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。

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Altium Designerにおける電子システムレベル設計

Altium Designerにおける電子システムレベルの回路設計 1 min Thought Leadership エレクトロニクスシステムレベルの設計では、機能性と抽象化に焦点を当てることができます PCBレイアウトエンジニアの日常は、回路図を実際の製造可能なPCBに変換することについてです。これが実現する前に、設計は機能性を設計することに焦点を当てた抽象レベルで始まります。全体的な設計プロセスが進むにつれて、設計要件はより詳細になり、信号処理レベルに達し、最終的にはコンポーネントレベルに達します。新しいシステムに独自の機能性を作り出そうと忙しい設計者やエンジニアは、信号処理レベルで操作し、先進的なアプリケーションのための新製品を構築することを可能にする設計機能が必要です。なぜシステムレベルで始めるのか？新しい技術分野では、かなりの信号処理が必要とされ、これはコンポーネントレベルに到達する前にシステムレベルで決定される必要があります。自動車およびUAVレーダー、テレコムおよびファイバーネットワーキング、産業制御、センサーデータ取得および処理、その他多くの混合信号アプリケーションは、馴染みのある例でしょう。必要な信号処理ステップが決定され、完成されると、設計者やエンジニアはこれらの機能を回路図およびボードレベルで実装するために必要なコンポーネントを決定することができます。 Altium Designer^®の幅広いシミュレーションツールセットは、システムレベルでの作業に理想的です。設計者は、高い抽象レベルでシステムレベルの信号処理ステップを設計する自由を持ちます。必要な信号処理ステップを実装するために必要な機能を決定したら、その機能をコンポーネントレベルで実装するための幅広いコンポーネントにアクセスできます。Altium Designerでこれがどのように機能するか見てみましょう。 Altium Designerにおける電子システムレベル設計 Altium Designerでのシステムレベル設計は、新しい回路図から始まります。ここで、コンポーネントライブラリにあるすべての回路シミュレーション機能にアクセスできます。新しいプロジェクトと空の回路図を作成すると、回路図にシミュレーションモデルを追加し始め、ユニークな機能と信号処理ステップを設計できます。下の画像では、Altium Designerの標準シミュレーションおよびモデリングツールを使用して、シンプルなブロック図を作成しました。ここでは、加算器を使用したフィードバックループを含め、まもなく説明する2つの処理ブロック（ABM1とラベル付けされている）で意図した信号処理ステップが含まれています。信号処理ステップを設計するためのブロック図上の画像で、コンポーネントパネルを開いて多数の標準ライブラリを読み込んでいるのがわかります。赤いボックスで囲んだのは、関連するシミュレーションおよびモデリングライブラリです。これらのライブラリを使用すると、電圧/電流源（区分線形、任意、正弦波、電圧/電流制御源）などの標準的なシミュレーションモデルにアクセスできます。また、多数の数学関数にもアクセスできます。フィードバックループを作成するために、電圧を加算する関数（M_IN、設計ID ADDVとラベル付けされている）を使用しました。これらのシミュレーションモデルに加えて、Simulation

Altium Designerでアンプのシミュレーションを作成する方法高速信号の配線長の一致は、すべて同期に関連するテストと測定の段階は迅速に済ませたいものです。最終的に設計段階が完了すると、試作のテストを行えるようになります。これは同時に、システムに必要なコンポーネントを絞り込み、システムで計画している機能を評価することでもあります。回路のテストと測定は非常に重要ですが、これらは比較の基礎がなければ意味を成しません。シミュレーションの役割アンプでも他のどのような回路でも、シミュレーションツールは基板をレイアウトする前に回路を検証する際に重要です。多くのコンポーネント製造業者は特定のアプリケーションに特化したIC、SoC、SoMを製造していますが、コンポーネントによっては要求に対処できない場合もあります。次のシステムで使用する革新的な機能を実現するためには、多くの場合に各種のICや別々のコンポーネントからカスタム回路を構築する必要があります。このような場合は、設計を評価するためにシミュレーションツールが有用です。シミュレーションの結果は、後で試作のテストを開始するときや、特化したコンポーネント

