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Altium Designer - 回路・基板設計ソフトウェア

組み込みRF設計: セラミックチップアンテナと基板トレースアンテナ 組み込みRF設計: セラミックチップアンテナと基板トレースアンテナ 過去数年間にわたってカフェの文化は大幅に進化しており、新しいカフェの多くでは、店に何か独創的な工夫を加える新たな方法を探し求めています。カフェと本屋を組み合わせたり、特定地域のコーヒー豆の技術を持つバリスタを抱えるグルメ向けコーヒー、さらには猫カフェなどの変わり種も出現しました。 しかし、結局のところ、カフェの客が求めているのは飲み物や軽食を口にする、友達と会って話をする、またはオフィスや家庭の外で何かの仕事を片付けることです。表面的な飾り付けで店を際立たせることもできるかもしれませんが、主要な概念は比較的変化しないものです。これは、プリント基板部品の選択肢の決定とよく似ています。 長年にわたるロボティクス、AI、IoT開発とともに、小型、高性能、低コストの組み込みRFトランシーバー ソリューションに対する需要は増え続けています。設計者がセラミックチップと基板トレースのどちらのアンテナタイプを選択するかを左右する主要な要因がコスト、基板レイアウト、専門技術であることは依然として変わりません。 基板アンテナ: 使用周波数範囲の確認 従来は、設計技術者はより信頼性の高いトレースアンテナについて 目的の周波数範囲と出力のトレードオフを検討していました。今日の組み込みアンテナのハードウェアは、400MHz～5.5GHzの間の特定の帯域で動作するように割り当てられています。セラミックアンテナの実装がより信頼性が高く、安価で、使いやすくなるにつれ、この競争は過熱しつつあります。 実際には、製造前に設計者が基板設計CADでプリント基板上に配置する単純なワイヤトレースの費用はわずかなものです。トレースアンテナは低コストであるにもかかわらず、依然としてセラミックチップアンテナが好まれることはよくあります。セラミックチップアンテナによって得られる小型化、実装の容易さ、環境からの干渉に対する耐性の高さがコストを相殺する場合があるためです。 基板トレースアンテナ 基板トレースアンテナは、特に小型で高信頼度の実装において、設計、実装、調整が難しいとされています。ワイヤアンテナと同様、トレースアンテナのサイズは目的の帯域幅の周波数で決まります。例えば低い周波数では、信号を共振させるにはトレースアンテナの長さをより長くする必要があります。 セラミックチップアンテナと比較して、基板トレースアンテナには次のような利点があります。 トレースアンテナは製造プロセスでプリント基板に組み込まれる 最適に調整した場合、トレースアンテナはネットワークの信頼性と信号強度を高めると同時に広い帯域幅で動作できる トレースアンテナは薄型である 基板トレースアンテナの欠点を以下に示します。 特に低い周波数で、設計が困難である。基板レイアウトの変更の影響を非常に受けやすく、変更するごとに調整が必要となり、場合によっては製造のやり直しが必要 セラミックチップアンテナよりもはるかに多くの面積を必要とする。特に低い周波数の設計ではこの問題が顕著である。多くの基板面積が占有されるため、設計のコストが増大する トレースアンテナは、環境からの干渉の影響を非常に受けやすい 基板トレースアンテナは、製造後に設計者が物理的な変更を加えることができません。変更が必要な場合、ユーザーは設計を変更してから基板を再度製造する必要があります。基板アンテナはサイズが大きくなる可能性があり、設計/調整プロセスに時間を要する（通常、シミュレーションソフトウェアや大規模なテストが必要です）という性質が、基板の設計者が基板アンテナの代わりにセラミックチップアンテナを使う動機となる場合があります。
除雪ビジネスを変えるロボットSnowBotにご注目ください Newsletters OnTrack 除雪ビジネスを変えるロボットSnowBotにご注目ください Judy Warner: Shaneさん、お会いできて光栄です。珍しい社名ですね。お話しを始める前に、ぜひその由来をお聞かせください。 Shane Zinner: この辺りには、Niwot（左手という意味）（1825–1864頃）というネイティブアメリカンの族長がいました。彼はアラパホ南部の部族のリーダーで、コロラドの歴史上重要な役割を果たしました。Left Hand Canyon（峡谷名）やLeft Hand Brewery（地ビール醸造所）、コロラド州のNiwot（地名）など、彼の名前に由来して様々な名称に「Left Hand」が使われています。ですから、設立者たちがコロラド州のNiwot出身であることを考えると、社名を「Left Hand Robotics」としたことも納得できます。 Chief Niwot（「左手」の意）とそれにちなんだ社名のLeft Hand Robotics Warner: 興味深い背景ですね。それで、Left Hand
