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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。

Altium DesignerのSPICEシミュレーション How to: Simulation and Analysis Circuit Simulation Documentation
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PCB設計におけるEMI制御の習得：PDNのためのデカップリング戦略 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 PCB設計におけるEMI制御をマスターするシリーズの第5回目へようこそ。この記事では、電力分配戦略についてさらに深く掘り下げ、PCBプロジェクトにおける電磁干渉（EMI）性能を向上させるための最適化方法について議論します。 図1 - Altium Designer®でのデカップリング戦略の例 デジタルプリント基板上でEMIを制御し、信号整合性を向上させる上での重要な要素は、効果的なデカップリング戦略を実装することです。これらのアプローチは、基板上の集積回路（IC）にクリーンで安定したエネルギー供給を保証します。 これを達成するために、PCB設計者は、高速スイッチングICのエネルギー需要を満たす強力な電力供給ネットワーク（PDN）を作成する必要があります。これにより、電源から適切な電流量をICが受け取ることを保証します。効率的かつタイムリーにエネルギーを供給するPDNを設計することは挑戦的です。これには、損失を減らし、高性能のためのインピーダンスニーズを満たすことが求められます。 データレートと信号速度が増加し続ける中、低インピーダンスのPDN（Power Delivery Network）を設計することがより重要かつ困難になっています。これは、インピーダンスプロファイルが送信される信号の周波数と密接に関連しているためです。これらの要因をバランスさせることは、PCB設計の性能を維持し、EMI（電磁干渉）の問題を最小限に抑えるために不可欠です。効果的なパワーデリバリーネットワーク（PDN）を設計する際には、デカップリングキャパシタの組み込みや、スタックアップ内でのパワープレーンや銅ポリゴンの使用など、いくつかの一般的な技術が使用されます。 しかし、広く受け入れられている方法や神話の中には、実際には効果がないだけでなく、ボードの性能に悪影響を及ぼすものもあります。 アンチレゾナンス 一つの人気のある技術は、10nFから1µFまでの異なるサイズの複数のキャパシタを使用することです。大きなキャパシタが集積回路（IC）にエネルギーを供給し、小さなキャパシタが高周波ノイズをフィルタリングするという考え方です。このアプローチは論理的に思えますが、PDNの全体的なインピーダンスを減らそうとするときに実際には逆効果になることがあります。逆効果になる理由は、実際のキャパシタは理想的に振る舞わず、高周波数で顕著になる寄生効果を持っているためです。 コンデンサは、その共振周波数までのみ容量性インピーダンスを示します。この点を超えると、コンデンサのパッケージ内の寄生成分がインピーダンスに影響を与え始め、コンデンサの振る舞いがより誘導性を帯びるようになります。全体の容量を高め、インピーダンスを低くするために異なるサイズのコンデンサを使用する試みは、重大な課題を提示することがあります。これは、各コンデンサが独自のインピーダンスプロファイルを持ち、その特有の特性によって影響を受けるためです。各コンデンサは異なる共振周波数も持っており、これらのインピーダンスプロファイルが互いに重なる状況につながります。このインピーダンスプロファイルの重なりは、特定の周波数でより高いインピーダンスピークを引き起こします。これらのピークは、コンデンサのさまざまな共振周波数間の相互作用によって発生します。 図2 - アンチレゾナンス — 異なるインピーダンスプロファイルを持つ異なるサイズのコンデンサを並列に配置する効果。出典: fresuelectronics.com 記事を読む
