寬頻與高頻電路基板導線設計

a.輸入阻抗1MHz，平滑性(flatness)50MHz 的OP增幅器電路基板
    圖1 是由FET 輸入的高速OP 增幅器OPA656 構成的高輸入阻抗OP 增幅電路，它的gain取決於R1、R2，本電路圖的電路定數為2 倍。
    此外為改善平滑性特別追加設置可以加大噪訊gain，抑制gain-頻率特性高頻領域時峰值的R3。
 
圖1 高輸入阻抗的寬頻OP增幅電路
    圖2 是高輸入阻抗OP 增幅器的電路基板圖案。降低高速OP 增幅器反相輸入端子與接地之間的浮遊容量非常重要，所以本電路的浮遊容量設計目標低於0.5pF。
    如果上述部位附著大浮遊容量的話，會成為高頻領域的頻率特性產生峰值的原因，嚴重時頻率甚至會因為feedback 阻抗與浮遊容量，造成feedback 信號的位相延遲，最後導致頻率特性產生波動現象。
    此外高輸入阻抗OP 增幅器輸入部位的浮遊容量也逐漸成為問題，圖2 的電路基板圖案的非反相輸入端子部位無full ground設計，如果有外部噪訊干擾之虞時，接地可設計成網格狀(mesh)。
    圖3 是根據圖1 製成的OP 增幅器Gain－頻率特性測試結果，由圖可知即使接近50MHz頻率特性非常平滑，-3dB cutoff頻率大約是133MHz。
 
圖2 高輸出入阻抗OP增幅器的電路基板圖案
 
圖3 根據圖26 製成的OP增幅器Gain－頻率

b. 可發揮50MH z~6GHz 寬頻增幅特性的電路基板圖案
    圖3 是由單晶元微波(MMIC: Monolithic Micro wave device)集成電路NBB-310(RFMicroDevices)構成的頻寬50MHz～6GHz 寬頻高頻增幅器，NBB-310 高頻組件採用AlGaAs HBT製程製作，因此可靠性相當高。
    使用MMIC 的增幅器時，必需搭配適合的電路基板圖案阻抗與組件，例如耦合電容、高頻扼流圈(choke)、線圈(coil)(以下簡稱為RFC)時，才能發揮組件具有的功能。如NBB-310 技術數據的記載，偏壓(bias)電流只需利用電阻與RFC即可，不過本電路使用複合型晶體管構成的current mirror 電路，加上 NBB-310輸出腳架的直流電壓Level，會隨著高頻輸入電力Level的變化，使用上述電阻與RFC簡易偏壓電路的話，輸入電力變時輸出腳架的直流電壓會降低，NBB-310可能會有過電流流動之虞，所以偏壓電路使用current mirror 電路，藉此防止發生過電流現象。
 
圖3 頻寬50MHz～6GHz 寬頻高頻增幅器的電路
    頻率超過2～3GHz 必需謹慎選擇印刷電路基板的材質，基本上不可使用傳統FR4玻璃環氧樹脂，因此無鉛且高頻特性與FR4玻璃環氧樹脂相同的高Tg玻璃環氧樹脂使用可能性大幅增加。一般而言高頻電路通常會選用高頻用低tan的基板材質，此外為抑制周圍溫濕度造成高頻特性變動，因此必需將基板的溫濕度一併列入考慮。圖4 是頻寬50MHz～6GHz 寬頻高頻增幅器的電路基板圖案，如圖所示micro strip line上方的2 個耦合電容C1、C2與C4、C5， 並聯設在線路端緣(edge)可以改善insertion loss與return loss等高頻特性。
 
圖4 頻寬50MHz～6GHz 寬頻高頻增幅器的電路基板圖案
    頻率超過GHz 等級時，電容器的高頻特性隨著廠牌出現極大差異，雖然指定廠牌對資材採購單位相當困擾，不過它是OP增幅性能上重要組件之一，重視應用性能時就不應該妥協讓步。
    封裝NBB-310的接地面必需與周圍接地面分離，如此才能夠防止在NBB-310 接地面流動的接地電流迷走在full ground面上，這種技巧經常被應用在改善OP增幅器的絕緣特性。自製線圈時使用FT23-61 type的troy dull core，與直徑ψ0.3polyurethane，靠近NBB-310端緊密繞卷5 圈，接著均勻粗繞卷10 圈；如果使用市售的線圈必需透過測試尋找特性符合要求的產品，筆者認為若使用WD0200A(岡谷電機)可以充分發揮NBB-310的性能。

c. 可以從直流切換成2.5GHz 的RF切換電路
    以往RF 信號切換開關大多使用PIN 二極體(diode)，目前GaAs 與CMOS 專用IC 已經成為市場主流，此處以μPD5710TK 為例，介紹可以切換直流～2.5GHz 的寬頻切換電路(圖5)。
 
