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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。 記事を読む
Altium Designerによる小型DCモーターの実装 Altium Designerによる小型DCモーターの実装 1 min Altium Designer Projects 単一ICのDCモータードライバーを実装しようとしていますか? 出発点としては上々です。Mark Harrisが、製造実績のあるこのオープンソースのプロジェクトで、回路図からPCBレイアウトまでの作業を進める方法を解説します。 https://github.com/issus/Small-HBridgeGitHubでプロジェクトをダウンロードし、内容を理解したり、ご自身の設計にこのプロジェクトを組み込んだりして、ご自由にお使いください。 この記事では、回路図作成からPCBレイアウトまでの、ドライバーICの実際の実装について説明しています。このプロジェクトは、ご自身の設計にコピーアンドペーストするのみの用途でしたら、 GitHubにオープンソース ライセンスの下でリリースされていますので、そちらで入手してください。 部品の選択 ここに、駆動したい小型の高速モーターが2つあります。どちらも、負荷がかかると1Aの電流が流れ、工業用機械の30Vの電源で電流を流す必要があります。元の電子機器は加熱のため壊れ、今は使われていません。そこで新しい制御基板の開発が必要です。まずは、このプロジェクトのモーターについて説明しましょう。 各種の要件と最終的な回路基板で作業しなければならない限られた基板面積を考慮し、定格が2A/40Vの Allegro A4954と、TSSOP-16に サーマルパッド が付いたパッケージを使用することにしました。価格も非常に手頃で、 Allegro A4953などの単一モータードライバーとほぼ同額です。また、単一モーターのみ駆動する場合は、他の低価格の単一モータードライバーを使用できます。 今回の用途で単一ICドライバーを使用する主なメリットは、回路図の完成に必要な追加コンポーネントの数を減らせることです。必要な追加コンポーネントは、少数の抵抗、コンデンサー、3.3Vレギュレーターのみです。ただし、各モーター端子にもダイオードとコンデンサーを追加して、Hブリッジの損傷や電磁両立性認証の問題を引き起こすような 過渡スパイクを減らしたいと考えています。 回路図 本来はデータベース 記事を読む
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。 記事を読む
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 記事を読む
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 記事を読む
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 記事を読む
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。 記事を読む