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PCB导线设计技术(中)

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本文将接续介绍电源与功率电路基板，以及数字电路基板导线设计。

宽带与高频电路基板导线设计
a.输入阻抗1MHz，平滑性(flatness)50MHz的OP增幅器电路基板
图26是由FET输入的高速OP增幅器OPA656构成的高输入阻抗OP增幅电路，它的gain取决于R1、R2，本电路图的电路定数为2倍。

此外为改善平滑性特别追加设置可以加大噪讯gain，抑制gain-频率特性高频领域时峰值的R3。
　

图26 高输入阻抗的宽带OP增幅电路

图27是高输入阻抗OP增幅器的电路基板图案。降低高速OP增幅器反相输入端子与接地之间的浮游容量非常重要，所以本电路的浮游容量设计目标低于0.5pF。

如果上述部位附着大浮游容量的话，会成为高频领域的频率特性产生峰值的原因，严重时频率甚至会因为feedback阻抗与浮游容量，造成feedback信号的位相延迟，最后导致频率特性产生波动现象。

此外高输入阻抗OP增幅器输入部位的浮游容量也逐渐成为问题，图27的电路基板图案的非反相输入端子部位无full ground设计，如果有外部噪讯干扰之虞时，接地可设计成网格状(mesh)。

图28是根据图26制成的OP增幅器Gain－频率特性测试结果，由图可知即使接近50MHz频率特性非常平滑，-3dB cutoff频率大约是133MHz。

图27 高输出入阻抗OP增幅器的电路基板图案
　

图28 根据图26制成的OP增幅器Gain－频率
　
b. 可发挥50MH z~6GHz宽带增幅特性的电路基板图案
图29是由单芯片微波(MMIC: Monolithic Micro wave device)集成电路NBB-310(RFMicro Devices)构成的频宽50MHz～6GHz宽带高频增幅器，NBB-310高频组件采用AlGaAs HBT制程制作，因此可靠性相当高。

使用MMIC的增幅器时，必需搭配适合的电路基板图案阻抗与组件，例如耦合电容、高频扼流圈(choke)、线圈(coil)(以下简称为RFC)时，才能发挥组件具有的功能。如NBB-310技术数据的记载，偏压(bias)电流只需利用电阻与RFC即可，不过本电路使用复合型晶体管构成的current mirror电路，加上 NBB-310输出脚架的直流电压Level，会随着高频输入电力Level的变化，使用上述电阻与RFC简易偏压电路的话，输入电力变时输出脚架的直流电压会降低，NBB-310可能会有过电流流动之虞，所以偏压电路使用current mirror电路，藉此防止发生过电流现象。
　

图29 频宽50MHz～6GHz宽带高频增幅器的电路
　
频率超过2～3GHz必需谨慎选择印刷电路基板的材质，基本上不可使用传统FR4玻璃环氧树脂，因此无铅且高频特性与FR4玻璃环氧树脂相同的高Tg玻璃环氧树脂使用可能性大幅增加。一般而言高频电路通常会选用高频用低tan的基板材质，此外为抑制周围温湿度造成高频特性变动，因此必需将基板的温湿度一并列入考虑。图30是频宽50MHz～6GHz宽带高频增幅器的电路基板图案，如图所示micro strip line上方的2个耦合电容C1、C2与C4、C5，并联设在线路端缘(edge)可以改善insertion loss与return loss等高频特性。
　

图30 频宽50MHz～6GHz宽带高频增幅器的电路基板图案
　
频率超过GHz等级时，电容器的高频特性随着厂牌出现极大差异，虽然指定厂牌对资材采购单位相当困扰，不过它是OP增幅性能上重要组件之一，重视应用性能时就不应该妥协让步。

封装NBB-310的接地面必需与周围接地面分离，如此才能够防止在NBB-310接地面流动的接地电流迷走在full ground面上，这种技巧经常被应用在改善OP增幅器的绝缘特性。

自制线圈时使用FT23-61 type的troy dull core，与直径ψ0.3polyurethane，靠近NBB-310端紧密绕卷5圈，接着均匀粗绕卷10圈；如果使用市售的线圈必需透过测试寻找特性符合要求的产品，笔者认为若使用WD0200A(冈谷电机)可以充分发挥NBB-310的性能。

c. 可以从直流切换成2.5GHz的RF切换电路
以往RF信号切换开关大多使用PIN二极管(diode)，目前GaAs与CMOS专用IC已经成为市场主流，此处以μPD5710TK为例，介绍可以切换直流～2.5GHz的宽带切换电路(图31)。
　

图31 可从直流切换成2.5GHz的RF切换电路

图中的μPD5710TK采用CMOS制程制作，点线表示直流cut用电容，其它切换IC的端子偏压(bias)Level是以直流性定义，所以几乎都是用电容直流cut，不过本电路无法使用直流电。图32是RF切换电路基板图案，图案宽度为1.8mm如此便可以成为Z0=50Ω的micro strip line的传输线路，电路基板厚度t=1.0mm。Layout基板时尽量让切换IC的的接地在附近流入背面的端子接地，如此切换控制线在端子附近强制性控制阻抗(impedance)，所以没有长度与宽度等限制。
　