WCA_Article 回路設計をマスターしよう：最悪ケース分析に深く潜る 1 min Blog 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 シミュレーションエンジニア 回路を設計する際には、実験室の机の上という制御された環境を超えた様々な条件下での信頼性の高い性能を確保することが不可欠です。これには、コンポーネントの許容差や温度変動を考慮することが含まれます。航空宇宙や軍事などの安全が重要なアプリケーションでは、コンポーネントの経年劣化や放射線への曝露などの追加的な要因も考慮する必要があります。適切なテストを設定することは難しいかもしれませんが、徹底的な分析によって設計の堅牢性を効果的に検証することができます。 この記事では、差動アンプの分析を通じて、エラーの原因を理解し、異なる条件下での信頼性の高い性能を確保する方法を案内します。 小電流を測定するための差動アンプ回路 この例では、シャント抵抗を通る小電流を測定するために設計された差動アンプの構成を検討します。選択したオペアンプはADA4084で、レール・ツー・レール出力と低オフセット電圧を特徴としています。まず、回路の正しい機能を検証しましょう。 図1: 小電流を測定するための差動アンプ構成 回路を検証するために、 DCスイープシミュレーションを実施します。出力表現は、出力電圧を増幅率（201）とシャント抵抗値（0.2Ω）で割ることによって電流を計算します。 図2: パラメータを用いたDCスイープシミュレーションの結果 カーソルAが示すように、私たちの回路はほぼ完璧に動作します。例えば、実際の負荷が30.005mAの場合、計算された電流は29.810mAとなります。しかし、実際の世界はしばしば異なります。 次に、抵抗の許容誤差やADA4084データシートからの特定のパラメータなど、さまざまなパラメータを含めます。考慮すべき最も重要なパラメータは、入力オフセット電圧、入力オフセット電流、および入力バイアス電流です。 図3：シミュレーションに含める重要なパラメータとその値 図4：入力オフセット電流、入力オフセット電圧、および入力バイアス電流を含む回路 感度分析 感度分析は、どのパラメータの偏差が出力に最も大きく影響するかを決定することを可能にします。抵抗は1%の許容誤差（感度ウィンドウ内で10m）に設定され、他のパラメータはその影響を評価するために100%に設定されました。 図5：感度シミュレーションの設定 図6：感度分析の結果。相対偏差の列は、パラメータが変化すると出力に与える影響を示しています 予想通り、抵抗の許容誤差が最も重要な役割を果たし、入力電流（バイアスおよびオフセット）は無視できます。この特定のケースでは、簡単のため、これらのパラメータは後で無視されます。 最悪の場合の分析（WCA） 記事を読む
EMI Series Part IV PCB設計におけるEMI制御の習得：低EMIのためのPCB設計方法 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 PCB設計におけるEMI制御をマスターするシリーズの第4回目へようこそ。 PCB設計におけるEMI制御のマスタリング。この回では、効果的なPCB設計に不可欠な電磁干渉（EMI）の管理に関する高度な側面を探ります。 プリント基板（PCB）を設計する際の主な課題は、設計が放射された排出と導かれた排出の両方のテストに合格できるようにすることです。これは、規制基準を満たし、意図した環境でPCBが適切に機能し、他のデバイスやシステムへの干渉を引き起こさないようにするために重要です。 同様に重要なのは、外部および内部の排出に対する免疫を達成することで、最終製品の信頼性と性能を確保することです。 図1 - Altium Designer®でのPCB設計の例 電磁干渉（EMI）の設計では、排出は主に回路内の電流の変化によって引き起こされることを理解することが重要です。これは、内部の電流変化により、すべての回路が必然的にある程度の電磁放射を発することを意味します。設計者にとっての主な課題は、この放射の程度を管理し制御することです。 より良い電磁両立性（EMC）を達成するためには、これらの電磁放射を効果的に含有し最小限に抑えるプリント基板を設計することに焦点を当てる必要があります。 これには、2つの主要なタイプの放射を対処することが含まれます： 差動モード電流による放射； 共通モード電流による放射。 図2 - 回路内の差動モード電流と共通モード電流（共通モード電流の戻り経路は示されていません）。参照：Dario Fresu これらの電流を理解する最も簡単な方法は、差動モード電流を異なる経路を通って「反対方向」に流れるものと考えることであり、共通モード電流は回路の経路に沿って同じ「共通」の方向に流れます。 差動モード電流からの放射を最小限に抑える方法 差動モード電流は、回路の正常な動作に不可欠です。これらの電流は、集積回路（IC）とコンポーネントの間を流れ、PCB内の回路の設計の一部です。 記事を読む
