PCB設計における主要な高周波コンポーネントの探求

高周波回路設計は、通信システムから高度なレーダー、そして航空宇宙グレードの機器に至るまで、今日の先端技術の多くを支えています。高周波システムは、他の種類の電気回路と根本的に異なるわけではありません。同じ物理法則が適用され、エレクトロニクスの基本もその点では変わりません。

しかし、これらの回路がなぜこれほど高速な信号を扱えるのでしょうか？それは、信号を安定化・増幅しつつ歪みを最小限に抑えるという独自の役割を持つ特殊な部品によるものです。HF設計には独自の課題と目的があり、扱う際にはいくつかの特別な考慮事項が必要です。私たちは部品を能動素子と受動素子に分類することがよくありますが、このアプローチはRFの領域でも同様に有効です。以下は、回路設計で識別できる高周波の種類に関するリファレンスガイドです。

高周波におけるコンデンサ：

回路素子の基礎のセッションで学んだように、コンデンサは基本的に小さなエネルギー貯蔵ユニットです。DCを遮断し、AC信号を通過させます。したがって、理想的にはすべての種類のAC信号に対して同じ動作をするはずですが、それは正しくありません。印加されるAC周波数が変化すると、その機能も変化します。以下は、コンデンサの実際の電気的挙動を表すモデルです。

「C」は、多くの寄生要素の中に埋もれている理想的なコンデンサに相当します。プレート間には非無限の抵抗（RD）、直列抵抗（RS）、直列インダクタンス（LS）、そしてPCBパッドとグランドプレーン間の並列容量（CP）があります。

高周波におけるインダクタ：

一方、インダクタはコンデンサとは逆の特性を持っています。基礎から、それは基本的にEMIのファラデーの法則に基づいて動作する銅コイルであり、磁場の形でエネルギーを蓄えることを知っています。AC信号を遮断し、DCを容易に通過させます。信号の変化に逆らうと言えます。インダクタは、AC信号の周波数が増加するにつれて着実に増加するインピーダンスを提供します。以下はインダクタの等価回路であり、インダクタの実際の電気的挙動を表すモデルです。

コンデンサとインダクタの寄生挙動：高周波を扱うとき、寄生回路素子はどこにでもあります。抵抗素子がどんなに単純または理想的であっても、パッケージ化してPCBにはんだ付けする必要があり、その結果が寄生要素です。

コンデンサのインピーダンスは周波数が増加するにつれて無限に減少すると期待しますが、寄生インダクタンスの存在により、自己共振周波数でインピーダンスが低下し、その後増加し始めます。同様に、インダクタの場合の線間容量も同じ共振現象に向かわせます。

ダイオード：高周波における検波器と変調器：

高周波回路のダイオードは、変調器および検波器として動作します。低い順方向電圧と高速スイッチングで知られるショットキーダイオードは、RFアプリケーションにおいて信号復調やミキシングに一般的に使用され、無線受信機や送信機において重要です。

バラクタダイオードも、容量を調整することで周波数同調に役割を果たし、発振周波数の動的制御を可能にします。ダイオードの内部容量は、その両端のバイアス電圧の関数です。そして周波数は容量の関数であるため、これらは両端の電圧を変えることで異なる信号を生成するために使用できます。

水晶発振器とフィルタ：

発振器やフィルタを含む共振回路は、高周波設計における信号同調のバックボーンです。水晶は、安定した周波数基準を生成する基本的な手段です。この指定された周波数は、無線システムのクロックに不可欠なものとして使用され、フィルタは周波数を選択および遮断し、明確な信号経路を可能にし、ノイズを分離します。

水晶発振器はタイムキーパー回路であり、デジタル設計において安定したクロックを提供するために使用されます。内部に圧電水晶が含まれており、電圧が印加されると一定の速度で共振します。通常の水晶の発振周波数は温度変化に敏感です。その結果生じる周波数の不安定性は、RFシステム、特に周囲温度の大きな変動にさらされるシステムに問題を引き起こします。

フィルタは能動型または受動型の2種類があり、回路の要件に応じて特定の周波数帯域を抑制するために使用されます。周波数抑制によるフィルタには以下の種類があります：

• ローパスフィルタ
• ハイパスフィルタ
• バンドパスフィルタ
• バンドリジェクトフィルタ
• ノッチフィルタ

HFにおけるスルーホール部品：

さまざまな部品の高周波等価回路図を見てきました。回路の動作周波数が増加するにつれて、寄生要素が重要な役割を果たします。スルーホール部品はHFで不適切というわけではありませんが、一方で表面実装パッケージは高周波信号を扱う際に本質的に優れています。SMTの小型部品と短いピン長により、HFでの寄生インダクタンスが最小限に抑えられます。長いリードはより多くのインダクタンスを持つため、表面実装パッケージが好まれます。