Altium Designerでアンプのシミュレーションを作成する方法 1 min Thought Leadership 高速信号の配線長の一致は、すべて同期に関連するテストと測定の段階は迅速に済ませたいものです。最終的に設計段階が完了すると、試作のテストを行えるようになります。これは同時に、システムに必要なコンポーネントを絞り込み、システムで計画している機能を評価することでもあります。回路のテストと測定は非常に重要ですが、これらは比較の基礎がなければ意味を成しません。シミュレーションの役割アンプでも他のどのような回路でも、シミュレーションツールは基板をレイアウトする前に回路を検証する際に重要です。多くのコンポーネント製造業者は特定のアプリケーションに特化したIC、SoC、SoMを製造していますが、コンポーネントによっては要求に対処できない場合もあります。次のシステムで使用する革新的な機能を実現するためには、多くの場合に各種のICや別々のコンポーネントからカスタム回路を構築する必要があります。このような場合は、設計を評価するためにシミュレーションツールが有用です。シミュレーションの結果は、後で試作のテストを開始するときや、特化したコンポーネント用の評価基板を使用するときに、比較用の参照として使用されます。今日では新しいマイクロ波やミリ波のシステムが一般的になりつつあり、特に5Gやレーダーアプリケーションがあらゆる場所で使用されるようになっているため、RFアンプを中心に特化されたシステムの設計が必要になることが増えるでしょう。このようなシステムではシグナルインテグリティーが特に重要で、設計者は性能を評価するためにシミュレーションを行うことになります。 Altium Designer^®には大規模なコンポーネントライブラリがあるほか、解析ツールも内蔵されているため、アンプの正確なシミュレーションを作成して多くの解析を実行できます。必要なシミュレーションツールはAltium Designerの回路図エディタ―に内蔵されており、回路の設計時に簡単に利用できます。 Altium Designerでアンプのシミュレーションを作成する新しいシミュレーションの作成は、アンプ回路や信号処理ブロックなど、どんな回路も回路図レベルで開始されます。最初の手順は Altium Designerで新しい回路図を作成し、必要なシミュレーションソースを見つけることです。空白の回路図を作成してから、アンプとそれに関連する回路用のコンポーネントを見つける必要があります。[Components] パネルに移動してSimulation

Gerberファイルで見つけることができる、よくあるPCB設計の3つの間違い

Gerberファイルで見つけることができる、よくあるPCB設計のミス3選 1 min Thought Leadership 一般的なPCB設計のミスを見つけることで、製造までのプロセスを早めることができます私は大学院に入るまで優秀な学生ではありませんでした。その時点で、私は人生の他のどの分野よりも宿題に力を入れ始めました。確かに、私の社交生活はなくなりましたが、すぐに模範的な学生になり、振り返ることはありませんでした。学校にいる間に宿題をする必要があるように、新しい設計を製造業者に送る前に宿題をするべきです。新しい設計ではいくつかの一般的なエラーが発生する可能性がありますが、製造に出す前にレイアウトとガーバーファイルを入念にチェックすることで、これらの問題を避けることができます。これらの点をチェックすることで、製造業者からの入札拒否の反応を避け、組み立て後の歩留まりを向上させることができます。製造前の一般的なPCB設計ミス請求書に値する製造業者は、製造と組み立ての実行を開始する前にいくつかの重要な点をチェックする時間を取ります：コンポーネントの入手可能性、コスト、および廃止回路図、レイアウト、ガーバーファイル、部品表、およびエクセロンファイル間の一致製造プロセスへの適合最初のポイントは、サプライチェーンを調査して、予算内で部品を調達できることを確認することを要求します。廃止予定の部品をチェックすることで、製品が最も長く関連性を持つ寿命を持つことを保証します。この宿題を自分で行い、回路図とレイアウトを作成する前に行うことで、再設計のリスクを減らし、全体の生産時間を短縮します。二番目のポイントは、設計文書間の直接比較に関わります。Gerberファイルとドリルファイルの両方にすべてのドリル穴が表示されていることを確認したいです。また、回路図/レイアウトのすべての部品が部品表に表示されていることも確認するべきです。一部のCADプログラムは、ボードの各レイヤーごとに個別のファイルを作成しますが、設計者はボードの製造に必要なすべてのファイルが準備され、正確であることを確認する責任があります。第三のポイントは、実際には第二のポイントに関連しています。ガーバーファイルとエクセロンファイルをメーカーが検査するのは、設計が彼らのプロセスでフルスケールで生産できるかを確認するためです。レイアウトやガーバーファイルで素晴らしく見える機能も、完成品では想像した通りに（そもそも見えない場合もあります）現れないかもしれません。設計者として、メーカーやメーカーの代表者に彼らの能力と要件について相談するべきです。ガーバーファイルとレイアウトを慎重に検査することで見つけることができる一般的なPCB設計のミスはこちらです。重なっているまたは配置が間違っているドリルヒットスロットを作成しようとして2つのドリル穴を重ねるのは災害のもとです。ドリル中にビットが折れる可能性が非常に高いです。代わりに、エクセロンドリルテーブルのコードを使用して、この特定の機能をスロットとして定義できます。同様に、ビア用の誤ったドリルスポットが表面または内層のトレースやパッドに当たると、銅の特徴を破壊します。これらの両方の間違いは、DFMチェック中にPCBレイアウトのすべてのレイヤーをオンにすることで見つけることができます。比較的シンプルな設計の場合、製造業者は機能に影響を与えることがないため、ビアを簡単に移動させることができます。より複雑な設計では、製造業者は（またはそうあるべきですが）多くの複雑な変更が必要になる可能性があるため、ドリルホールやビアを移動させることをためらうでしょう。設計は変更のためにあなたに戻され、ボードが生産に送られる前に。このPCBレイアウトでリターン電流の経路をどのように決定しますか？パッド周りのはんだマスククリアランス