高速PCBでACカップリングコンデンサを使用する方法 高速PCBでACカップリングコンデンサを使用する方法 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 高速インターフェース、例えばSFPコネクタのTXおよびRXライン、PCIeレーン、メディア独立インターフェース（MII）ルーティングでは、ドライブコンポーネントと受信コンポーネントの間にACカップリングキャパシタを使用します。ACカップリングキャパシタは単純な機能を果たします：差動信号からDCバイアスを取り除き、受信側で感知される差動電圧が特定の範囲内になるようにします。受信側は、そのオンチップまたは外部終端回路の一部として、受信した差動信号に自身のDCバイアスオフセットを復元できます。これは、DCカップリングがマッチした抵抗器を使用し、回路の各側がDCバイアスを必要とするものの、受信チップ上でバイアスを内部的に設定するメカニズムがない場合と異なります。 ACカップリングキャパシタに関する大きな議論と、それらを高速チャネルでどのように使用すべきかについては、2つの領域に分かれます： キャパシタはどこに配置すべきか？ドライバーに近い場所、受信側に近い場所、または配置は重要ではないのか？ キャパシタの下にグラウンドカットアウトを配置すべきか？これはスタックアップ全体を通過し、他のすべての信号に対するルーティングキープアウトとして機能すべきか？ この記事では、これらの点について調査します。私の立場は明確であり、この問題について語った他のSI専門家と一致しています。リンクの両端の終端がチャネル帯域幅内にある場合、ACカップリングコンデンサの位置は重要ではないはずです。もちろん、リンクの両端の終端品質にはわずかな偏差があり、終端は決して目標インピーダンスで完璧ではないため、実際のチャネルではこの振る舞いからわずかに逸脱する可能性があります。 ACカップリングコンデンサの選択 差動伝送線路に配置されたACカップリングコンデンサは、周波数の関数としてインピーダンスの不連続のように見えます。非常に低い周波数では、ACカップリングコンデンサは非常に大きなインピーダンスを示し、信号の低周波成分をブロックします。非常に高い周波数では、ACカップリングコンデンサは信号に対して透明であるように見え、ACカップリングコンデンサを通して見た入力インピーダンスは伝送線路のインピーダンスのように見えます。コンデンサのパッドやコンデンサのESL値からの他の寄生要素を除けば、ACカップリングコンデンサは非常に高い周波数で最大の信号を通過させると期待されます。 これにより、AC結合された差動チャネルで有効ないくつかのシンプルなコンデンサ選択および配置ガイドラインが提示されます： 差動ペアに沿ってキャパシタを対称的に配置し、必要に応じてトレースをパッケージにファンアウトさせてください。 トレースの幅を超えないパッケージサイズとフットプリントを選択してください。 小さいパッケージサイズを好むと、ESL値が低くなります。 典型的なキャパシタの値は10 nFまたは100 nFです。 次に、配置ガイドラインを見て、その指導が文脈化できるかどうかを確認しましょう。 ACカップリングキャパシタの位置 上記の要因はACカップリングキャパシタの選択に対処していますが、キャパシタを配置すべき場所については対処していません。この点に関するガイダンスも半導体メーカーによって大きく異なり、専門家からのガイダンスはしばしば文脈を欠いています。これらのキャパシタをどこに配置すべきかを見るために、ドライバー、レシーバー、またはその間のどこかにこれらのコンポーネントを配置する決定をサポートするかもしれないテストデータとシミュレーションデータを見てみましょう。 ACカップリングキャパシタのテストデータ まず、ドライバーとレシーバーの両方にACカップリングキャパシタを使用する差動チャネルでのアイダイアグラムを示すテストデータを見てみましょう。以下の画像は、 EverExceedが提供したテストデータを示しており、このテストデータはアイダイアグラムを使用して二つの状況を比較しています。各ケースで、ACカップリングキャパシタは4.1インチのインターコネクトに沿って配置され、ドライバーまたはレシーバーからそれぞれ100ミルの位置にACカップリングキャパシタが配置されました。 記事を読む
EMIシリーズ 第3部 EMI制御をマスターするPCB設計：EMC設計のためのスタックアップの選び方 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 電磁両立性（EMC）の面で優れた性能を発揮するPCBを設計する際に習得する最も重要な概念の一つは、PCBのレイヤースタックアップの選択です。 図1 - Altium Designerのレイヤースタックマネージャーツール これは、電磁場をPCB設計内で適切に保持することと密接に関連しているため、最も重要な側面の一つとなります。 この「PCB設計におけるEMI制御の習得」シリーズの第3記事では、これらの概念をさらに探求し、他の重要なEMCの概念についても見ていきます。 信号が回路内で伝播するためには、完全な電流ループを形成するために2つの導体が必要です。一方の導体が信号を運び、もう一方が復帰経路を提供し、電流が流れ、信号が効果的に伝送されることを保証します。導体の一方を 信号導体と呼び、もう一方を信号復帰および 参照導体と呼びます。