图32 可从直流切换成2.5GHz的RF切换电路基板图案
　
为避免切换控制端子影响IC的动作，因此作业上必需谨慎处理。图31的电容C1、C2与接地作交流性连接，可以降低电容对连接控制电路与电源图案的影响(图案成为等价性线圈，图案长度与频率关系的阻抗，从0到无限大巨大变动)。此外电容本身具备共振频率，所以本电路采用高自我共振频率与高定数电容，芯片电容一般都在100pF～1000pF左右。

d. 4GHz VCO的电路基板图案
图33是4GHz为中心可作500MHz宽带振荡的VCO(Voltage Controlled Oscillator)电路，外观上看似可洱必兹基本电路，不过却无可洱必兹电路必要的C-C-L结构，然而本电路却显示负性阻抗而且还可以作振荡动作，一般的VCO为了要减轻负载，通常都会设置缓冲器(buffer)，不过本电路50Ω负载时仍拥有良好的负性阻抗，所以直接连接至50Ω传输线路。
　

图33 4GHz为中心可作500MHz宽带振荡的VCO电路
　
图34是电路基板图案。VCO的基板图案重点必需考虑决定振荡频率的组件，以及振荡晶体管的电流流动特性，依此才能设计最短的图案长度。如上所述电路50Ω负载时显示良好的负性阻抗，所以输出直接连接至Z0=50Ω的micro strip line的传输线路，此外控制电压端子Vr利用外部PLL电路以模拟电压控制，所以用C7作高频性降至ground，避免受到电路基板布线的影响。
　

图34 4GHz为中心可作500MHz宽带振荡的VCO电路基板图案
　
Q1、L6、L4、D1决定振荡频率，所以设计图案时必需考虑贯穿这些组件的电路电流路径。图34中的虚线表示电路电流路径。

接地采用via hole连接到L2，虽然这种连接方式属于full ground不过路径却非常短，此外via hole设计必需避免产生额外的阻抗。

4GHz的频率在真空中的1个波长为75mm，在印刷电路板上的波长比真空中更短，会有所谓的电路板上缩短率，加上电气上的长度只有该波长的1/2，几乎是可以忽略的长度，结果造成图案之间的距离变得非常短，所以必需尽量选用小型组件，设计电路基板图案时必需动作频率列为最优先考虑。

照片2是本电路使用的SAM连接器外观，它是Johnson components公司开发的End launch connector。对micro strip line而言，SAM的中心导体尺寸非常小，因此可以达成无阻抗暴增之虞的传输特性。图35是SAM连接器的电路基板图案，以及中心导体尺寸与基板厚度为1.2mm时的micro strip line宽度。
　

照片2 SAM连接器的外观　　　　图35 照片2 SAM连接器的foot pattern
　
Audio电路大多采用单点接地(图36)，类似RF电路的单点接地导线会成为电感器(inductance)，使得各组件的接地端子之间电位变得非常不稳定，所以基板图案采用full ground设计，利用基板的背面与内层形成所谓的传输线路ground plain结构，此外与ground 连接的via hole会成为无法忽视的阻抗，设计上必需特别注意。
　

图36 Audio电路常见的单点接地
　
电源与功率电路基板导线设计
a.面封装型线性调整器的散热图案
接着介绍输出电流1.0A低饱和型线性调整器(linear regulator)散热图案设计技巧。三端子调整器构成组件非常少因此广被使用，图37是由面封装型线性调整器NCP1117构成的降压电路；图38是降压电路基板图案。
　

图37 线性调节器构成的降压电路　　　图37 线性调节器构成的降压电路
　
旁通电容器(bypass condenser) C1、C3封装在半导体的输出入端子附近，NCP1117为面封装型半导体，使用电路基板图案作散热。图39是NCP1117的散热pattern大小与容许电力－热阻抗的关系，例如输入8V，输出5V，输出电流400mA时，半导体的损失利用输出、入的电压差(8V-5V=3V)，乘上输出电流后等于3V×0.4A=1.2W，根据图39可知NCP1117需要7mm正方以上的散热pad。直接与散热pad连接时，如果输出平滑电解电容C4的电路基板图案太宽时，热量会经由图案传导至电容器造成电解电容温度上升，所以散热pad与C4的基板图案必需案配合输出电流，尽量降低导线图案的宽度。

图39 NCP1117的散热pattern大小与容许电力－热阻抗的关系

同步整流step down converter BIC221C与控制电路，以及MOSFET驱动电路三者同时封装成一体，本电路的动作频率为300kHz，输入5V，输出2.5V/3A。图40(a)是step down converter电路图；图40(b)是BIC221C的内部方块图；图41(a)是电路基板组件面图案。

如图40(b)所示，BIC221C内部方块图所示第4,6号脚架的GND，与第8号脚架的P.GND1、第16号脚架的P.GND2明确分隔，如果按照图40(a)电路图指示，直接描绘含盖上述脚架配线图案的话，可能会造成误动作与噪讯增加等后果，因此设计电路基板图案时，必需将第8号脚架的P.GND1、第16号脚架的P,GND2分开，避免第4,6号脚架GND大电流流动。具体方法如图41所示，GND的第4,6号脚架在组件面连接，P.GND1的第8号脚架再与焊接面连接，大电流从C5通过P.GND2的第16号脚架，再从Vout(11,12,13,14pin)通过L1流入C5，P.GND1的第8号脚架从C1设置slit作连接，因此连接与第4,6号脚架的GND的图案不会有大电流流动。
　