筆者について

Zachariah Peterson

Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

最新の記事

Altium Designerにおける周波数変調シミュレーション

Altium Designerにおける周波数変調シミュレーション 1 min Thought Leadership アナログ信号を扱う際には、動作中の調和歪みのような問題を防ぐために、デバイスが線形に動作していることを確認する必要があります。アナログデバイスの非線形相互作用は、クリーンなアナログ信号を歪ませる歪みを引き起こします。アナログ回路がクリップしているかどうかは、回路図やデータシートを見ただけでは明らかではないかもしれません。信号チェーンを手動で追跡する代わりに、シミュレーションツールを使用してデバイスの挙動についての洞察を得ることができます。周波数変調シミュレーションのような、正弦波信号を用いた重要なシミュレーションは、Altium Designer^®のプリレイアウトシミュレーション機能を使って簡単に実行できます。この投稿では、以前のシミュレーションから続けて、トランジスタを含む回路にFMソースを導入します。ここでの考え方は、アナログソースを使用してデバイスが線形範囲、つまり非線形回路が線形に振る舞うのを止める入力値の範囲を確認することです。これは、アンプ設計やトランジスタベースのアナログ集積回路の設計において非常に重要です。一般的な非線形回路やアンプ設計に関しては、以下のようなことを知る必要があります：飽和レベルは、コンパレータ、シュミットトリガ、オペアンプなどの回路において重要です。圧縮点は、相互変調生成物が顕著になり、信号が劣化する入力電力レベルを決定します。バイアスあり/なしのDC成分（例えば、フォトダイオードの光導電モードや光起電力モード）に対する動作モード。非線形フィルタリングは、トランジスタモデルの寄生要素や全体の回路および半導体の非線形挙動に関連します。このシステムで重要なもう一つの点は、回路の非線形性に加えて、整流とDCバイアスです。共通コレクタ/エミッタ増幅回路では、トランジスタの電流を完全に変調するために、時間変動信号にある程度のDCバイアスが必要になることがよくあります。そして、負荷にクリーンな波形が渡されるように、必要最小限のDCバイアスを見つけることが有用です。この記事では、これを調査し、これらのシミュレーションを一般的に設定する方法を示します周波数変調シミュレーションの始め方前回の投稿では、NPNトランジスタを含む回路の負荷線分析について見てきました。DCスイープの結果から、コレクター-エミッター電圧が高いレベルにランプアップされると、コレクター電流が飽和し始めるのがわかります。これにより、この回路の負荷線を抽出し、しきい値電圧の変化を見ることができました。このシミュレーションでは、正弦波FMソースをシミュレーションに取り入れ、クリッピングが発生するタイミングを調べる方法をお見せします。この周波数変調シミュレーションでは、フーリエ成分を調べ、新しい高調波が生成されるタイミングを決定できます。次に、DCバイアスを変更してシミュレーションを修正し、FM信号がクリップする方法と、関連する周波数帯域全体で線形動作につながる入力値の範囲を特定できます。 RF信号チェーン設計の重要な側面です。前回の投稿からシミュレーション回路図を再利用しましたが、ベースに見られるDCソースを周波数変調ソースに置き換えました。このシミュレーションソース（VSFFMと名付けられています）には、コンポーネントパネルのSimulation Generic Components.IntLibライブラリからアクセスできます。この回路図では、V_CCからトランジスタベースへの抵抗を追加して、V_FMにいくらかのDCオフセットを適用しました。この回路図を使用して、R_Bの値を調整し、V_FMに十分なDVオフセットを適用して、R_LOADにクリーンなFM信号を渡せるかどうかを確認できます。この回路図では、基本的な考え方は、FM波を使ってトランジスタの電流を変調することです。ここでは、R_Eを電流制限抵抗として共通コレクタ構成を使用しました。しかし、共通コレクタ構成（ベースにV_FM）を使用し、R_Eを通じて出力を測定することもできます。私たちの目標は、変調された負荷電流を線形範囲に入れるためにV_CCによって供給されるベース電流を決定することです。この追加電流は基本的に負荷線を上に移動させ、V_CCが十分に大きい限りアクティブ領域に入ることに注意してください。しかし、V_FMが大きすぎると、飽和領域に戻ってしまう可能性があります。V_CCがロジックレベルで動作する場合、十分なDCオフセットを適用すれば、負荷でクリーンなFM波を得ることができると合理的に期待できます。 FM信号パラメータ

