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RF設計

Newsletters ついに登場！PCB業界初のクラウドのエンジニアリング、RFパワーディバイダと頭脳食 - 2020年5月 OnTrackニュースレター 2020年5月第3巻12号オープンソースプロジェクトの人工呼吸器：Altium 365により、回路図が30日で完全に機能 2020年5月1日、Altium 365が一般に公開され、電子機器の設計と実現の方法がかつてない変貌を遂げる歴史的な日がやってきました。このクラウドベースのプラットフォームにより、設計者はどこからでも作業でき、1次および2次関係者全てを含め誰とでもつながれます。多くの人々がリモートワークを迫られる今の健康危機において、「どこからでも誰とでも」作業できることはかつでないほど重要であり、タイムリーです。このソリューションの性能と機能を説明するため、アルティウムでは、世界的な人工呼吸器不足の最前線にいることを思いがけず認識したVelocity Research社のDugan Karnazes氏にインタビューしました。（Karnazes氏）Velocity Research社が、Altium 365を活用して、完全に機能する人工呼吸器を30日間で実現した方法について説明していただきました。注: この記事は、 OnTrackポッドキャストの最新インタビューに収録された、Dugan Karnazes氏へのインタビュー全容からの抜粋です。記事を読むビデオを見る頭脳食

Altium Designerでの多層PCBスタックアップの計画近年のPCBが、単層や2層の基板で設計されることはほとんどありません。最新のPCBでは高密度の接続と多数のコンポーネントが使用されており、これからの設計は多層PCBになっていくと考えられます。手掛けるデバイスのフォームファクターがかつて見たことのないものであれば、リジッドフレキシブル基板を使用することになるでしょう。こうした種類のPCBには、適切なスタックアップが不可欠です。つまり、直感的なスタックアップマネージャーを備えるPCB設計ソフトウェアが必要になりますが、Altium Designerではマルチレイヤースタックアップを直接、PCBレイアウトに簡単に同期できます。 Altium Designer マルチレイヤースタックアップの管理ツールを備えるPCB設計ソフトウェアパッケージマルチレイヤーのスタックアップの最適な方法は、数々の要素によって変わってきます。特定の方法がなければ、あらゆる設計や配線、EMCの要件に同時に対処できます。多層PCBのデバイスのアプリケーションによっても、レイヤースタックアップの最適な方法は決まります。Altium Designerの統合設計環境では、優れたスタックアップツールからレイアウト、シミュレーション、ルールチェックの機能を直接使用できます。マルチレイヤースタックアップの計画どんな回路基板でも、コンポーネントや銅箔の配置に関して計画を立てなければなりません。単層のPCBでさえ、レイアウトに関する計画がなければ製造にリリースできません。PCB設計では、回路の設計が終わるまでコンポーネントの配置に常に注意を払う必要がありますが、これは多層PCBにも当てはまります。両面PCBや多層PCBでは、ベリードビアの穴を追跡したり、厚さや外層について計画したりすることができます。今後の多層PCBのスタックアップ方法を計画する際は、信号プレーンとパワープレーン/GNDプレーンの繰り返しになり、各レイヤーが絶縁コアかプリプレグで分離されることが一般的になるでしょう。リジッドフレキシブル基板は本質的に多層基板であり、それぞれにスタックアップの要件があります。その目的はレイヤー間のクロストークとEMIを抑制すると同時に、効率的な配線を可能にすることです。多層PCBのスタックアップ方法多層PCBの設計は技であり、芸術でもあります。設計全体のプロセスは、レイヤーの配置によって変わってきますが、レイヤー間を配線するためにビアを使用し、適切なパワープレーンとGNDプレーンのペアの配置を選択して、製造業者向けの情報をすべて含めた書類を作成する必要があります。これらは、優れたレイヤー構成マネージャーを備えるPCB設計ソフトウェアがなければ完了できません。スタックアップの各レイヤーにはそれぞれの機能がありますが、これらはマルチレイヤースタックアップで指定する必要があります。マルチレイヤーのスタックアップ方法について、詳しくはこちら

