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シミュレーションと解析

PCB内の信号歪み：原因と解決策

Thought Leadership PCB内の信号歪み：原因と解決策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

Thought Leadership 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

回路設計における過渡信号解析のためのツール

Thought Leadership 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

対称ストリップラインインピーダンス計算機と公式

対称ストリップラインのインダクタンスまたはインピーダンス計算機と公式以前の記事では、表面および埋め込みマイクロストリップトレースのインピーダンスを計算する際に、異なる計算機を使用すると生じる不整合について見てきました。前の記事で述べた多くの問題は、ストリップラインインピーダンス計算機にも当てはまります。対称ストリップラインは、非対称ストリップラインよりも、数値的にも解析的にも対処しやすいです。ここでは、対称ストリップラインのさまざまなインピーダンス公式と計算機の短い比較を行います。 IPC公式とワデルの方法マイクロストリップインピーダンス計算機の場合と同様に、ストリップラインインピーダンス計算機は、IPC-2141公式またはワデルの方程式に依存する傾向があります。計算機がこれらの方程式を適切な近似の下で実装しているかどうかは常に慎重に確認するべきです。始めるために、この記事の方程式で使用される記号は、以下に示される幾何学に対応しています：対称ストリップラインの幾何学多くの計算機は、上記の図の幾何学的パラメータに対するさまざまな限界について、方程式を一連の近似に分割します。これらの方程式は、ワデルの方法を使用して見つけることができます。特定の（相互に排他的ではない）近似の下で、以下の方程式はストリップラインのインピーダンスを定義します：狭いストリップのためのストリップラインインピーダンス方程式広いストリップラインの場合、上記の方程式はフリンジ容量係数の観点から次の方程式に簡略化されます：広いストリップのストリップラインインピーダンス方程式上記の解は、IPC-2141規格で明確に定義されています。一般に、これらの方程式は実験結果と比較して約1%の誤差を生じますが、これはマイクロストリップ伝送線のIPC標準方程式よりもはるかに高い精度です。IPC-2141標準が正しい定義を使用している一例です。良い計算機は、関連する限界を自動的に区別し、ユーザーの入力に基づいて正しい方程式を適用します。他の計算機は、ユーザーが狭いストリップラインまたは広いストリップラインを指していると仮定しますが、計算機の適用可能性を明示的には述べません。ストリップラインのインピーダンスを計算する際に、計算機が上記の二つの限界のいずれかを定義しているかどうかを必ず確認してください。一部の計算機は直接互いを模倣しているため、同じタイプの誤りを含むことがあります。特定の近似の下でのみ有効なストリップラインインピーダンス計算機のために定義された他の方程式もあり、それらは実際には上記の方程式の簡略化です。著者の意見としては、これらの他の方程式は避けるべきだと考えられます。限界 T = 0 での代替解は、第一種楕円積分の形で書くことができます。自分のストリップライン計算機を作成することに興味がある開発者は、この積分を評価するための標準的な数値アルゴリズムを簡単に実装できます。興味のある読者は、この方程式についてのコーンのオリジナル論文を参照してください。伝送線との関係

トレースインピーダンス計算機と公式の解説

トレースインピーダンス計算機と公式の解明一見すると明らかではないかもしれませんが、PCB設計の基礎となる数学がほぼ確定していると考える人にとっても、トレースインピーダンスを計算する正しい式については多くの意見の相違があります。この意見の相違は、オンラインのトレースインピーダンス計算機にも及んでおり、設計者はこれらのツールの限界を認識しておくべきです。トレースインピーダンス計算機の問題点お気に入りの検索エンジンを使用してトレースインピーダンス計算機を探すと、いくつか見つかります。これらのオンライン計算機の中には、異なる会社からのフリーウェアプログラムがある一方で、出典を示さずに式だけをリストしているものもあります。これらの計算機の中には、特定の前提条件をリストせず、関連する近似を詳細に説明せずに結果を出力するものもあります。これらの点は、例えば、印刷トレースアンテナのためのインピーダンスマッチングネットワークを設計する際に非常に重要です。一部の計算機では、ブロードサイド結合、埋め込みマイクロストリップ、対称または非対称ストリップライン、または通常のマイクロストリップなど、さまざまなジオメトリでトレースインピーダンスを計算することができます。他の計算機はブラックボックスのようなもので、どの式を使用しているのか、これらの計算の正確性を他の多くの計算機と比較することなしに確認する方法がありません。 TRANSLATE: ダグラス・ブルックスが 2011年10月の記事で述べたように、「多くの設計者の意見として、現在十分と考えられるインピーダンスの公式は存在しない。」トレースインピーダンスの公式の数学を細かく分析し、トレースインピーダンスの完全な解決策を提供することは、この記事の範囲を超えています。代わりに、IPCがよく指定する経験的トレースインピーダンスの公式と、 Transmission Line Design Handbookのブライアン・ワデルによって提供されたより正確な方程式を見てみましょう。これらはウィーラーの方法論に基づいています。 IPC-2141対ウィーラーの方程式（マイクロストリップ用） IPC-2141規格は、マイクロストリップとストリップラインのインピーダンスに関する経験的方程式の一つの情報源に過ぎません。しかし、IPC-2141のマイクロストリップトレースの公式は、ウィーラーによって提示された方程式よりも正確さに欠けます。 Polar Instrumentsは、このトピックの簡単な概要を提供しており、この記事ではIPC-2141の方程式とウィーラーの方程式がリストされています。特性トレースインピーダンスのためのIPC-2141方程式これらの方程式の精度は、異なるインピーダンスを持つマイクロストリップトレースについても、Polar