Lidar用パルスレーザーダイオードドライバー回路レイアウト

Lidar用パルスレーザーダイオードドライバー回路レイアウト 1 min Blog 自動運転車のセンサースイートの一部として、ライダーの範囲マップは、車載レーダーや他のセンサーやイメージングシステムと並んで、周囲の環境での物体識別に重要な役割を果たします。小型フォームファクターとスリークなパッケージングを備えた機能的なドライバーサーキットを構築することは、自動運転車の周囲でライダーイメージング/測距を可能にするために重要です。これらの同じ回路は、大気モニタリング、汚染プルーム追跡、航空機の乱気流測定、その他の精密測定など、他のライダー応用にも適応できます。特定のライダーシステムの有用性を決定する主要な要因は、出力パワー、パルス時間、および繰り返し率です。適切なドライバーサーキットを設計するか、またはダイオードを適切に駆動ICに適応させることができれば、ライダーシステムが高解像度および範囲で動作することを保証できます。パルスレーザーダイオードの駆動 - 送信側パルスレーザーダイオードは、100 nsまたはそれ以下のパルス幅に達するために、高電圧、低デューティサイクルのPWMパルス（通常は数百kHzで約1%のデューティサイクル）で駆動されます。立ち上がり時間が短いパルスレーザーダイオードを駆動することで、より高解像度の画像を得られ、より高速なスキャンレートが可能になります。ドライバICやカスタム回路で必要とされる短い立ち上がり時間は、長いパルスにはGaAsデバイスの使用を、短いパルスにはGaNが最適な選択です。自分自身のドライバ回路を設計する場合、重要なコンポーネントはFETドライバと送信アンプステージです。パルスレーザーダイオードを駆動する信号は、最初にFETドライバで増幅され、その後、高電流FETトランスインピーダンスアンプリファイアを高いゲインでスイッチオンして、必要な駆動電流を供給します。この回路のブロック図を以下に示します。パルスレーザーダイオードドライバ回路のブロック図この回路は、電流モードのパルスドライバ回路として設計されています。電流制御デバイス（LEDやレーザーダイオードなど）は、定格順方向電圧を超えると低インピーダンスになることを覚えておいてください。ドライバ回路は、低インピーダンス負荷に対して全ての電力を落とす必要がある電流源として機能します。これは基本的にパルス電力増幅器であるため、レーザーダイオードを横切る電圧がコンプライアンス電圧を超えないようにする必要があります。パルスレーザーダイオードをどのように駆動するかにかかわらず、出力のジッターが非常に低いことを確認する必要があります。これは、光速で移動する信号を扱う場合、1 nsのジッターが30 cmの距離誤差に相当するため、非常に重要です。正確な距離測定を保証するために、そのジッターを約10分の1に減らす必要があります。ジッターの削減は通常、電力、インピーダンス、及び寄生要素の3つの領域に焦点を当てます。低インダクタンス電力経路以下に示すのは、単一のMOSFETスイッチング要素を用いた容量性パルス電流駆動の簡略化された例です。このトポロジーでは、FETはロジックレベルでスイッチングできるように選ばれるべきですが、望ましいパルスの歪みを防ぐために可能な限り寄生要素が最小限であるべきです。必要なパルス立ち上がり時間と形状で安定した電力供給を実現するには、レーザーダイオード（以下「LD」と記されている）に至るまでのPDN/信号チェーン全体で低インピーダンスを維持することが重要です。このトポロジーは非常に基本的に見えるかもしれませんが、コンポーネントの選択とレイアウトが主な課題です。すべてのコンポーネントは慎重に選ばれる必要があり、コンポーネントとレイアウトの寄生要素が組み合わさってパルス形状を決定し、リンギングや過剰なノイズのような問題を引き起こす可能性があります。これには、すべてのコンポーネントリード、PCBのトレース、プレーン上のインダクタンスが含まれます。より一般的なのは、FETをアンプに置き換えることです。アンプのフィードバックループにインダクタンスが最小限であることを確認してリンギングを防ぐ必要があります。そうでない場合、レーザーダイオードからの光出力にこれが重畳される可能性があります。インピーダンスマッチングは必要ですか？この質問は、ジッターとレーザーダイオードの振る舞いに関連しており、非線形負荷コンポーネントとしてのそれについてです。非線形信号チェーンに精通している場合、パワーアンプ（飽和近くで動作）と非線形負荷の間の最大電力伝達は、わずかなインピーダンスの不一致がある場合に通常発生します。インピーダンスの不一致の正確な量は、ロードプル分析と呼ばれる技術を使用して決定されます。レーザーダイオードと直列に、完璧なインピーダンスマッチングの量を得るためには、インピーダンスマッチング回路をレイアウトする必要があります。残念ながら、これにより新たな寄生インダクタンスが追加され、アンプ回路内で減衰不足の振動の可能性が生じます。その代わりに、入力インピーダンスを異なる値に変換しようとするのではなく、適切にPDNを設計し、必要な低出力インピーダンスを提供するアンプ/FETを選択することで、低インピーダンスの電流供給にのみ注意を払います。