基板統合導波路ルーティング

mmWave PCB用の基板統合導波路ルーティング mmWave信号の応用はかつては防衛に限られていましたが、現在ではmmWaveシステムがより一般的になっています。自動車レーダー、UAVレーダー、5Gの今後の展開、そして6Gに関する現在の研究のおかげで、mmWave技術が主流になりつつあります。mmWave信号を使ったルーティングは、設計者にルーティングの慣行と相互接続設計を再考させることを強いています。これは、商業的に入手可能なPCB基板上で低損失ルーティングを提供する新しい相互接続構造を設計するために、多くの研究グループや革新的な企業を動機付けています。接地共面導波路（およびその変種）は、マイクロ波周波数で作業するRFエンジニアの間でおそらく最もよく知られている相互接続構造です。基板統合導波路と呼ばれるルーティング構造は、相互接続に沿った電磁場を工学的に扱うのに理想的な代替手段を提供します。 John Coonrodのような人々のおかげで、この技術は他の相互接続設計よりもいくつかの利点を提供するため、RF PCB設計者の間でより人気になる可能性があります。このユニークな導波構造とmmWaveルーティングのためのその利点を見てみましょう。基板統合導波路とは何か？想像してみてください。古いスタイルの金属製長方形の導波管があり、音響または電磁波を反射によって案内します。このシンプルな構造は、二つの平行な銅ストリップの間にPCB上で実装することができます。側壁の銅線は、スルーホールメッキビアから形成され、誘電体で満たされた金属構造を作り出します。このタイプの構造は基板統合導波管と呼ばれます。これらの導波管はPCB上で形成するのが非常に簡単です。以下に示すのは、例の導波管の図です。ここでは、相互接続は効果的に2層を占め、表面層のテーパーマイクロストリップカプラーを使用してこの構造に信号を注入することができます。基板統合導波管構造これらのシステムは、長方形導波管と同様の方法で機能します。それらは、その幾何学によって定義される一連のモードを持っています。数学的には、電磁場の空間分布を記述する固有関数のセットは、典型的な長方形導波管に使用されるものと同じです。各固有関数には特定の波数と波長があり、これらが組み合わされて導波管に沿った場の空間分布を形成し定義します。伝播モードのおおよその波数は（WとHはそれぞれ構造の幅と高さです）：同等の誘電体導波路における伝播波数（近似） nおよびmの項が大きすぎる場合、信号が特定のモードを励起することができません。これは、信号の周波数と構造の形状が、どのモードが励起されるかを決定することを意味します。一般に、所望の信号周波数に合わせて導波路のサイズを調整することで、TE10モードを簡単に励起することができます。他のすべての高次モードは減衰し、構造を通過することはありません。TE10モードの波数は次のとおりです： TE10モードのための伝播波数。設計者は、特定のモードを選択するために、オメガ、a、W、およびdを自由に選択できます。ここで、導波路構造内での閉じ込めを提供する標準要件は、ビア間隔（s）がビア直径（d）の2倍未満であること、および aがビア直径の5倍以上であることです。所望の周波数で他のモードを励起するための同様の条件を導出することができます。これにより、アンテナ、カプラー、アンプ/共振器、または他の受動RFデバイスに必要な電界分布を設計することができます。基板統合導波路の利点基板統合導波管の主な利点は、マイクロストリップ、ストリップライン、接地共面導波管と比較して損失が少ないことです。Kaバンド以下で作業している場合、マイクロストリップとストリップラインは接地共面導波管と同様の損失を提供します。Kaバンドを超え、Vバンド深くまで行くと、接地共面導波管はより少ない損失を提供しますが、挿入損失は依然として-6 dBに達し、40