James MacKinnon氏のNASAまでのキャリアパス OnTrack Newsletters James MacKinnon氏のNASAまでのキャリアパス Judy Warner: Jamesさん、ご自身の学歴と、どのようにしてPCBの設計を習得したかを教えてください。 James MacKinnon: フロリダ大学の3年と4年のとき、ごく単純なPCBの設計が必須の授業がありました。基本的に、このクラスの単位を取れないと卒業できません。それに電気工学のクラスだったので、PCBの製作が求められたのです。3年生の設計課題は単純な回路でした。ですが、4年生になると、かなり複雑な回路を作らされます。このような経緯で、私はPCBの設計とAltium Designerに出会ったわけです。 Judy Warner: 実質的に、大学である種の基板設計の基礎を教えてもらったということですか。なかなか珍しいケースですね。 James MacKinnon: ええ、そうなんです。「基礎」という言葉はいい表現ですね。3年生の授業では、非常に単純な回路のレイアウトが課されました。そのときの回路には、単純なマイクロプロセッサーの、たぶんI/Oラインが含まれていました。私が作成したのはモーターコントローラーだったので、PWMラインでした。授業では、プログラムの使い方、単純な2層基板の設定方法や基本的な配線方法を教えてもらいました。4年生のときの設計では、高速配線、複雑なアナログ設計、インピーダンス整合など、より複雑な要素を扱いました。授業では、基板設計のさまざまな側面について学ぶ講義の時間があり、そこから色々なことを教えてもらいました。とはいうものの、実際には、修士号を取って初めて、本格的な基板設計やAltium Designerの多岐にわたるツールについて習得できました。 Altium Designerは、学部の授業で使用されていたので、修士課程でも使用したのだと思います。私は、フロリダ大学で学士と修士の両方の課程を履修したので、学部で使用したさまざまな器材や習得内容を修士課程で活用することができました。電気工学科が必要なライセンスを取得していたので、誰でも使用できました。修士課程では、CHREC（ Center for High-Performance Reconfigurable
PCBのグランドバウンスとシグナルインテグリティーのグランドバウンス シグナルインテグリティーの問題を最小限に抑えるグランドバウンス低減方法 学生時代にバスケットボールチームで活躍した父とは異なり、私は入団テスト中、ボールをほとんどバウンドできませんでした。言うまでもなく、私はスポーツを始める前にやめてしまいました。NBAプロになるという夢は打ち砕かれましたが、その後、格闘技への情熱を見出しました。私はバスケットボールをうまく扱うことはできませんでしたが、少なくとも格闘技では足の甲で相手を跳ね返して（バウンスして）対抗することができました。 バスケットボールをバウンドできなくても大きな問題にはなりませんが、電子機器のグランドバウンスを理解していないと、回路にとって大きな問題になりかねません。信頼できるPCBレイアウトエンジニアとして優れた能力を発揮するには、回路およびシグナルインテグリティーへのグランドバウンスの影響に関する知識が必要です。グランドバウンス低減技術を考慮すれば、設計全体でPCBのシグナルインテグリティーのグランドバウンスを最小限に抑えることができます。 グランドバウンスとは グランドバウンスを理解するには、集積回路（IC）の中核を形成するスリープトランジスタとGNDピンの基本を詳しく理解する必要があります。下図は、マイクロコントローラーやランダムアクセスメモリ（RAM）などのICの典型的なI/Oを形成するCMOSバッファ回路を示しています。 PCB内のグランドバウンスノイズは測定が難しい問題であり、これがパワーゲーティングとシグナルインテグリティーに与える影響は、PCBのトレースインピーダンスとPDNインピーダンスに関連しています。ほとんどの高速設計では、ドライバー回路の出力ピンは通常、ある程度の入力容量を持つ負荷に接続されます。出力ピンが論理回路「1」にアサートされると、負荷の寄生容量はVCCまで完全に充電されます。出力バッファ回路がオフになって論理「0」になると、容量性負荷が放電して、ドライバーに突入電流が戻ります。