HFにおける増幅器：

増幅器は、ディスクリートトランジスタベースのシステムまたはOP-AMPで構築されます。増幅器にはミッドバンドがあり、一部の周波数のみを通過させて増幅します。RFシステムでは、増幅器には電力増幅器と低雑音増幅器の2つの基本的なタイプがあります。HFでは、増幅器はアンテナを介して送信される信号をブーストする主要なアプリケーションがあります。

電力増幅器

信号の電力レベルを増加させます。同様の状況はオーディオ回路にも見られます。電力増幅器は、より多くの音を生成するためにスピーカーコイルに大量の電流を供給するために必要です。同様に、一部の回路では信号を送受信する際に電力増幅段が必要です。

低雑音増幅器

名前が示すように、低雑音増幅器はより高い周波数で動作し、最小限の歪みで信号をブーストします。LNAブロックは、多くの環境ノイズも運ぶアンテナからの低振幅信号を受信する際に通信システムで使用されます。したがって、低雑音増幅器は、最小限のノイズを寄与しながら高い電圧利得を提供するように設計されています。ノイズ性能は「雑音指数」（NF）で表され、システムの最大SNRを決定するのに役立ちます。理想的にはNF=0およびSNR=無限大が必要です。

高周波回路におけるミキサ：

ベースから変調信号を生成するために使用されるオーディオタイプのミキサではなく、HFミキサは2つの入力周波数を取り、乗算を介して3番目の出力周波数を生成します。言い換えれば、ミキサは周波数変換を実行します。

ミキサは、元の詳細を保持しながら信号をより高いまたは低い周波数にシフトします。たとえば、情報を運ぶベースバンド信号（変調信号）をより高い周波数にシフトし、無線伝送に適したものにすることができます。この周波数シフトは、元の信号からのすべての重要な変調詳細を保持し、正確な送信と受信を可能にします。

バラン：

HFシステムで一般的な部品の1つで、アンテナTVシステムにも見られます。名前は「balanced to unbalanced」に由来し、バランが差動信号をシングルエンドに、またはその逆に変換するために使用されることを覚えておくのに役立つフレーズです。伝送線路と受信ユニットのインピーダンス整合に主なアプリケーションがあります。

低周波回路では、シングルエンドと差動間の変換に増幅器が使用されます。しかし、HFでの一般的な決定は、非常に高い周波数を扱う際に単純な受動部品を使用することです。

アンテナ：

アンテナは、RF電気信号を電磁放射（EMR）に、またはその逆に変換するために使用される受動的可逆デバイスです。HF設計ではEM波の漏れを抑制しますが、アンテナ部分では逆のことを行います。理想的なアンテナは、すべての電力を電磁波として空間に放射するべきです。

より高い周波数では、部品とアンテナのサイズが縮小されます。今日では、通常の表面実装部品のようにPCBにはんだ付けされる「チップアンテナ」、または特別に設計されたトレースをPCBレイアウトに組み込むことで作成されるPCBアンテナのいずれかを使用するのが一般的です。

位相同期ループ：

位相同期ループ（PLL）には、位相検出器、ローパスフィルタ、電圧制御発振器（VCO）、および分周器が含まれます。信号間の位相誤差を最小化することで、1つの周波数から広範囲の周波数を生成できます。PLLと組み合わせた発振器はシンセサイザと呼ばれ、つまり、一連の周波数を生成できる部品です。発振器周波数を調整するこの能力は、HF設計において非常に重要です。さらに、隣接チャネル間の周波数間隔は比較的小さい場合があり、したがって調整は正確でなければなりません。

RFIC：

低周波回路と同様に、トランジスタはRF集積回路における必須の能動部品です。しかし、ここでの「部品」という用語は、しばしば複数のトランジスタで構成される複雑なデバイスを指します。実用的なRFエンジニアリングは、これらの既製部品を機能回路に統合し、高周波設計で生じる独自の複雑さを解決することに焦点を当てています。

集積回路レベルでは部品のサイズがかなり小さく、高周波アプリケーションに適しているためです。そのため、非常に高い周波数への推進が可能になり、電力要件を最小限に抑えながら全体的な計算能力を向上させることができます。

結論：

製造レベルでは、シリコンは依然として半導体製造における支配的な材料です。しかし、他の材料は高い信号周波数により適合しています。窒化ガリウム（GaN）、ガリウムヒ素（GaAs）、およびシリコンゲルマニウム（SiGe）はRF半導体における一般的な代替品であり、それぞれがこれらのより高い周波数での効率的な動作をサポートしています。高度な半導体技術により、100 GHz以上でも良好に動作するデバイスの作成が可能になり、高周波アプリケーションでの堅牢な機能が実現します。

現代の高周波回路設計は、慎重に選択された部品の組み合わせに依存しており、それぞれが信号の安定性、効率、および明瞭性の最適化に役立つ役割を果たしています。コンデンサやインダクタなどの受動素子から高度なICに至るまで、これらの部品は安定性と精度をもたらし、RF回路が最先端技術の要求を満たすことを可能にします。