高電力設計用のPCBトレース幅と電流の関係表

高電力設計用のPCBトレース幅と電流の関係表 1 min Blog 銅は融点が高く強力な導体ですが、温度を低く保つための工夫が必要です。これは、温度を特定の制限内に保つために、電源レールの幅を適切にサイズ設定する必要がある箇所です。ただし、ここでは、特定のトレースを流れる電流を考慮する必要があります。電源レール、高電圧コンポーネント、および熱に敏感な基板のその他の部分を使用する場合、レイアウトで使用する必要がある電源トレース幅を、PCBトレース幅と電流の関係表を参照して決定できます。もう1つのオプションは、IPC-2152/IPC-2221規格の計算機を使用することです。また、PCBトレース幅と電流の関係表は必ずしもすべてを網羅しているわけではないため、IPC規格の等価トレース幅と電流のグラフの読み方を知っておくと役立ちます。この記事で必要なリソースを確認します。高電流設計で低温を保つ PCB設計と配線においてよく浮かぶ質問の1つは、任意の電流に合わせてデバイスの温度を特定の制限内に維持するため、またはその逆の状況で求められる推奨電源トレース幅を決定することです。典型的な運用上の目標は、基板の導体温度上昇を10～20°C以内に保つことです。また、高電流設計における目標は、温度上昇が必要とされる動作電流の制限内に収まるようにトレース幅と銅箔重量を調整することです。 IPCは、特定の入力電流に対するPCBトレースの温度上昇を適切にテスト・計算するための規格を開発しました。これらの規格がIPC-2221およびIPC-2152であり、どちらにもこれらのトピックに関する大量の情報が含まれています。明らかに、これらの規格が対象としているものは極めて広範で、ほとんどの設計者は、すべてのデータを解析してトレース幅と電流の関係を明確にする時間がありません。そこで、こちらで、電流と温度上昇を関連付けるのに役立ついくつかのリソースをまとめました。トレース幅と電流の関係表（下記参照）トレース温度上昇用 IPC-2221計算機トレース温度上昇用 IPC-2152計算機以下の動画では、関連するIPC規格について概説し、予測力と適用性に関してそれらがどのように異なるかを説明しています。また、電流制限を計算するためのリソースや、特定の入力電流に対して予想されるトレース温度の上昇も示しています。 PCBトレース幅と電流の関係表 IPC 2152規格は、トレースとビアのサイズを決定する第一歩となります。これらの規格で指定されている式は、特定の温度上昇に対する電流制限を計算するための簡単なものですが、制御されたインピーダンス配線は考慮されていません。とは言え、PCBトレース幅と電流の関係表を参照することは、PCBトレース幅/断面積を決定する優れた方法です。これにより、トレースで許容される電流の上限を効果的に決定できます。これを使用して、制御されたインピーダンス配線用のトレースのサイズを決定できます。高電流で動作する基板で温度上昇が非常に大きな値に達すると、基板の電気的特性が高温で対応する変化を示すことがあります。基板の電気的および機械的特性は温度によって変化し、基板は高温で長時間使用すると変色したり壊れやすくなったりします。そのため、私の知り合いである設計者たちは、温度上昇が10°C以内に収まるようにトレースのサイズを決めています。これを行うもう1つの理由は、特定の動作温度を考慮するのではなく、幅広い周囲温度に対応するためです。以下のPCB電源トレース幅と電流の関係表は、銅箔重量1 オンス/平方フィートで温度上昇を10°Cに制限する多くのトレース幅と対応する電流値を示しています。PCBのトレースサイズの決定方法に関する説明は以上です。電流 (A)

