          
如果dB以 dBm表示时，例如基准电力Ps=1mW ，获得输出电力P=100mW ，增幅器的等化就成为: