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シミュレーションと解析

シミュレーションと解析は、回路図ではプリレイアウト、完成した物理設計ではポストレイアウトで実行できます。Altium Designer には、SPICEシミュレータ、反射やクロストークのシミュレータ、サードパーティのフィールドソルバとの統合など、両方の領域で成功するためのリソースが含まれています。シミュレーションツールの使用や設計における電気的挙動の解析については、ライブラリのリソースをご覧ください。

PCBシミュレーション PCB Design and Simulation Workflows Altium DesignerのSPICEシミュレーション xSignals in Altium PDN Analyzer for DC Power Integrity
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伝送線路インピーダンス測定 伝送線路インピーダンス測定：偶数モード対奇数モード 1 min Blog PCB設計者 シミュレーションエンジニア 電気技術者 PCB設計者 PCB設計者 シミュレーションエンジニア シミュレーションエンジニア 電気技術者 電気技術者 正確な伝送線インピーダンス測定が必要な場合、次のボードで使用する必要がある重要な値はこちらです。 記事を読む
これらのアンプは動作中に安定していますか？PCB内のアンプの安定性について知っておくべきことがここにあります。 高周波数と漂遊容量におけるアンプの安定性 1 min Thought Leadership アンプは、現代生活を可能にする重要なコンポーネントの一つです。無線通信からパワーエレクトロニクスまで、これらの製品が適切に機能するためには、アンプが安定して予測可能に動作する必要があります。安定性分析は、物理学と工学の中で私のお気に入りのトピックの一つであり、予想外の場所でよく出くわします。その一つがアンプです。 フィードバックとゲインを持つ時間依存の物理システムは、システムが安定した振る舞いに達する条件を持っています。アンプの安定性は、これらの概念をアンプに拡張し、意図しないフィードバックによってシステム出力が望ましくない飽和状態に成長する可能性がある場所です。適切な設計とシミュレーションツールを使用すれば、レイアウトを作成する前に回路モデルの潜在的な不安定性を簡単に考慮に入れることができます。 RFアンプの安定性に及ぼす漂遊容量の影響 アンプ回路の不安定性の源泉、およびアンプICの入出力ポート間は、寄生容量です。この寄生容量は、アンプに接続されるトレース間に存在します。寄生容量は、長いトレース（すなわち、伝送線）のインピーダンスを特定の値に設定するために重要です。しかし、寄生容量はまた、出力ポートと入力ポート間の意図しないフィードバックの経路を提供します。 このフィードバックパスは容量性であるため、入出力信号の周波数が高いほどそのインピーダンスは低くなります。現在、これは通常チップレベルで対処されていますが、より多くのRFアンプがますます高い周波数で動作するにつれて、PCBのトレースやパッドからの寄与がより重要になってきます。わずか数pFの寄生容量でも、運用中にアンプを不安定にするのに十分です。 ボードレベルでは、入力の漂遊容量が帯域幅を制限する効果を持ち、帯域幅は因子(1 + ゲイン)によって減少します。解決策は、アンプのポートでトレースとパッドを設計して寄生容量を最小限にするか、フィードバックループに補償容量を追加することです。高GHz帯域（例えば、mmWave周波数）では、コンポーネント間の間隔は臨界長よりも大きいため、 インピーダンス制御ルーティングを使用する必要があります。SoCへの一部のコンポーネントの統合は、この問題を解消するのに役立っていますが、今後のデバイス用の多くのRFアンプは依然として個別のコンポーネントとしてパッケージされています。典型的な例は、mmWaveアプリケーション用の新しいパワーアンプです。 アンプの安定性を評価する典型的な方法は、メーカーの評価ボードを使用して、直接、任意の過渡的な挙動を測定することです。もう一つの選択肢は、アンプに接続された入力および出力トレース上の寄生容量を決定し、これらをシミュレーションに含めることです。これらのシミュレーションでは、寄生容量を打ち消すために、アンプのフィードバックループに補償用のキャパシタを実験的に追加することもできます。 シミュレーションでの漂遊容量の考慮方法 あなたの回路図は、完璧な回路の2D描画に過ぎません。システム内のどこにも漂遊容量要素を含んでおらず、PCBの実際の挙動を正確に反映していません。とはいえ、適切な設計ツールを使用すれば、PCBに寄生を簡単に含めることができます。受動部品の 自己共振をシミュレートしようとしているのか、またはシステムの他の部分の漂遊容量をシミュレートしたいのかにかかわらず、戦略的な場所に回路図にキャパシタを追加する必要があります。 アンプの入力における漂遊容量をシミュレートするには、適切なサイズのキャパシタとACソースをアンプの入力に追加するだけです。キャパシタはシャント要素として配置されます（つまり、共通のグラウンド接続に接続されます）アンプの入力ポートと出力ポートに。また、アンプコンポーネントの検証済みコンポーネントモデルを使用して、寄生容量の存在下でのアンプの動作を把握する必要があります。シャント容量要素は、基板内のグラウンドと入出力トレース間の結合をモデル化します。 その後、2種類のシミュレーションを実行できます： 過渡解析および 極-零点解析。 過渡解析の予想結果 過渡解析では、アンプが動作するにつれて信号が不安定になり、時間とともに飽和に達するかどうかを確認できます。以下のグラフは、大きな寄生容量による強い不安定性を持つ100 GHz信号の例示結果を示しています。ここでは、意図しない強いフィードバックと高入力信号レベルにより、出力の過渡電圧が2Vの飽和値に達しています。 記事を読む
EMCテストに合格するための最適なEMIフィルターの種類は何ですか？ EMCテストに合格するための最適なEMIフィルターの種類は何ですか？ 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 EMCテストに合格する必要があり、新製品が謎のEMI源によって機能不全に陥っている場合、製品の完全な再設計を検討し始めるかもしれません。スタックアップ、レイアウト/ルーティング、およびコンポーネントの配置は、始めるのに良い場所ですが、特定のEMI源を抑制するためにできることがさらにあるかもしれません。 設計に配置できるEMIフィルターには多くの異なるタイプがあり、適切なフィルターはさまざまな周波数範囲でEMIを抑制するのに役立ちます。これらの回路は受動型または能動型であり、異なる帯域で異なるレベルの抑制を提供します。設計に最適なEMIフィルターの選択は、基板上のスペースから必要な減衰まで、さまざまな要因に依存します。さらに、一部のフィルターは比較的広帯域です（例：オペアンプ）が、他の回路は狭い周波数範囲のみを対象とすることができます。 EMIフィルターのタイプ EMIフィルタは、受動型と能動型のフィルタに分類され、それぞれ受動部品または能動部品で構成されます。さらに詳しく言うと、これらの異なるタイプのフィルタは、共通モードノイズまたは差動モードノイズの特定のタイプを対象としています。明らかに、これらの回路は、両方のタイプのEMIをフィルタリングするためにカスケード接続することができます。EMIの問題を修正しようとしている場合、特にEMCテストに失敗した後は、フィルタリングを超えた複数の解決策を実装する必要があるかもしれません。 それぞれのカテゴリに分類される一般的なEMIフィルタのタイプを見てみましょう： 受動EMIフィルタ 差動モード受動EMIフィルタ おそらく最も一般的な受動EMIフィルタは、 フェライトチョークです。これは基本的にいくつかの寄生容量を持つインダクタで、数十MHzまでの低通フィルタリングを提供します。これらのコンポーネントは、共通モードまたは差動モードの導電EMIのフィルタリングを提供することができます。これをラップトップで読んでいる場合、電源コードが入力電力線上の高周波ノイズを除去するためにこれらのチョークの一つを使用している可能性があります。PCBを見ると、フィルタリングを提供するために使用できる他の回路がいくつかあります。 下の画像は、差動モードの受動EMIフィルタとして使用されるLC回路のコレクションを示しています。これらのフィルタ回路は、物理的には復帰経路のための単一の参照しか持たないため、差動モード回路です。ここでの例は、ベンチPSUやバッテリーのように2線式DC電圧で駆動されるデバイスです。ただし、近くに浮遊または接地されたシャーシが存在するかもしれませんが、下の回路では、直接電流を導くことはなく、システムの残りの部分から完全に隔離されています。 これらのフィルタの中で最も単純なものは、Cフィルタ（シャントコンデンサとして接続される）とLフィルタ（直列インダクタとして接続される）です。これらは、広い周波数範囲でノイズを除去するために、重要な回路や重要なコンポーネントの入力に配置することができます。より複雑な構成は下の画像に示されています。PiフィルタとTフィルタに関しては、それぞれ低および高のソース/負荷インピーダンスで最も効果的です。 希望の信号を特定のコンポーネントに通過させつつ、他の全ての周波数を抑制したい場合は、バンドパスフィルタを構築する必要があります。同様に、アンテナからの漂遊放射のような、単一周波数での強い信号を抑制したい場合は、バンドストップフィルタが必要になります。回路内のL/C要素の数がフィルタの数を決定することに注意してください。より高次（つまり、カスケード）のフィルタを構築すると、通過帯域の外側でより急なロールオフが得られます。 共通モード受動EMIフィルタ 上記のEMIフィルタは、追加の参照導体を導入することで共通モードフィルタとして構築できます。よく知られているように、共通モード電流は、シャーシ内の金属や何らかの外部導体（つまり、グラウンドループを介して）への寄生容量によって誘導されます。共通モード電流は、その電源線を介してシステムに入ることもあります。例えば、スイッチングDC電源の出力やACメインからです。 共通モードノイズに対処するために、差動線上で使用できる3つの潜在的なオプションがあります： 直列に高インピーダンス要素を使用すること、すなわちコモンモードチョークを使用する システムの基準（通常はシャーシまたは地球に戻る）に対して低インピーダンスのシャント要素を使用する 容量性結合を排除するためにレイアウトを変更する 下の画像は、ポイント1と2を満たした配置を示しています。下のEMIフィルタ回路は、ACメイン入力または2線式DC入力（+VおよびDCコモン）に適用され、シャーシに接続する接地線が含まれています。この回路には、コモンモードチョークと、コンデンサのペアを介したローパスフィルタの2つの別々の要素が含まれています。 アクティブEMIフィルタ 記事を読む
伝送線路インピーダンス：6つの重要な値 伝送線路インピーダンス：重要な6つの値 1 min Blog 様々な伝送線路のインピーダンス値を見ていくと、特性インピーダンスと差動インピーダンスが重要な値として際立っています。これらは通常、信号規格で指定されているからです。しかし、PCB設計において重要な伝送線路のインピーダンス値は実際には6つあります。テキストブックや技術記事によっては7つある場合もあります。 特性インピーダンスの方程式は、多くの記事や教科書で簡単に見つけることができますが、他の一般的な伝送線路のインピーダンス値を計算するのはより困難です。この困難さは、複数の伝送線路の配置とそれらの間の結合の強さに依存しているためです。他の典型的なインピーダンス値は、線路の長さと任意のインピーダンスの不一致に依存する入力インピーダンスです。 伝送線路インピーダンス値 PCB設計およびルーティングの一環として理解する重要な伝送線路インピーダンス値をここに示します。 特性インピーダンス 「伝送線路インピーダンス」という用語をGoogleで検索すると、特性インピーダンスの定義が検索結果の最初のページで最も見られる結果となるでしょう。ほとんどの設計者は、集中回路モデル内で定義されている特性インピーダンスについてはおそらく馴染みがあるでしょう。このモデルは、特性インピーダンスに関して以下の人気のある式を返します： 十分に高い周波数または十分に低い損失の場合、特性インピーダンスは純粋に抵抗的になり、以下の値に収束します： 高周波限界における伝送線の特性インピーダンス。 ここでは、デジタル信号の帯域幅で約1GHzまで適用される スキン効果は無視されています。伝搬遅延と特性インピーダンスからLとCの値を標準式を使用して導出できます。 異なるトレース形状に対してです。その後、これらの回路値を使用して トレース幅とインダクタンスを最適化し、過渡的なリンギングを最小限に抑えることができます。 特性インピーダンスは時々「サージインピーダンス」と呼ばれ、用語「サージインピーダンスローディング」と関連しています。この用語は、伝送線を介して伝達され、負荷で見られる電力を定量化するために電力システムエンジニアによってよく使用されます。 偶モードと奇モードのインピーダンス 二つの伝送線が十分に近接している場合、容量性および誘導性の結合を経験します。この結合は通常、クロストークを決定するものですが、各線上の信号によって見られるインピーダンスも変更します。結合された線が共通モード（同じ大きさ、同じ極性）で駆動される場合、偶数モードインピーダンスは、ペアの一方の伝送線上で移動する信号によって見られるインピーダンスです。線が差動モード（同じ大きさ、同じ極性）で駆動される場合にも同様の定義が適用されます： 偶数および奇数モード伝送線インピーダンス値は、結合された伝送線のペアに対するZパラメーターの観点から定義されます： Z行列（インピーダンスパラメーターとも呼ばれます）は、Sパラメーターに簡単に変換できます。共通モードまたは差動駆動を持つ複数の結合伝送線に一般化することもできます。 このPDFをご覧ください、Zパラメーターや特性インピーダンス値をSパラメーターに変換するために必要な方程式について。 共通モードと差動インピーダンス 共通モードと差動モードのインピーダンス値は、偶数モードと奇数モードのインピーダンス値と関連しています。差動インピーダンス値は通常、奇数モードインピーダンスではなく、 記事を読む
Altium Designerにおけるフィルタ伝達関数と極-零点解析 Altium Designerにおけるフィルタ伝達関数と極-零点解析 1 min Blog 電子工学の授業で回路解析の問題に何時間も費やしたことを覚えています。手計算で様々なフィルター/アンプの構成を分析する方法を学びました。回路は通常、フィードバックがない限り、オームの法則やキルヒホッフの法則で扱えました。RFコンポーネント用の広帯域やマルチバンドマッチング回路など、高度なアプリケーションの回路は、手計算で分析するのがすぐに難しくなります。 しかし、複雑なフィルターの共振周波数の数が2または3を超えると、問題はすぐに扱いきれなくなります。この時点で、問題は通常、3次以上の多項式の分解または直接解を求めることになり、手計算では管理不可能になります。数学が得意な私でも、高次の多項式の問題は好きではありません。幸いなことに、複雑なフィルターを扱う際には、信号の挙動の多くの側面を決定できます 複雑なフィルター回路の解析 以下の回路図に示されている回路は、かなり複雑なフィルターです。一般的な実践でこのタイプのフィルターに遭遇することはないかもしれませんが、 マルチバンドアンテナ用のマッチング回路を設計しているときには、かなり近いものになります。この回路では、ソース（V2）が信号をバンドパスフィルターに送り、この部分からの出力（キャパシタを通過する電圧）がバンドストップフィルターに入力されます。フィルターからの出力電圧はL3とC3を通過する電圧で測定されます。このフィルター回路は、Miscellaneous Devices.IntLibライブラリの汎用コンポーネントを使用して構築されました。正弦波源（V2）は、Simulation Sources.IntLibライブラリで見つけることができます。 このフィルターの簡単な分析では、2つの重要な極があると言えます。バンドパスRLC共振周波数での出力電圧のピークと、バンドストップ共振周波数での出力電圧のゼロです。しかし、実際にはこれは正しくありません。これは、キャパシタC1とインダクタL1もこの回路のバンドストップ部分と共振しており、回路の伝達関数に複雑な共振構造を作り出しているためです。 見ていくとわかるように、フィルター伝達関数には2つ以上のピークとゼロがあります。これは通常、回路と入力信号をラプラス領域に変換することによって行われます。一般に、伝達関数は以下の方程式に示されるように、積の分数として書くことができます。 この方程式では、各zは伝達関数のゼロであり、回路が出力電圧を通過させない特定の周波数と減衰率に対応しています。各pは極であり、伝達関数のピークに対応します。フィードバックのない線形回路では、極は虚数共役ペアまたは負の実部を持つ完全な複素共役ペアとして現れます。極の実部は、回路の過渡的な挙動を教えてくれます。 出力電圧の臨界点を計算することで共振を計算しようとすると、臨界点を決定するために6次の多項式を解く必要があることがわかります。上記の回路についても、この回路の極を決定するために6次の多項式を解く必要があります。この問題は技術的に解決可能ですが、周波数領域での回路の挙動を決定するためにSPICEシミュレータを使用する方が速いです。この演習を手作業で行う代わりに、Altium Designerで SPICEシミュレーションを使用してこの問題を解決します。 フィルタ伝達関数の計算 この回路の伝達関数を計算するために、入力と出力に2つのプローブ（IとV）を配置しました。入力電流は、回路がそのバンドパスまたはバンドストップ共振で共振するたびに、いくつかの減衰または増幅を経験します。出力電圧測定（Vプローブ）の比較は、特定の周波数での入力電圧と比較して伝達関数を構築するために使用されます（上記の方程式を参照）。 始めるには、 シミュレーションダッシュボードを開き、分析に使用するソースと測定プローブを選択します。 次に、以下の分析を有効にします： 伝達関数：伝達関数の計算に使用するソース名と基準ノードを選択してください。 極-零点解析：入力ノードをR1（NetR1_2）に接続されたネットに設定し、出力ノード（NetC2_1）を設定します。基準ノードオプションを「0」に設定したままにしてください。これは、基準を地面に対する電圧測定とするためです。ネット上のどこかに地面に接続されたコンポーネントがある場合は、これらのオプションを変更する必要があります。私の設定は下の画像に示されています。 記事を読む
Sパラメータによるインピーダンス整合ネットワークのシミュレーション インピーダンス整合ネットワークSパラメータシミュレーション 1 min Thought Leadership Altium Designerでアンテナのインピーダンス整合ネットワークのSパラメータを計算する方法は以下の通りです。 記事を読む
新しい携帯電話におけるアンテナの隔離は、単純な遮蔽構造を超えています。 無線システムにおけるアンテナ分離の設計 1 min Thought Leadership アンテナの分離は、アンテナ間の干渉を防ぎ、無線システムの多様性を確保するために設計されています。 記事を読む