高速信号のための遅延調整：知っておくべきこと

高速信号のための遅延調整：知っておくべきこと 1 min Thought Leadership PCBにおける長さが一致したラインオシロスコープで2つの信号の読み取りを見ると、信号トレース間の長さ/タイミングの不一致が下流のゲートを不適切にトリガーすることがどのようにして起こるかがわかります。マスタークロック信号の伝達時間と、異なるコンピュータインターフェースで送受信されるデータの往復時間を見ると、状況はさらに悪化します。SDRAMは、スレーブデバイスにクロックを配置し、取得したデータと一緒にクロック信号を送信することで、この問題をうまく解決しています。一方、他のインターフェース（USB 3.0、SATAなど）は、データから直接クロック信号を抽出します。私たちの残りの部分にとって、複数の並列インターコネクト、差動ペア内のトレース、そしてクロック信号の間での遅延調整は、データが正しい場所に正しいタイミングで到着することを保証します。長さ調整スキームを適用するには、単なる長さではなく、異なる信号/インターフェース標準での信号遅延時間を扱う必要があります。遅延調整の設計と信号を同期させるために知っておくべきことはこちらです。遅延調整対長さ調整長さ調整と遅延調整は基本的に同じ考え方を指します。目標は、一致したネット群内の信号トレースの長さを同じ値に設定することです。この考え方の目的は、すべての信号がある制約されたタイミングの不一致内で到着するようにすることです。一致したグループ内で二つの信号トレースが不一致の場合、通常の方法は、より短い信号トレースにいくつかの迂回を追加することによって遅延を追加し、信号を同期させることです。トロンボーン、ノコギリ波、アコーディオンの迂回は、トレースに遅延を追加する典型的な方法です。クロック信号と複数の信号線の間、差動ペア内、またはクロック線がない複数の差動ペア間で遅延調整を適用する場合でも、信号の特定のタイミング許容範囲を知る必要があります。SerDesチャネルの差動ペア受信機とコンポーネントでは、各信号間で許容される長さの不一致を決定する制限要因は、信号の立ち上がり時間とインターコネクト内の伝播遅延です。異なるデータレートで動作し、異なる信号規格を使用するインターフェースは、異なる許容される長さまたはタイミングの不一致を指定します。これらの不一致値は通常、FR4上で作業していると仮定していますが、異なる誘電率定数を持つ基板上でのより専門的な設計は、異なる長さマッチングの制約を伴います。ボードのI/Oチャネルを計画する際には、ボードの許容される長さの不一致値を調べ、この許容される不一致をタイミングの不一致に変換する必要があります（下記の方程式を参照）。タイミングの不一致を扱うタイミングの不一致を長さの不一致の代わりに扱うことは、遅延調整の中心的な考え方です。長さの不一致のみを考慮するPCB設計ソフトウェアを使用している場合は、特定の基板に対して正しい長さの不一致を計算する必要があります。長さの不一致は、特定の基板での信号速度（単位：in./ps）にタイミングの不一致を乗じたものに等しいです：信号速度の方程式（単位：in./ps）一般に、誘電率が大きい基板は信号速度が低下し、これにより2つの信号間の許容される長さの不一致が増加します。同様に、標準コンポーネントを過剰に駆動している場合、立ち上がり時間が短くなり（スルーレートが高くなり）、タイミングに対する制約も厳しくなります。一次近似として、信号の立ち上がり時間を半分にすると、許容されるタイミング制約も半分に切り下げるべきです。許容される不一致は、通常、立ち上がり時間ではなく、クロック周期の許容誤差の観点で定義されます。与えられたクロック周期において、許容される長さの不一致は信号速度に反比例します。誘電率（例えば、FR4）を仮定して引用される長さの不一致がある場合、特定の基板材料の信号速度を使用して長さの不一致を変換する必要があります。差動ペアにおける位相の不一致「位相ミスマッチ」という用語は、長さ調整や遅延調整と同じ文脈で使われることがありますが、差動ペアを扱う際に重要な影響を及ぼします。差動ペアのルーティングでは、異なるペアが変則的に配置されたビアを通過する必要がある場合など、ペアの各端が非結合状態になる短い領域が生じることがあります。これは、ペア全体の長さが不一致であることに加えて、一致させる必要がある複数のペアがある場合もあります。