高速PCB設計解析: シミュレーションとシグナルインテグリティ解析

高速PCB設計解析: シミュレーションとシグナルインテグリティ解析夏の終わりが近づくと、私は家族を集め、魔法をかけられたようなワクワク感を求めてステートフェアに向かいます。フェアが開催される場所は、普段は人けがなく、荒れ果てた風景の中、小さなほこりのかたまりが風に吹き飛ばされていきます。ところがフェアが始まると、そこは活気に満ちあふれます。ゾウの耳がついたブース、動物や実演を見せる建物、大声で叫ぶ子供たちを乗せた娯楽用の乗り物などが並びます。それは、全ての部分が動く、ジャグリングのような曲芸的状況です。高速信号に対応したPCBの組み立てには、設計、コンポーネント、高速信号を扱うジャグリングのような部分があります。これらの高速信号には、不要な伝送線路が回路基板に大混乱を引き起こす可能性があります。混乱の多くはPCBレイアウト自体で発生します。レイアウトのどの部分がこのような混乱をもたらすかを把握しておくと、基板をレイアウトしながら問題を解決できます。適用したレイアウト手法がシグナルインテグリティにとって最適かどうかは、膨大な量の計算が必要な手間のかかる解析を行うか、シグナルインテグリティシミュレーションツールを使用することで明らかにできます。この記事をお読みいただいた後、ご自分の基板にとってどちらがより効果的かを判断してください。不十分なシグナルインテグリティシミュレーションツールシグナルインテグリティシミュレーションツールが不十分だと、魔法はカオスと化します。インピーダンス計算機能は誤った計算結果を返します。計算は、レイヤのスタックアップやPCBデザインルールで定義された材料の誘電率と矛盾します。シミュレータはモデリングのリターンパスを前提とするので、GNDプレーンに不連続な部分があると、計算から除外されます。3Dフィールドソルバーは、完全に誤った差動ペアのインピーダンスを算出して返します。ツールは単純で、デザインルールを考慮したPCBレイアウトのお決まりのオプションに対応していません。このツールには、リジッドフレキシブルのルールとシミュレーションが含まれています。そのシミュレーション環境では、波形が生成されますが、わかりにくいものになっています。さらに詳しく調べるには、複雑なコマンドを手動で実行して、普通の状態の値を求める必要があります。これは、3Dフィールドソルバーでも同様です。電気的に長いトレースの解析で一般的な選択項目がユーザーインターフェースに含まれていないので、自信を持って高速シグナルインテグリティの回路基板をレイアウトすることができません。インテリジェントなEDAツールによる知力の上手な活用結果を解釈する時間の浪費明らかなエラーを解析するためにシミュレーションツールの結果を調べると、何時間もかかります。メニューを使った移動は、慎重な操作が必要です。インピーダンス計算機能をあれこれ操作して、トレースのインピーダンスの計算に誤ったパラメーターが使用されたことを明らかにしようとして、無駄な時間がかかります。シミュレーションに使用されたパラメータが、PCBレイアウトのルールセットと一致しないことを発見しようとして、時間を取られます。誰がそんなことを予想したでしょうか? 面状材料の固有の電気容量と誘電率の正しいパラメータがないと、算出されたインピーダンスが高速信号の反射やリンギングを本当に抑えるかどうかを確信できません。シミュレーションは、ドリルファイルの不足など、周囲のちょっとした異常により失敗します。シミュレーションのセットアップにさまざまなPCBエディタと設定が必要であることを考えると、ドリルファイルの不足によって生じる失敗は、セットアッププロセスに混乱をもたらします。エディタおよび設定メニューに与えられる、選択したパラメータを何度も尋ねることになります。シグナルインテグリティの高速信号をシミュレーションするツールを分析していると、ヘルプページやアプリケーションノートの検索でより多くの時間を無駄に使います。最終的に、シミュレーションの結果を示す波形ができあがっても、不要なデータが表示されることが多々あります。手元に強力なツールがあっても、自分の回路基板について適切にガイドしてくれる使いやすいユーザインターフェースがなければイライラが募ります。最終的に整合性がどうなるかはわかりません。整合性の問題を特定して解消する優れたツール PCBデザインルールで設定されている材料パラメータを、ツールのインピーダンス計算機能で使用できたら、すばらしいと思いませんか? インピーダンスを計算するため、デザインルール全体にツールポート情報が格納されていれば、回路設計に基づいて正しいコンポーネントとレイアウトが実装されたプリント回路基板が、製造業者から戻ってくることを確信できます。シミュレーションに PCBのデザインルールのパラメータを使用すると、信頼できる結果になります。波形を表示して、回路設計とPCBレイアウトの両方のシミュレーション結果を示すことで、技術者とレイアウト設計者がシグナルインテグリティの問題と解決に対応しながら設計を作り込んでいくことができます。これにより、解析を実行し、手作業で得たベストプラクティスを適用し、PCBの製造を待ってシグナルインテグリティを検証するという推測に基づく作業がなくなります。 Altium