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高速PCB設計

高速PCB設計では、高速エッジの信号が使用されます。この信号では、デバイスの状態が非常に速く切り替わり、信号がコンポーネント間を移動し終わる前に移行が完了します。高速PCB設計における相互接続には、正確なインピーダンス整合が必要であり、相互接続に伴って起こりうる損失、歪み、EMI、クロストークを考慮した配線が必要です。伝送線路の設計、レイアウト、ルーティングを適切に行うことで、これらの問題を最小限に抑えることができます。プリント基板における高速基板レイアウトや伝送線路設計を成功させるためのリソースを、ライブラリでご覧ください。

高速PCB設計 Altium Designerを使用したPCBレイアウトと高速設計 高速設計とは何か Solve High-Speed Signal Constraints Automatically
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高速PCBでACカップリングコンデンサを使用する方法 高速PCBでACカップリングコンデンサを使用する方法 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 高速インターフェース、例えばSFPコネクタのTXおよびRXライン、PCIeレーン、メディア独立インターフェース（MII）ルーティングでは、ドライブコンポーネントと受信コンポーネントの間にACカップリングキャパシタを使用します。ACカップリングキャパシタは単純な機能を果たします：差動信号からDCバイアスを取り除き、受信側で感知される差動電圧が特定の範囲内になるようにします。受信側は、そのオンチップまたは外部終端回路の一部として、受信した差動信号に自身のDCバイアスオフセットを復元できます。これは、DCカップリングがマッチした抵抗器を使用し、回路の各側がDCバイアスを必要とするものの、受信チップ上でバイアスを内部的に設定するメカニズムがない場合と異なります。 ACカップリングキャパシタに関する大きな議論と、それらを高速チャネルでどのように使用すべきかについては、2つの領域に分かれます： キャパシタはどこに配置すべきか？ドライバーに近い場所、受信側に近い場所、または配置は重要ではないのか？ キャパシタの下にグラウンドカットアウトを配置すべきか？これはスタックアップ全体を通過し、他のすべての信号に対するルーティングキープアウトとして機能すべきか？ この記事では、これらの点について調査します。私の立場は明確であり、この問題について語った他のSI専門家と一致しています。リンクの両端の終端がチャネル帯域幅内にある場合、ACカップリングコンデンサの位置は重要ではないはずです。もちろん、リンクの両端の終端品質にはわずかな偏差があり、終端は決して目標インピーダンスで完璧ではないため、実際のチャネルではこの振る舞いからわずかに逸脱する可能性があります。 ACカップリングコンデンサの選択 差動伝送線路に配置されたACカップリングコンデンサは、周波数の関数としてインピーダンスの不連続のように見えます。非常に低い周波数では、ACカップリングコンデンサは非常に大きなインピーダンスを示し、信号の低周波成分をブロックします。非常に高い周波数では、ACカップリングコンデンサは信号に対して透明であるように見え、ACカップリングコンデンサを通して見た入力インピーダンスは伝送線路のインピーダンスのように見えます。コンデンサのパッドやコンデンサのESL値からの他の寄生要素を除けば、ACカップリングコンデンサは非常に高い周波数で最大の信号を通過させると期待されます。 これにより、AC結合された差動チャネルで有効ないくつかのシンプルなコンデンサ選択および配置ガイドラインが提示されます： 差動ペアに沿ってキャパシタを対称的に配置し、必要に応じてトレースをパッケージにファンアウトさせてください。 トレースの幅を超えないパッケージサイズとフットプリントを選択してください。 小さいパッケージサイズを好むと、ESL値が低くなります。 典型的なキャパシタの値は10 nFまたは100 nFです。 次に、配置ガイドラインを見て、その指導が文脈化できるかどうかを確認しましょう。 ACカップリングキャパシタの位置 上記の要因はACカップリングキャパシタの選択に対処していますが、キャパシタを配置すべき場所については対処していません。この点に関するガイダンスも半導体メーカーによって大きく異なり、専門家からのガイダンスはしばしば文脈を欠いています。これらのキャパシタをどこに配置すべきかを見るために、ドライバー、レシーバー、またはその間のどこかにこれらのコンポーネントを配置する決定をサポートするかもしれないテストデータとシミュレーションデータを見てみましょう。 ACカップリングキャパシタのテストデータ まず、ドライバーとレシーバーの両方にACカップリングキャパシタを使用する差動チャネルでのアイダイアグラムを示すテストデータを見てみましょう。以下の画像は、 EverExceedが提供したテストデータを示しており、このテストデータはアイダイアグラムを使用して二つの状況を比較しています。各ケースで、ACカップリングキャパシタは4.1インチのインターコネクトに沿って配置され、ドライバーまたはレシーバーからそれぞれ100ミルの位置にACカップリングキャパシタが配置されました。 記事を読む
高速PCBのチャネル帯域幅 チャネル帯域幅：高速PCBインターコネクトを適格化する正しい方法 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 半導体メーカーや非専門家からの高速PCB設計ガイドラインを読むと、常に立ち上がり時間を使って信号完全性を分析することが話題になります。信号の立ち上がり時間は重要で、EMI、クロストーク、遅延調整許容差などを決定します。設計がギガビット毎秒のデータレート以上で動作する場合、立ち上がり時間は通常、遅延調整で終わり、他のすべての信号完全性要因は周波数領域で分析されます。 プロの設計者は、単純な指標である帯域幅の観点で考えます。帯域幅が言及されると、初心者設計者は直ちに膝周波数を信号帯域幅の尺度として挙げます。これは完全に間違っています。物理的な伝送路によって減衰された後でも、すべてのデジタル信号は無限の帯域幅を持っています。 しかし、マルチGbpsの速度で設計する場合、関連する帯域幅はチャネル帯域幅です。言い換えれば、これは伝送路が最小限の減衰や反射で信号を強力に伝送できる周波数範囲です。Sパラメータから帯域幅をどのように決定するかの基本的な理解は、1 Gbpsを超えて作業したい人にとって必須です。 帯域幅の定量化方法 帯域幅は、周波数範囲の測定から決定することができます。すべてのデジタルインターフェースには帯域幅要件があり、送信機と受信機を接続する物理チャネルは、特定の範囲の周波数（DCからある最大周波数まで）内で一定量の帯域幅を許容しなければなりません。別の言い方をすると、帯域幅の仕様は次のように記述できます： 物理チャネルは、DCからある最大周波数までの周波数範囲内で、過度に電力を吸収または反射してはなりません。 物理チャネル（つまり、伝送線）が十分な帯域幅を提供しているかどうかは、Sパラメータプロットを見ることで確認できます。伝達関数やTパラメータなど、他にも使用できるパラメータプロットがありますが、最も一般的なのはSパラメータの使用です。 以下に示されている一対の差動ブラインドビアのリターンロスプロットを考えてみましょう。これは約70 GHzで-10 dBの限界に達します。このチャネル（インピーダンスが100オームの差動ペアに接続されたブラインドビア）は70 GHzの帯域幅を持っていると言えます。 Sパラメータプロットや伝達関数プロットを見るとき、チャネルの最大帯域幅を決定する一貫した定義を持つ必要があります。Sパラメータプロットにおいて、事実上の帯域幅制限は、リターンロスが-10 dBに達する最低周波数です。上記の例のプロットでは、問題の伝送線はリターンロススペクトラムに基づいて23 GHzの帯域幅を提供できるとされます。 これは普遍的な標準ではなく、異なるインターフェースは使用される伝送線に対して異なる要件を持つことに注意すべきです。例えば、802.3ワーキンググループによる224G PAM-4シグナリングの研究では、帯域幅制限は-10 dBのリターンロスではなく、-15 dBのリターンロスで定義されています。 チャネル帯域幅はデータレートとどのように関連しているのでしょうか？ 記事を読む
PCIeエッジカードのためのPCBデザインとピン配置 PCIeエッジカードのためのPCBデザインとピン配置 4 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 標準的なデスクトップコンピュータや組み込みコンピュータで最も一般的なアドインカードはPCIeカードです。PCIeアドインカードは複数のフォームファクターがあり、エッジスロットコネクタを使用して、マザーボードに対して垂直または直角に取り付けられます。また、M.2コネクタに接続するSSDやモジュールなど、異なるタイプのPCIeデバイスもあります。 この記事では、デスクトップコンピューターやサーバーに一般的に見られる標準的な垂直エッジコネクタを使用するPCIeアドインカードの機械的および電気的要件について説明します。PCIeアドインカードには、エッジコネクタ内にしっかりと収まるために従う必要があるカードの形状とサイズに関する特定の機械的仕様があります。 残念ながら、これらのエッジコネクタの機械的仕様はPCIe標準の中に埋もれています。設計者はしばしば、既存のカードのアウトラインを逆設計してPCIeカードのPCBで使用する必要があります。このブログでは、プロジェクトに使用できるPCIeカードのテンプレートを作成しました。このテンプレートは、カードの機械的キーイングとピン要件を示しているため、良い出発点ですが、必要な正確なPCB寸法に合わせてアウトラインを調整できます。 PCIeカードの機械的および電気的要件 PCIeアドインカードは、機械的な制約を課し、信号の整合性を決定するPCIeスロットコネクタを使用します。これらのカードで使用されるPCIeスロットコネクタに関するいくつかの重要な考慮事項を以下に示します： レーンの標準化：スロットコネクタは、特定の数のレーン（1x、4x、8x、16x、およびあまり一般的ではない32x）に対して標準化されています。 世代の互換性：スロットコネクタは、特定のPCIe世代に対して評価され、下位互換性があります。 コンポーネントタイプ：スロットコネクタは、スルーホールコンポーネントまたはSMDコンポーネントであることができますが、新しい世代のコネクタはSMDである傾向があります。 拡張コネクタ：大きなスロットコネクタは、設計に必要に応じて、小さなアドインカードを収容できます。 キーと方向：スロットコネクタは、PCIeカードの取り付け時の方向を決定するためにキーが付けられています。このキーはアドインカードに含まれている必要があります。 PCIeアドインカードは通常、カードに取り付けられるフランジを持っており、これによりコンピュータのシャーシに対して固定されます。このフランジは、標準のPCIeアドインカードの寸法を制限します。 PCIeスロットコネクタの例 以下に示すのは、スロットコネクタの例です。デスクトップコンピューターやサーバーを開けたことがある人なら、これらのエッジコネクターを認識しているでしょう。示されているコネクターはSamtecから入手可能ですが、Amphenolのような他のベンダーも自身のエッジコネクターを提供しています。 8レーン（上）と16レーン（下）のPCIeエッジコネクター（Amphenol） エッジコネクターとカードフランジのサイズと配置を考慮すると、通常、エンクロージャ内の形状とフィットを検証するためには機械モデリングが必要です。新世代のPCIeについては、チャネル帯域幅と総損失を検証するためにSIシミュレーションも必要です。これらの考慮事項を超えて、設計者は必要なレーン数を収容するためにカードピンアウトを構築する必要があります。 PCIeカードピンアウトのレーン数 PCIeコネクターのカードピンアウトは、レーン数に応じて変わり、 JTAGなどの追加インターフェースも含まれます。また、カードエッジには電源ポートと多数のグラウンドピンが分布しています。ピンのピッチは1.0 mmで、PCIe RXおよびTXレーンはグラウンドピンと交互に配置されています。 記事を読む
伝送線路インピーダンスの損失を補償する方法 伝送線路インピーダンスの損失を補償する方法 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 銅の粗さは、伝送線インピーダンスにおいて最も大きな不確実性を生じさせる要因かもしれません。確かに、異なるソルバーは異なる総合モデルと計算方法を実装してインピーダンス値を決定しますが、粗さの影響を計算しようとする試みは新たな不確実性をもたらします。これは、粗さに基づくインピーダンスが使用される特定のモデルと、粗さが主要な影響を及ぼす周波数範囲に依存するためです。 誘電体の損失も、伝送線の実際のインピーダンスを、典型的な伝送線計算機で計算する無損失インピーダンス値と大きく異なるものにします。 この記事では、30 GHz範囲まで適用可能な、広い周波数範囲で粗さを考慮する簡単な方法を紹介します。これは、ほとんどのデジタルアプリケーションとデータレートをカバーし、無損失伝送線インピーダンス計算で粗さを補償するための迅速な方法を提供します。 インピーダンス計算には損失を含める必要があります 銅の粗さ計算を取り入れる課題は、モデルの使用ではなく、現代のEDAソフトウェアで多くのモデルが利用可能であることです。覚えておくべき最初のポイントは： 無損失インピーダンスのみが、すべての周波数で一定の値になります！ もし 銅の粗さや誘電体の損失が大きく影響する周波数範囲（約3GHz以上）で作業している場合、トレースのインピーダンスが周波数の関数として変化することを理解する必要があります。その結果、設計者はしばしば以下のように伝送線インピーダンス計算問題に取り組みます： 設計者は Altium DesignerのLayer Stack Manager、Polar Instruments、またはオンライン計算機を使用して、正確な 50オームのインピーダンス の幅を決定します。設計が完了し、Sパラメータをシミュレートまたは測定すると、設計者は実際のトレースインピーダンスが損失のないインピーダンスとかなり異なることを発見します。 上記は単終端トレースと差動トレースの両方に適用されます。損失によるインピーダンスの偏差を推定する方法が必要であることは明らかです。この方法により、損失のないインピーダンス計算が実際に役立ちます。以下で見るように、損失による偏差は誘電体の損失正接の関数です。 高損失正接を持つマイクロストリップ例（Df = 記事を読む
マルチボードPCBのシグナルインテグリティ マルチボードPCBシグナルインテグリティ：完全ガイド 1 min Guide Books PCB設計者 電気技術者 システムエンジニア/アーキテクト PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 システムエンジニア/アーキテクト システムエンジニア/アーキテクト マルチボードPCBアセンブリは、信号整合性のルールを守り、低EMIを確保しなければなりません。これら二つの側面は密接に関連しており、この包括的なガイドで説明されています。 記事を読む
Customer Success Stories BAE Systems Discover how BAE Systems improved project time frames while ensuring that designs perform as expected early in the development cycle using Altium Designer.