伝送線路においてインピーダンス整合が重要な理由

伝送線路におけるインピーダンス整合の重要性 1 min Blog これらのトレースにおける伝送線の臨界長をご存知ですか？デジタル信号であれアナログ信号であれ、ソース、伝送線、負荷間でインピーダンスを一致させる必要があるでしょう。伝送線においてインピーダンスマッチングが重要な理由は、線を下って送られる5Vの信号が受信側で5Vの信号として認識されるようにするためです。伝送線のマッチングが重要な理由を理解すれば、これをいつ、ドライバー側または受信側のどちらで行う必要があるかを理解し始めることができます。インピーダンスマッチングについて話すとき、ドライバー、伝送線、受信機のインピーダンスを同じ値に設定することを指します。これは通常、単終端伝送線の場合は50オームですが、差動信号規格ではインピーダンスマッチングのために異なる値を指定する場合があります。ここでは、伝送線におけるインピーダンスマッチングがなぜ重要なのか、そしてPCB内接続で一貫したインピーダンスを実装する方法について説明します。インターコネクトがインピーダンスマッチされる3つのケース伝送線におけるインピーダンスマッチングの目的は、インターコネクト全体にわたって一貫したインピーダンスを設定することです。ドライバー、受信機、および伝送線のインピーダンスが一致している場合、いくつかの重要なことが起こりますが、これについては以下で説明します。伝送線においてインピーダンスマッチングが重要である理由を議論する際には、以下のケースを取り上げるべきです：ドライバー、線、および受信機が同じインピーダンスにマッチしている。これは完全なマッチングのケースと考えることができます。この場合、線の入力または出力で反射がなく、最大の電力が受信機に下流へと伝達されます。信号の電圧は、散乱損失、吸収、および DCおよびスキン効果の損失のためにのみ減少します。ドライバーと受信機がマッチしているが、線がマッチしていない。この場合、信号が伝送線に導入されるとすぐにいくらかの反射が発生します。言い換えると、線がドライバーにマッチしていない場合、供給された信号の一部がドライバーに反射されます。これは、一部の電力が伝送線に伝達されるのを効果的に防ぎます。同様に、受信機の端で反射が発生し、信号がドライバーに戻ります。入力インピーダンスは、ドライバーから受信機へ最大電力が伝達されるかどうかを決定します。短い伝送路の場合、伝送路のインピーダンスは、伝送路が非常に短いときに負荷のインピーダンスのように見えます。この重要な長さについては別の記事で取り上げられています。次の方程式を使用して、正確な入力インピーダンス（最初の信号反射後の伝送路のインピーダンスとして定義）を決定できます：損失のあるおよびない伝送路の入力インピーダンスドライバー、受信機、および線はすべて不一致です。この場合、伝送路の長さは関係ありません。信号が線を伝わるにつれて連続的な反射が発生し、受信機によって見られる電圧の望ましくない階段状の増加が生じます。ドライバーと受信機が不一致であるため、たとえ線が非常に短くても、ドライバーから受信機へ最大電力を伝達することはできません。伝送路におけるインピーダンスマッチングの重要性：反射ドライバーと伝送路がマッチしている場合、伝送路の入力での反射を抑制できます。しかし、この場合、ラインが受信機にマッチしていないと、受信機で反射が発生します。同様に、ラインがドライバーと受信機のどちらともマッチしていない場合、反射により一部の信号が実質的に失われます。ライン、ドライバー、受信機のインピーダンスを同じ値に設定することで、信号が受信機に伝達されることを保証します。インターコネクトの二つの部分の間のインターフェースでのインピーダンスマッチングは、そのインターフェースでの反射を防ぎます。インピーダンスの不連続性（つまり、ドライバー-ラインインターフェース、またはドライバー-ソースインターフェース）で反射が発生すると、信号レベルに急激な変化が生じ、過渡応答がインターコネクトで生じます。結果として生じる反射は、望ましい信号レベルの上に重ねられたリンギング（つまり、オーバーシュート/アンダーシュート）として現れるほか、デジタル信号では階段応答も可能性があります。反射は、デジタル信号かアナログ信号かによって、別の問題を引き起こします。デジタル信号での反射不整合伝送線路での繰り返し反射は、受信機と送信源で見られる電圧に階段状の応答を生じさせることがあります。この階段状の応答は、信号レベルの徐々な増加（下記の例を参照）や、上下に階段状の応答として現れることがあり、どちらも後続の入力信号に干渉します。その結果、受信機で見られる電圧は時間と共に変動することがあります。下記の例で示されているように、各反射で生じる電圧変化の上に典型的な過渡応答は明確さのため省略されています。

EMIを防ぐために、マルチレイヤーグラウンドリターンパスをたどりましょう

EMIを防ぐために、マルチレイヤーグラウンドリターンパスをたどりましょう 1 min Thought Leadership 複雑な多層PCBでは、グラウンドへの戻り経路をたどることがすぐに複雑になります。PCBが少ない層数を持つ場合（例えば、2つのプレーン層を持つ4層ボード）、戻り経路を特定し、EMIを防ぐために意図的に設計することは比較的簡単です。しかし、層数が多い場合には状況がより複雑になります。複数のプレーン層と導体がグラウンド戻り経路を形成することがあり、その導体がグラウンドに接続されていない場合でもです。ここで、グラウンドプレーンと参照プレーンを区別することが役立ちます。なぜなら、両方ともPCB内の戻り経路の一部を形成することができるからです。グラウンド戻り経路対参照プレーン参照プレーンは、信号伝送経路の固有の部分です。それらがボード内に意図的に配置されているか（例えば、信号トレースのためのグラウンドプレーン）、または信号トレースに近接している意図しない参照プレーンであるかは、ボード全体の信号トレースの位置を慎重に追跡しない限り、判断が難しいかもしれません。信号のグラウンド戻り経路は、実際にはグラウンドを通過しないかもしれません。それはシャーシ、電源プレーン、または他の接地された導体を通過する可能性があります。リターンパスが基板内のどこを通っても、常に基板上の低電位点、つまり電源に戻るグラウンドリターンポイントに戻ろうとします。リターン信号がシャーシ、電力平面、または他の導体に誘導された場合でも、グラウンド導体とより高い電位を持つ導体との間の電位差により、グラウンドに引き戻されます。信号が伝播する際のリンギングの特性であるだけでなく、信号のリターンパスは以下の振る舞いを決定します： EMIの感受性。リターンパスによって作られるループのインダクタンスは、回路の EMIへの感受性を決定します。大きな電流ループを持つ回路は、より大きな寄生インダクタンスを持ち、放射されたEMIに対してより感受性が高くなります。ループがタイトな場合、ループのインダクタンスは低くなります。これは、高速信号トレースを隣接層の基準平面に近づけて配線する理由の一つです。混合信号基板における干渉。信号を運ぶ導体と最も近い基準導体との間の寄生容量、および回路によって作られるループは、スイッチング信号によって見られるリアクタンスを決定します。リアクタンスは信号の周波数成分の関数であるため、信号の戻り経路は中程度の周波数で予測しにくくなります。このガイドを読んで、単一の平面層に対する混合信号の戻り経路を設計する方法についてもっと学びましょう。コモンモードノイズ経路。一度特定のトレースに誘導されたコモンモードノイズは、信号がグラウンドに戻るのと同じ経路をたどろうとします。コモンモードノイズによってたどられる正確なグラウンド戻り経路は、信号によって見られるリアクタンスを決定するその周波数成分に依存します。複数の平面層を持つ多層スタックアップで配線している場合、状況はさらに複雑になります。信号経路に沿って基準導体が変わる可能性があります。初期の基準平面を決定する主要な量は、信号トレースと近くの導体との間の寄生容量と回路のインダクタンスです。寄生インピーダンスは、インダクタンスのおかげで隣接する導体に局所化されていないことに注意してください。これは、多層基板において複雑なグラウンド戻り経路を作り出す可能性があります。これらのトレースのグラウンドリターンパスを追跡できますか？確かなグラウンドリターンパスへの回帰上記の内容を読んでまだ、複雑なPCBでのリターン電流がどうなるのか疑問に思っているなら、電流がグラウンドプレーンや他の接地された導体に結合されるのはなぜか、そしてそもそもそれが起こる理由は何か、と自問自答しているかもしれません。これらはどちらも妥当な質問です。隣接する導体間の寄生まず二番目の質問に答えることで、最初の質問への答えを説明するのに役立ちます。リターンパスが導入される場所は、信号トレースと隣接する導体間の容量と、信号トレースと該当する導体によって形成される回路の自己インダクタンスに依存します。これらの量が合わさって、信号によって見られるインピーダンスを決定します。