この急速な電流はドライバーのグランドピンを流れます。 理想的な状況では、ICパッケージと基板の接地は同じ電圧に保たれます。ただし、現実の設計では、ボンドワイヤ、リードフレーム、PDNの寄生インダクタンスにより、ダイグランドと基板グランドの間にある程度の寄生インダクタンスが存在します。これらの素子からのパッケージの総インダクタンスは、上記の回路図に示すように、一連の直列コイルとしてモデル化できます。 電流がボンドワイヤ/リードフレーム/PDN上の インダクタンスを駆け抜けると、ダイグランドと基板グランドの間に逆起電力が蓄積します。これにより、ダイグランドと基板グランドの電圧レベルが瞬間的に異なる現象が生じ、グランドバウンスノイズが発生します。この蓄積は、これらの要素のDC抵抗とICパッケージ/ダイの寄生によって減衰されます。寄生とトレースのこの配置が、定義されたインピーダンスと共振周波数を持つ等価RLC回路を形成しているということを理解すると、これが信号の動作にどのように影響するかを正確に理解できます。 PCBのグランドバウンスが回路と信号に与える影響 PCB内のグランドバウンスが最小限であれば、ダイグランドや信号の動作に混乱を引き起こすことはありません。グランドバウンスは引き続き発生しますが、気付かれないほど小さいかもしれません。ただし、グランドバウンスによって生成される逆起電力が大きい場合、特に複数の出力が同時に切り替えられる場合、デバイスのグランドレベルは、ICの他のピングループに影響しうるレベルにまで上昇します。 駆動コンポーネントを容量性負荷に接続するトレースを見ると、トレースのインダクタンスと静電容量も、グランドバウンスによる信号への影響に影響を与えます。すべてのトレースには、寄生容量とインダクタンスにより、ある程度のインピーダンスがあることに留意してください。実際のトレースにはこれらの寄生があるため、トレース、ドライバーのGNDピンのインダクタンス、および負荷容量によって形成される集中RLCネットワークにこれらを含める必要があります。 ダイ上のレベルシフト たとえば、グランドバウンスが発生するマイクロコントローラーでは、パワーレールと接地間で測定された電圧が、グランドバウンスがない場合よりも1.5V高くなるようにグランド電位がシフトする場合があります。つまり、パワーレールとダイグランドの電位差は、パワーレールと基板グランド間で測定された電位よりも1.5V高くなります。別の言い方をすれば、ダイグランドとPCBのGNDプレーンの間には瞬間的な1.5Vの電位があります（つまり、ドライバーのGNDピンの両端で測定）。 この例では、マイクロコントローラーに接続された3.3Vで動作する論理ICは、デバイスの接地の電位レベルがシフトしたために1.5Vの論理「低」信号を受信しているため、論理「0」信号を「1」と解釈する場合があります。この例を続けて説明すると、入力電圧レベルはダイグランドを基準にして見られるため、グランドバウンスが発生しているデバイスは他のコンポーネントからの入力を誤って読み取る可能性もあります。たとえば、論理「高」 信号が「低」と誤って解釈されるのは、ダイグランドの上昇により、入力ピンの電圧が3.3Vではなく1.8Vになるためです。これは、最小論理高電圧の2.31Vを下回ります。 グランドバウンスの影響は、すべての出力が同時に低になると最悪になります（上の画像を参照）。このとき、ダイグランドの電圧差が大幅に増加します。さらに、このレベルシフトはRLCネットワークで急な立ち上がり信号のように機能し、特定の条件下では減衰不足の過渡発振を示す可能性があります。 レベルシフト時の発振 ダイグランドのレベルシフトは永久に持続するわけではなく、ダイグランドとPCBグランドの電位差は最終的にゼロに戻ります。トレースと負荷から寄生容量が生じるため、このレベルシフトは、RLC回路で見られるのと同じように減衰発振を示す可能性があります。これらの発振は、電流ループ内の総抵抗に応じてさまざまなレベルの減衰を示すことがあります。ダイグランドに発振があると、この発振が出力信号に重畳され、過渡リンギング現象が発生します。下の画像は、グランドバウンスによるこのような減衰不足の過渡発振を示しています。 不完全な状況では、ドライバーの出力インピーダンスはゼロで、負荷入力インピーダンスは無限大で、トレースに発生する過渡現象の減衰はゼロになります。実際の状況では、ドライバーを通る直流伝導と、LOW状態とHIGH状態でのインピーダンスにより、減衰はゼロ以外になります。減衰（ R/2
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