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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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。

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