RF PCBで位相同期ループICをレイアウトする方法

Thought Leadership RF PCBで位相同期ループICをレイアウトする方法通信システム、無線システム、および周波数合成が必要なその他のRFデバイスの一部として、位相同期ループはPCB設計において重要な役割を果たします。高周波トランシーバーや高速デジタルデバイスには、安定した内部制御可能なクロック信号を提供する統合VCOレイアウトとともに、統合された位相同期ループが含まれています。しかし、一部のPLL ICは、パッケージ内に統合VCOレイアウトを含む、個別のICとして利用可能です。合計すると、PLLはRF PCB設計において、復調、位相ノイズの除去、周波数合成におけるクリーンな波形の提供など、いくつかの重要なタスクを可能にします。 PCB内の位相同期ループは、他のRF PCBと同様に、寄生効果の影響を受ける可能性があり、設計者は個別の位相同期ループを使用している場合、賢明なレイアウト選択を行うべきです。位相同期ループの使用目的は何ですか？位相同期ループには、アナログ（RF）システムや、ボード全体で正確なクロックおよび信号同期が必要なシステムにおいて、いくつかの重要な機能があります。ここでは、位相同期ループの基本的な機能と、それらがRF PCBにおいて重要である理由をいくつか紹介します。フェーズノイズの除去：フェーズロックループは、電圧制御発振器（VCO）によって提供される基準と同期することで、基準信号からフェーズノイズを除去するためにも使用できます。過去には、これらのタスクにいくつかの別々のコンポーネントを使用していましたが、現在のフェーズロックループはVCOのレイアウトをICに統合しています。周波数合成：アナログまたはデジタルのフェーズロックループは、ある基準よりも高いまたは低い周波数での周波数合成にも使用できます。デジタル合成の観点からは、フェーズロックループを使用してデジタルパルスの繰り返し率を減少または増加させることができます。どちらの場合も、商用および実験用のフェーズロックループでGHzの10倍の振動/繰り返し率に達することができ、多くのRFアプリケーションをサポートできます。 FM信号の復調：フェーズロックループにFM信号が供給されると、VCOはその瞬時周波数を追跡します。ループフィルターステージ（下記参照）からの誤差電圧出力、つまりVCOを制御するものは、復調されたFM出力と等しくなります。低速/低周波数では、特定のドライバーの位相ノイズは通常、それを補償するために位相同期ループを利用する必要がないほど低いです。主な原因は、PCBレイアウトレベルで修正できる他の問題によるものです。位相同期ループの各コンポーネントの役割位相同期ループは、アナログアプリケーションではVCOからの負のフィードバックを使用し、デジタルアプリケーションでは数値制御オシレータ（NCO）を使用します。アナログアプリケーションでは、VCOまたはNCOからの出力周波数は、それぞれ入力電圧またはデジタル入力に依存します。いずれの場合も、PLLからの出力は、参照入力信号との位相差に比例します。位相差（そして出力）が時間とともに変化しない場合、その二つの信号は同じ周波数でロックされます。 RFシステムでは、アナログVCOからの出力は入力電圧に依存するため、参照クロック信号を変調するのに役立ちます。位相同期ループ内では、VCOはループフィルターを使用して特定の参照に効果的にロックします。アナログ位相同期ループでは、ループフィルターが所望の参照信号にロックするまでに時間がかかります（約100 nsに達します）。ループフィルターからの出力は、位相同期ループ内でも特別な位置を占めます。VCOを使用して所望のキャリア信号にロックする場合、周波数または位相変調信号は通常、位相同期ループのロック時間よりもはるかに速い速度で変調されます。この場合、ループフィルターは、参照とVCO信号の瞬時位相差に比例するエラー信号を出力します。変調された参照信号がキャリアとして位相同期ループに入力されると、このエラー信号は実際に復調された信号です。位相同期ループのブロック図位相同期ループのためのPCBレイアウト

6層スタックアップ EMC

EMC向上のための6層PCBスタックアップの設計 6層のPCBは、高いネット数と小さいサイズを持つ様々なアプリケーションにとって、経済的で人気のあるスタックアップです。大きなボードは、4層のスタックアップで十分機能することがあり、信号層を犠牲にしてボードの各側間の隔離を確保できます。適切な6層スタックアップを使用すると、異なる層間のEMIを抑制し、高いネット数を持つファインピッチコンポーネントを収容できます。しかし、4層または8層のスタックアップを使用する方が理にかなっている場合もあり、この判断をするためには、ボード内のプレーン層の機能を理解することが役立ちます。電源、グラウンド、信号プレーンはいくつ必要ですか？この質問への答えは非常に重要であり、実際にはボードのアプリケーションに大きく依存します。限られたスペースで密度の高いボードをルーティングしているが、すべてが低速またはDCの場合、2つのプレーン層と4つの信号層で十分なことがよくあります。しかし、その場合、創造的なレイアウトとルーティングで層数を4層に減らすことがよくあります。 EMIへの感受性を大幅に減らす必要がある場合、代替のスタックアップを使用し、より多くの電源/グラウンド層と少ない信号層を選択するべきです。これがデジタルボードまたは混合信号ボードである場合、信号を平面層に対して配置し、密接に配置された電源/グラウンド平面ペアを使用することで、EMI問題を引き起こすことなくボード全体に自由にルーティングするための柔軟性を得ることができます。シールド缶のような不格好な解決策を必要とせずに、ボードの周りにさらにグラウンドを追加することも、大きな遮蔽効果をもたらすことができます。デジタル信号とアナログ信号を混合する場合、高周波と低周波の信号を混合する場合、またはこれらのすべての組み合わせの場合でも、6層PCBスタックアップの創造的な使用が可能です。ある時点で、より大きなボードやスタック内の層を増やす（またはその両方！）必要があるかもしれません。6層PCBスタックアップのための多くの信号/平面層の組み合わせがありますが、以下にいくつかの一般的なものを示します。 6層PCBスタックアップの例これを念頭に置いて、いくつかの6層PCBスタックアップの例を見てみましょう：信号+電源/グランド/2信号層/グランド/信号+電源この6層PCBスタックアップの例は、内部層の低速トレースを外層のトレースから遮蔽する人気のあるエントリーレベルのオプションです。また、固体平面への密接な結合もあります。信号は、直交している限り、低周波数/遅い切り替え速度で、または内部層を通してルーティングできます。私は、互いおよび内層の低速/周波数トレースからそれらを遮蔽するために、高速デジタルおよび/またはアナログ信号を外層にルーティングするでしょう。以下に例を示します。これについては、アナログとデジタルを内層で混在させないでください。ただし、ボードの異なる領域にそれらを分離できる場合を除きます。しかし、デジタルとアナログのセクション間に分離が必要なその種の状況では、内部平面を持つ4層スタックアップで何とかなるかもしれませんし、創造的なレイアウト/ルーティングを行うか、または4層で好まれるSIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRの配置を使用できます（ガイドラインについてはこちらを参照）。このタイプのスタックアップでは、レイヤー2を電源プレーンレイヤーにしないでください、また、L3+L4で平行にブロードサイド結合ペアを試みないでください。代わりに、信号レイヤー上でPWRをルーティングします。これに伴う主な問題は、電源とグラウンドプレーンレイヤー間のインタープレーン容量の欠如と、L1からL5への高インダクタンスのリターンパスです。これらのプレーンレイヤーが分離されているため、L1上の信号の予測不可能なリターンパスを補償するために、より多くのデキャップとグラウンドリターンビアが必要になります。この理由から、これらのボードは、正確なリターンパスの予測と追跡を必要としない電力またはDCシステムでのみ使用すべきでしょう。信号/GND/PWR/GND/信号/GND この6層PCBスタックアップの例は、高速信号に多くのデカップリングを提供する必要があるが、信号用に3層分の密度が必要でない基板にとって良い非対称スタックアップです。一つの例は、高速（L1）と低速（L5）の信号の混在で、これらは互いに隔離され、密接に配置されたPWR+GNDプレーンペアが高速電力整合性をサポートするための高いデカップリングを提供します。内部信号層は、2つのグラウンドプレーンの間に封入されるため、表面信号層から遮蔽されます。また、固体導体が効果的な遮蔽を提供するため、内部信号層がEMIの干渉を受けるのを抑制するのにも役立ちます。電源とグラウンドプレーンは、高速デジタルデバイスのための効果的なデカップリングを提供するために、おそらく密接に配置されるでしょう。このスタックアップの主な問題点は、下層のグラウンドを切り取って部品を配置するスペースを作らない限り、上層にのみ簡単に部品を配置できることです。つまり、基本的には片面基板を構築していることになります。これは製造にとって高価な提案であり、内部信号層へのビアを配置するために多くのドリリングが必要になります。これは、4層または8層のPCBスタックアップの利点を強調しています。8層スタックアップでは、内部層に隣接する電源/グラウンドの同様の配置を作成しながら、内部ルーティングや下層の部品/ルーティングも収容できます。信号/グラウンド/電源/信号/グラウンド/信号