PDNインピーダンス解析、およびモデリング：回路図からレイアウトまで 1 min Blog シグナルインテグリティーはよく話題になりますが、シグナルインテグリティーはパワーインテグリティーと密接に関連しています。これは、電源/電圧レギュレーターからのスイッチングノイズまたはリップルを減らすだけではありません。PCB内のPDNのインピーダンスにより、基板のコンポーネントが電源の問題が原因で設計どおりに機能しなくなる設計上の問題が明らかになります。ここでは、PDNインピーダンス解析の基本モデルについて理解していきます。PDNインピーダンスのある程度、正確なモデルを構築できれば、コンポーネントに適したデカップリングネットワークを設計し、PDNのインピーダンスを許容範囲内に保持できます。 PDNインピーダンス解析を行う理由この記事をご覧の高速、および高周波設計者の方は、この質問に対する答えを既にご存じだと思います。しかし、技術的な需要の高まりに合わせ、全ての設計者が予想より早く高速および高周波設計者になることが考えられるため、PDNインピーダンスがPCBの信号の動作に与える影響を理解しておくことが重要です。残念なことに、この情報は必ずしも1つの場所に適切にまとめているわけではないため、ここで詳しく説明したいと思います。簡単にまとめると、PDNインピーダンスは回路の次の側面に影響します。電源バスノイズ。PCBの過渡電流が原因で生じる電圧リップル。PDNインピーダンスは周波数の関数であるため、スイッチングによって生じる電圧リップルも周波数の関数になることに注意してください。これらの過渡電流は、電圧レギュレーターからの出力のノイズレベルに関係なく発生する可能性があります。電源バスノイズの減衰。場合によっては、電源バス上のリップルがリンギング（減衰不足過渡振動）として示されることがあります。これは、デカップリングコンデンサーのサイズが適切でない場合、またはデカップリングネットワークでデカップリングコンデンサーの自己共振周波数が考慮されていない場合に発生する可能性がある1つの問題です。必要なレベルのデカップリング。従来、コンデンサーは自己共振周波数が相対的に低い（100MHz以下）ために、TTLと高速のロジックファミリーを使用するPCBでデカップリングを確保するには不十分でした。そのため、設計者はデカップリングを確保するのに十分な静電容量を提供するために、プレーン間静電容量を使用していました。自己共振周波数がGHzの新しいコンデンサーを利用すれば、高速/高周波PCBでデカップリングを十分提供することができます。電流リターンパス。リターン電流は最小抵抗（DC電流の場合）または最小リアクタンス（AC電流の場合）の経路をたどります。グラウンドネットワークのインピーダンスはスペースによって異なり、信号トレースとPDN間の寄生結合に一部、依存します。 IRドロップ。電源およびリターン電流のDC部分では、PDNを構成する導体の固有抵抗により一定の損失が生じます。以下の画像はPDN解析結果の例で、特定の信号トレースの下を通るリターン電流と、同じGNDプレーンのDC電流を示しています。タイミングジッター。信号の伝播時間は有限であるため、デカップリングコンデンサー、およびレギュレーターから引き出される電流がスイッチングコンポーネントに到達するまで時間がかかります。これらの信号がコンポーネントに到達すると、出力信号に干渉し、信号の立ち上がり時間にジッターを発生させる可能性があります。一般的に、パワーレールのノイズによるタイミングジッターは、ノイズの強度、およびレギュレーターとコンポーネント間の長さに応じて増加します。長いパワーレールでは、タイミングジッターが数ナノ秒で数百に達して、データの同期がとれなくなり、ビットエラー率が増加する可能性があります。このPDNアナライザー出力の信号トレースに注目 PDNインピーダンス解析の簡略モデル