圖5 可從直流切換成2.5GHz 的RF切換電路
    圖中的μPD5710TK 採用CMOS 製程製作，點線表示直流cut 用電容，其它切換IC 的端子偏壓(bias)Level 是以直流性定義，所以幾乎都是用電容直流cut，不過本電路無法使用直流電。圖6是RF切換電路基板圖案，圖案寬度為1.8mm如此便可以成為Z0=50Ω的micro stripline 的傳輸線路，電路基板厚度t=1.0mm。Layout 基板時盡量讓切換IC 的的接地在附近流入背面的端子接地，如此切換控制線在端子附近強制性控制阻抗(impedance)，所以沒有長度與寬度等限制。
 
圖6 可從直流切換成2.5GHz 的RF切換電路基板圖案
    為避免切換控制端子影響IC的動作，因此作業上必需謹慎處理。圖5的電容C1、C2與接地作交流性連接，可以降低電容對連接控制電路與電源圖案的影響(圖案成為等價性線圈，圖案長度與頻率關係的阻抗，從0 到無限大巨大變動)。此外電容本身具備共振頻率，所以本電路採用高自我共振頻率與高定數電容，晶元電容一般都在100pF～1000pF左右。

d. 4GHz VCO 的電路基板圖案
    圖7 是4GHz 為中心可作500MHz寬頻振蕩的VCO(Voltage Controlled Oscillator)電路，外觀上看似可洱必茲基本電路，不過卻無可洱必茲電路必要的C-C-L 結構，然而本電路卻顯示負性阻抗而且還可以作振蕩動作，一般的VCO 為了要減輕負載，通常都會設置緩衝器(buffer)，不過本電路50Ω負載時仍擁有良好的負性阻抗，所以直接連接至50Ω傳輸線路。
 
圖7 4GHz 為中心可作500MHz 寬頻振蕩的VCO 電路
    圖8 是電路基板圖案。VCO 的基板圖案重點必需考慮決定振蕩頻率的組件，以及振蕩晶體管的電流流動特性，依此才能設計最短的圖案長度。如上所述電路50Ω負載時顯示良好的負性阻抗，所以輸出直接連接至Z0=50Ω的micro strip line的傳輸線路，此外控制電壓端子Vr 利用外部PLL 電路以模擬電壓控制，所以用C7 作高頻性降至ground，避免受到電路基板布線的影響。
 
圖8 4GHz 為中心可作500MHz 寬頻振蕩的VCO 電路基板圖案
    Q1、L6、L4、D1決定振蕩頻率，所以設計圖案時必需考慮貫穿這些組件的電路電流路徑。圖34 中的虛線表示電路電流路徑。接地採用via hole連接到L2，雖然這種連接方式屬於full ground不過路徑卻非常短，此外via hole設計必需避免產生額外的阻抗。
    4GHz 的頻率在真空中的1 個波長為75mm，在印刷電路板上的波長比真空中更短，會有所謂的電路板上縮短率，加上電氣上的長度只有該波長的1/2，幾乎是可以忽略的長度，結果造成圖案之間的距離變得非常短，所以必需盡量選用小型組件，設計電路基板圖案時必需動作頻率列為最優先考慮。
    照片2 是本電路使用的SAM 連接器外觀，它是Johnson components公司開發的End launch connector。對micro strip line而言，SAM 的中心導體尺寸非常小，因此可以達成無阻抗暴增之虞的傳輸特性。圖9 是SAM 連接器的電路基板圖案，以及中心導體尺寸與基板厚度為1.2mm時的micro strip line寬度。
 
照片2 SAM 連接器的外觀                                     圖9 照片2 SAM 連接器的foot pattern
    Audio 電路大多採用單點接地(圖10)，類似RF 電路的單點接地導線會成為電感器(inductance)，使得各組件的接地端子之間電位變得非常不穩定，所以基板圖案採用fullground設計，利用基板的背面與內層形成所謂的傳輸線路ground plain結構，此外與ground連接的via hole會成為無法忽視的阻抗，設計上必需特別注意。
 
圖10 Audio電路常見的單點接地