組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン

Thought Leadership 組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン旅行から戻って来た直後に、もう一度旅行に出掛けたいと思ったことはありませんか? 私にはそんな経験があります。前回のビーチリゾートでの休暇が、雷雨が続いたせいで台無しになってしまったのです。旅行の計画を立てるときは、予測できない天気というものがいつもジレンマになります。アウトドアで過ごす予定があればなおのことでしょう。屋外での使用が想定される組み込み型のソーラーシステムを設計する際、私はこれと同じ慎重な姿勢で取り組みようにしています。こうしたシステムは、安定した電力供給で稼働する組み込み型のシステムとは完全に異なる難題です。例によって、私は苦労の末に慎重になることを学びました。というのも、最初に手掛けたソーラー式の試作は、1日でも雨が降ると稼働しなくなってしまったからです。組み込み型ソーラーシステムについては考慮すべき状況がたくさんあり、太陽光のない状態で何日も稼働するように計画しなければなりません。組み込み型ソーラーシステムの設計で考慮すべき要素 1. ソーラーパネル言うまでもなく、ソーラーシステムで最も重要なの要素はソーラーパネルです。これについては、多結晶や薄膜よりも効率がよく、暑い気候でも優れた性能を発揮する単結晶を選択したほうがよいでしょう。パネルの中には最大22%の太陽光を電力に変換できるものもあります。とはいえ、単結晶や多結晶の効率はサプライヤーによって異なるため、事前に詳細情報を確認しておきましょう。 2. 電池の容量組み込み型のソーラーシステムで重要なパラメーターは、ソーラーパネルの性能が0%になった場合のシステムの持続性です。環境要因によっては、ソーラーパネルに数日や数週間、太陽光が届かない場合もあります。そこで必要になるのは十分な容量のある電池です。また、ソーラーパネルの充電率が電池の使用率を上回るようにしておく必要もあります。5時間かけて充電した電池が2時間で消耗してしまっては、とても効率的とは言えません。 3. 太陽光の照射考え方によっては、ソーラー技術はいたって単純です。太陽光がなければ電力は生成されません。ただし必ずしも、8時間分の太陽光で8時間分の電力が生成されるわけではありません。「太陽光ピーク時間」という用語がありますが、これは太陽が空の最も高い位置にあって、ソーラーパネルが一番効率的になる時間帯を指します。こうした要素について認識し、太陽光ピーク時間を算出しておくことが望まれます。