PCB内の信号歪み：原因と解決策

PCB内の信号歪み：原因と解決策 1 min Thought Leadership 高速信号の長さ合わせは、すべて同期に関するものです... 信号の歪みは、信号の整合性や回路分析に関する多くの議論でしばしば触れられるだけのものです。より多くのネットワーク製品が高速で動作し、複雑な変調方式を使用するようになると、信号の歪みがビットエラー率に寄与する深刻な問題となることがわかります。歪みの源は、電気的な相互接続でのデータレートの速度向上を妨げる主要なボトルネックの一つとして挙げられています。同じ問題は、特に10GHz台の周波数で動作するアナログ信号においても見られます。RF/ワイヤレス領域の設計者は、設計、テスト、測定中にこれらの信号の歪み源を理解する必要があります。線形対非線形の信号歪み信号の歪みのすべての源は、線形または非線形として分類することができます。それらは調和波の生成という点で異なります。非線形歪みの源は、信号が源を通過する際に調和波を生成するのに対し、線形信号歪みの源は調和波を生成しません。歪みの両方の源は、信号を構成する周波数成分の大きさと位相を変更することができます。信号の歪みの異なる源は、帯域幅の歪み源と特定の信号の周波数内容に依存して、異なるタイプの信号（アナログまたはデジタル）に異なる影響を与えます。信号の歪みの異なる源は、変調のタイプに応じて、変調された信号にも異なる影響を与えます。明らかに、異なる信号の歪み源の範囲は広く、すべての源を詳細にカバーすることはできません。しかし、PCBトレースとコンポーネントにおける線形および非線形の信号歪みのいくつかの重要な源を要約することができます。線形信号歪みの源周波数応答と位相歪み。線形回路での周波数スイープシミュレーションに慣れている場合、伝達関数が線形回路内の信号の位相と振幅の変化を定義することを知っているでしょう。回路、特定のコンポーネント、または相互接続の伝達関数は位相シフトを適用し、信号の大きさを調整します。位相と振幅のこれらの変化は周波数の関数であり、ボード線図で視覚化されます。これは、異なる周波数成分が異なる量だけ遅延され、これらの異なる周波数成分が異なる量で増幅または減衰されることを意味します。不連続。この広範な歪み源には、相互接続に沿ったインピーダンスの不連続（例：ビアやトレースのジオメトリ）や材料特性の不連続（例：ファイバーウィーブ効果から）が含まれます。分散歪み。これは、基板、導体、およびボード内の他の材料における分散によって生じます。この歪み源は避けられませんが、相互接続の長さが短い場合には気付かない程度に小さくすることができます。基板内の分散は、デジタル信号の異なる周波数成分がトレースを異なる速度で移動する原因となります。分散はまた、トレース上の信号によって見られる損失角度に影響を与え、信号歪みに寄与します。これにより、パルスが伸びる（つまり、群速度が周波数依存になる）ことが起こり、分散補償がない超高速レーザーで起こるのと同様です。 PCB相互接続で分散を補償する一つの解決策は、 DSPアルゴリズムを使用するか、正と負の群速度分散を交互に持つ層状基板ウィーブを使用して、関連する周波数範囲での正味の分散がゼロになるようにすることです。この特定のトピックは十分に広範なため、独自の記事に値します。この優れた記事をSignal Integrity Journalで、PCBトレースの分散に関する完全な議論をご覧ください。