高速信号の長さ合わせ：トロンボーン、アコーディオン、およびノコギリ波チューニング

高速信号のための長さマッチング：トロンボーン、アコーディオン、およびノコギリ波チューニング 1 min Thought Leadership 昔々、高速信号の長さ合わせガイドラインは、異なるトレース長調整スキームを手動で適用しながら生産的に作業できるほどのスキルを持った設計者を必要としていました。今日の最先端のインタラクティブルーティング機能を備えた現代のPCB設計ツールでは、設計者はもはやPCBレイアウトで長さ調整構造を手動で描き出す必要はありません。設計者が残された選択肢は、どの長さ合わせスキームを使用するかを決定することです：トロンボーン、アコーディオン、またはノコギリ波ルーティング。では、これらの異なるオプションの中で、あなたの高速設計に最適なのはどれでしょうか？十分に幅の広いトレース（つまり、HDI領域ではない）とGHz近くの帯域制限された信号を使用する場合、mmWaveやサブmmWave領域でアナログ信号を扱う際に見られる複雑な共振問題について心配する必要はありません。しかし、高速PCB設計における長さ合わせを行う際には、伝送線と信号完全性の振る舞いに関していくつかの重要な点を考慮する必要があります。高速信号のための長さ合わせオプションパラレルバスで複数の信号間の長さ調整が必要である場合や、単に差動ペアの両端を長さ合わせする必要がある場合でも、何らかの方法で長さ調整を行う必要があります。低速では、これらの信号の立ち上がり時間が長いため、異なる長さマッチングスタイル間の違いは表面的です。これらの違いは、エッジレートが速くなるとより明確になり、長さ調整構造に入力するインピーダンスが目立ち始め、高周波でのさまざまな構造におけるモード変換の異なるレベルを生み出し始めます。長さ調整オプションを選択する際には、2つの重要な点を考慮する必要があります：バスは単端か、それとも並列か？バスのインピーダンスは制御されていますか？どれくらいの不一致が許容されますか？長さ調整構造は常に3つの問題を引き起こします：入力奇モードインピーダンスの不一致、NEXT、および差動ペアのモード変換。以下に、高速PCBレイアウトで見られる3つの一般的な長さ調整オプションを紹介します。ソートゥース調整長さ調整の最も一般的な例は、ギザギザ調整とも呼ばれることがある鋸歯状調整です。ここに含まれるガイドラインは、この長さ調整構造の元々の意図を反映しており、それはモード変換を制限し、拡張セクション間のクロストークの出現を抑えることです。下の鋸歯状調整の例では、トレースに沿って滑らかな曲がりがありません。トレースは、下に示されているように、正確に間隔を空けるべきです。まず、「S-2S」ルールが下で使用されています。これは元々、長さ調整されたトレースの長さに沿って 45度の曲がりが使用されることを保証するために意図されていました。「3W」ルール（同名のクロストーク防止ルールと混同しないでください！）は実際には上限であり、鋸歯状の拡張部分の長さはWから3Wの範囲であることができますが、このルールに関してはガイドラインによって異なる場合があります。これらの寸法は、トレースの長さに沿った任意のインピーダンス不連続を最小限に抑えるために使用されます。高速信号のための鋸歯状長さマッチング：「3W」ルール。アコーディオン調整アコーディオンチューニングは、しばしば蛇行長チューニングとも呼ばれます。上で示された斜めの延長を使用するのではなく、直線トレースに沿って追加のチューニング長さをより小さな距離に収めるために直交延長が使用されます。以下に示すレイアウトは、異なる距離の複数のトレース延長を使用しています。この方法は、多くの単一終端信号の並列バスを含むアプリケーションでよく見られます。典型的な例はDDRです。これらの信号は時間内での同期が必要ですが、これらのトレースは差動バスの一部ではないため、トレースのペア間で厳密な位相要件はありません。したがって、長さチューニングセクションをどこに配置しても、受信コンポーネントは差動モードノイズと共通モードノイズを区別しないため、問題ありません。これが、DDRインターフェースの典型的なルーティングが以下のようなルーティングになる理由です。高速信号のためのアコーディオン長さマッチング。