回路設計における過渡信号解析のためのツール

適切なシミュレータを使用すれば、これらの回路で過渡信号解析を行うことができます。

私はまだ最初の微分方程式のクラスを覚えています。最初に議論されたトピックの一つが、多くの異なる物理システムで発生する減衰振動回路と過渡信号応答でした。PCB内のインターコネクトや電源レールでの過渡応答は、ビットエラー、タイミングジッター、および他の信号整合性の問題の原因となります。過渡信号解析を行うことで、完璧な回路を設計する道のりでどの設計ステップを踏むべきかを決定できます。

単純な回路での過渡信号解析は、手作業で調べて処理することができ、時間の関数として過渡応答をプロットすることができます。より複雑な回路は、手作業で分析するのが難しい場合があります。代わりに、シミュレータを使用して回路設計中に時間領域の過渡信号解析を行うことができます。適切な設計ソフトウェアを使用すれば、コーディングスキルも必要ありません。

回路設計における過渡現象の定義

正式には、過渡現象は、一連の結合された一次線形または非線形微分方程式（自律的であるか非自律的であるかにかかわらず）として記述できる回路で発生する可能性があります。過渡応答はいくつかの方法で決定できます。私の意見では、ポアンカレ・ベンディクソンの定理を使用して、任意の結合方程式セットに対して手作業で簡単に処理できるため、過渡応答のタイプと存在を簡単に判断できます。このような操作が得意でない場合でも心配はいりません。SPICEベースの回路シミュレーターを使用して、時間領域で過渡挙動を調べることができます。

フィードバックのない時間不変回路の過渡応答は、3つの領域のいずれかに分類されます：

• 過減衰：振動のない遅い減衰応答

• 臨界減衰：振動なしで可能な限り速い減衰応答

• 減衰振動：減衰し、振動する応答

これらの応答は、時間領域シミュレーションの出力で簡単に確認できます。SPICEシミュレーターを使用して、回路図から直接過渡信号分析を実行できます。

時間領域での過渡信号分析のためのツール

回路の挙動を調べ、過渡信号解析を探求する最も簡単な方法は、時間領域シミュレーションを使用することです。このタイプのシミュレーションは、ニュートン・ラフソン法または数値積分法を使用して、時間領域で回路のキルヒホッフの法則を解くことにより行われます。これは、シミュレートされる回路の形式に依存します。これらおよびその他の方法は、SPICEベースのシミュレータに統合されており、明示的に呼び出す必要はありません。過渡解析のもう一つの方法は、回路のラプラス変換を取り、回路の極と零点を特定することです。

回路シミュレーションの観点からは、回路図から直接過渡信号解析シミュレーションを実行できます。これには、回路の挙動の2つの側面を考慮する必要があります：

• 駆動信号。これは、過渡応答を引き起こす入力電圧/電流レベルの変化を定義します。これには、2つの信号レベル間の変化（例えば、スイッチングデジタル信号）、電流入力信号レベルのドロップまたはスパイク、または駆動信号の任意の変化が含まれる場合があります。正弦波信号や任意の周期波形で駆動することも考慮できます。また、信号が2つのレベル間で切り替わる際の有限立ち上がり時間も考慮できます。

• 初期条件。これは、駆動信号が変動する瞬間または駆動波形がオンになった瞬間の回路の状態を定義します。これは、時刻 t = 0 で、回路が初めて定常状態（つまり、回路内に以前の過渡応答がなかった）にあったと仮定します。初期条件が指定されていない場合、t = 0 での電圧と電流はゼロであると仮定されます。

Altium Designerでの入力電圧の低下をシミュレートする簡単な回路による過渡信号解析

シミュレーションを実行すると、入力信号と出力が重ね合わされた出力が表示され、信号レベルの異なる変化が過渡応答をどのように引き起こすかを正確に確認できます。以下に示すのは、スイッチングデジタル信号の例です。この回路では、初期条件が指定されていないと仮定しました。電流の過渡応答は、応答が減衰不足であるため、重大なオーバーシュートとアンダーシュートを示します。ここでの一つの解決策は、減衰を増加させるためにソースにいくらかの直列抵抗を追加することです。より良い解決策は、回路内のインダクタンスを減少させるか、またはキャパシタンスを増加させて、応答を減衰領域に持ち込むことです。

過渡信号解析結果の例

回路図対ポストレイアウト過渡信号解析

上のグラフの出力は、入射波と反射波を比較する反射波形シミュレーションで見られるものに似ています。ポストレイアウトシミュレーションでは、この場合の違いは、私たちが回路図で作業していることであり、PCBの寄生要素を考慮していません。ポストレイアウトシミュレーションでは、寄生要素が考慮され、過渡信号解析の結果は、上に示されたリンギングを減少させるためにレイアウトやレイヤースタックにいくつかの変更を加えることを示唆するかもしれません。

上記の結果が伝送線のポストレイアウト信号整合性シミュレーションで見られた場合、一つの解決策は、相互接続のループインダクタンスを減少させ、比例して容量を減少させることです。これにより、特性インピーダンスを変更せずに回路の減衰を増加させます。これはまた、回路の共振周波数をより高い値にシフトさせ、リンギングの振幅を減少させます。もう一つの選択肢は、ドライバーでの直列終端です。

ポール・ゼロ解析

時間領域シミュレーションの代わりに、ポール・ゼロ解析を使用することができます。この技術は回路をラプラス領域に変換し、回路内の極と零点を計算します。これにより、回路内の過渡信号応答がどのように振る舞うかを直ちに確認できます。このタイプのシミュレーションは過渡信号解析の初期条件を考慮することができるため、結果はより一般的です。しかし、入力波形の振る舞いを明示的に考慮していないため、過渡信号の振幅を直接確認することはできません。

過渡信号解析における安定性と不安定性

ここで注目すべき最終点は、フィードバックを含む回路における不安定性の可能性です。PCBスキーマティックやレイアウトで検討する典型的な回路では、ほとんど常に安定した過渡信号に遭遇します。上記の例は、安定した応答がどのようなものかを示しています。過渡振動がありますが、信号は最終的に定常状態に減衰します。強いフィードバックを持つ回路では、過渡振動が不安定になり、時間とともに増大する可能性があります。

アンプは、熱変動や強い過小減衰応答がアンプの応答を不安定にし、強いフィードバックの存在下で飽和させる可能性があることでよく知られています。飽和する非線形時不変回路は、この不安定な増幅振幅を最終的に一定レベルに安定させます。

過渡信号解析では、時間領域で不安定性を容易に見つけることができます。これは過小減衰領域で出力に指数関数的に増加する振幅として現れます。極-零点解析では、正の実部を持つ極が回路内の不安定な応答を示しています。極-零点解析の結果が不安定な応答を示している場合、時間領域シミュレーションを使用して、この応答が時間とともにどのように振る舞うかを正確に調べることができます。

これらの真空管は過渡的なリラクゼーション振動を示します。

信号整合性ツールの包括的なセットをAltium Designer^®で作業するとき、時間領域または極-零点解析を使用して過渡信号解析を容易に実行できます。業界標準のレイアウトおよびシミュレーションツールは、回路図やレイアウトから直接これらのシミュレーションを実行するのに理想的です。これらのツールは単一のプラットフォームに統合されており、ワークフローに迅速に組み込むことができます。

お問い合わせいただくか、無料トライアルをダウンロードして、Altium Designerについてもっと知りたい方は、ぜひご利用ください。業界最高のレイアウト、シミュレーション、データ管理ツールに、一つのプログラムでアクセスできます。本日、Altiumの専門家に相談して、詳細を学びましょう。