TotM - 2024年6月 Altium Designer: PCB設計革新をリードする 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 電子設計の急速に進化する世界において、Altium Designerは革新のリーダーとして輝き、PCB（プリント回路基板）設計における可能性の限界を常に押し広げています。包括的で使いやすいツールで知られるAltium Designerは、世界中のエンジニアやデザイナーの成長するニーズに応える最先端の機能を一貫して導入してきました。その多くの進歩の中でも、特に革新的な3つの機能が際立っています：3D-MID設計、高速設計の改善、およびインタラクティブルーティングの強化です。これらの機能は設計プロセスを合理化し、電子製品の性能と信頼性を大幅に向上させます。 3D-MID設計：Altium DesignerによるPCB革新の新たな次元 Altium Designerは、設計プロセスにおける3D成形インターコネクトデバイス（3D-MID）技術の採用をリードすることで、PCB設計を再定義しています。この革新的なアプローチにより、電気回路を三次元のプラスチック部品に直接成形することが可能となり、機械的、電子的、および視覚的要素を統合した一体構造を実現します。Altiumの3D-MID技術に関する専門知識は、消費者電子機器、自動車、ヘルスケア、航空宇宙、ウェアラブル技術を含む主要産業を変革しており、空間と重量の大幅な削減と機能統合の強化を可能にしています。これらの進歩は、効率と性能に関して新たなベンチマークを設定しています。 変革的な3D-MID機能 Altium Designerが3D-MID技術を採用したことは、その提供内容において重要なブレークスルーを示しています。この技術により、機械的および電子的機能を一つの統合されたコンポーネントに融合させる複雑な三次元回路構造の作成が可能になります。3D-MID技術を採用することの利点は広範にわたり、軽量化されたコンポーネント、強化された機能性、設計の多様性の増加に至るまで様々です。このソフトウェアは、デザイナーがほぼあらゆる想定される形状を持つ複雑な多層設計を構築できるようにすることで、力を与えます。このような柔軟性は、空間と重量を最小限に抑えることが最優先事項である分野では非常に貴重です。例えば、自動車および航空宇宙産業では、軽量の電子部品が燃料効率と全体的な性能を大幅に向上させることができます。同様に、ウェアラブル技術では、コンパクトで軽量な設計への重点が、ユーザーの快適さと実用的な機能性を確保するために重要です。 高度な設計ツール Altium Designerは、デザイナーに3Dオブジェクトを視覚化し、操作するための洗練されたツールを提供し、PCBの電子部品と機械要素をシームレスに統合します。この統合は、設計の性能と製造可能性を向上させるために重要です。ソフトウェアは、従来の2D PCBレイアウトから高度な3D設計へのスムーズな移行を提供し、包括的な視覚化および分析ツールを装備しています。これらのツールにより、デザイナーは設計のあらゆる側面を徹底的にシミュレートし、厳格な性能基準に準拠していることを確認できます。 設計環境内で3Dオブジェクトを視覚化し、調整する能力は、複雑な幾何学を作成するプロセスをより直感的で効率的にすることを可能にします。この効率性は、プロトタイピングを加速し、市場投入までの時間を短縮し、革新的な製品を作成する際にデザイナーに重要な利点を提供します。 業界の応用と利点 3D-MID技術は、さまざまな業界で利用されており、顕著な利点をもたらしています。消費者向け電子機器では、複数の機能を単一のコンパクトなユニットに統合することを可能にし、機能性とユーザーエクスペリエンスの両方を向上させます。例えば、スマートフォンやウェアラブルは、より小さく軽量になりながら、より多くの機能を提供できます。 自動車セクターでは、3D-MID技術により、センサーや制御ユニットを直接車両の構造に統合することができます。この改善により、信頼性が向上し、組み立てプロセスが簡素化され、製造がより効率的になり、生産コストが低下します。 ヘルスケアデバイスも3D-MID技術で大きな改善を見せています。より小さく、軽量で機能性の高い医療機器の設計を可能にし、より進んだ診断および治療ツールの開発につながり、患者の成果を改善することができます。 高速設計の改善：Altium 記事を読む