復帰参照導体という名前は、その仕事が信号の参照（またはゼロボルト）だけでなく、信号電流が発生源に戻るための最小インピーダンスの経路を提供する必要があるためです。最小インピーダンスの経路を実現するために、トレースではなく平面を選択し、この平面は信号のインピーダンス不連続を作り出す可能性のある分割、切断、またはその他のセグメンテーションを持たないべきです。 この基本的な概念から、信号を持つ各層には、復帰および参照経路を提供する第二の導体、復帰参照平面が必要であることがわかります。このシンプルなルールに従うことで、隣接する復帰参照平面（RRP）と各信号層をマッチングすることによって、スタックアップの設計方法を決定できます。 以下は、電磁干渉を最小限に抑えるためのスタックアップの例です。 2層スタックアップの例 2層スタックアップでは、1層を信号と電力トレースに専用し、2層目をソリッドなリターン参照平面とする構成が可能です。 図2 - Altium DesignerのLayer Stack Visualizerツールを使用した2層スタックアップの例 記事を読む
高速設計における信号反射の理解 高速設計における信号反射の理解 1 min Blog 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 シミュレーションエンジニア はじめに 信号反射とインピーダンスマッチングに関する工学は、高速デジタルシステムの設計に関連する基本的なトピックの一つです。高ビットレートのデジタルシステムの場合、ビットの状態「0」と「1」についての情報が矩形波信号の形で送信されるとき、上昇（または下降）エッジの立ち上がり（または下がり）時間は、バイナリ信号の周波数に対して無視できると想定されます。しかし実際には、デジタル信号が無限に速く上昇または下降することはありません。立ち上がり（および下がり）時間は、送信機、受信機のパラメーター、および伝送路の物理的特性を含む信号経路のパラメーターによって決定されます。 高速システムの場合、立ち上がり時間と下がり時間は1ns以下と短くなることがあります。デジタルシステムのバイナリ信号の周波数は数GHzに達することがあり、比較的矩形の形状を維持するためには、上昇および下降エッジはビット期間の一部であるべきです。 電磁波の伝播速度（伝送線路内の電圧と電流の伝播）は、伝送線路の種類や基板の種類など、いくつかの要因に依存します。例えば、FR4基板とマイクロストリップ伝送線路の場合、伝播速度は約160Mm/s（メガメートル毎秒）または525Mft/s（メガフィート毎秒）です。もしエッジの立ち上がり（または立ち下がり）時間が例えば200psであれば、立ち上がり（または立ち下がり）エッジは伝送線路を立ち上がりまたは立ち下がり時間中に32mmまたは1.25インチ移動します。 信号形状を保持するかどうかは、PCBに沿った伝送線が、立ち上がり（または立ち下がり）エッジが移動する距離と比較して長さがある場合に、インピーダンスの連続性を維持し、受信側で適切な終端を行うかどうかに依存します。非常に短い接続やデジタル信号の立ち上がり（立ち下がり）時間が遅い場合、ここで説明されている反射の現象は観察されないかもしれず、スキップされる場合があります。経験則として、信号エッジが移動する距離（つまり、伝播時間と伝播速度の積）が伝送長の10％以上である場合は、出力、入力、および伝送線を適切にマッチングすることが求められます。この手順はインピーダンスマッチングと呼ばれ、PCB上のトレースの設計および抵抗器で構成されるマッチングネットワークを含みます。 インピーダンスマッチングと抵抗マッチング インピーダンスマッチング条件を決定する関係はよく知られています。TXの出力インピーダンスが受信機のインピーダンスの複素共役であり、送信機と受信機を接続する経路の抵抗が送信機と受信機の実部と同じである場合、信号経路はマッチしています。デジタルシステムの実際のケースでは、送信機または受信機経路の複素共役インピーダンスマッチングネットワークを実装することによってマッチングは行われません（これは、任意の虚数インピーダンス成分をキャンセルするために信号線にインダクタとキャパシタを追加する必要があります。また、このタイプのマッチングは通常狭帯域なのでデジタルシステムでは実用的ではありません）。 一般的な実践は、送信および受信ICの抵抗部分のみをマッチさせ、伝送線の特性インピーダンスを純粋に抵抗的にすることです。この場合、必要なマッチングを提供するためには抵抗器のみが必要です。例えば、ドライバー出力に直列抵抗器を配置することは、送信機を伝送線にマッチさせる可能性のある解決策の一つです。受信機では、グラウンドへの並列抵抗器を使用できます（または、差動ペアの場合 - 差動ペアを形成するトレース間に抵抗器）。受信機の終端トポロジに関連するいくつかの例は、Altium Designerで利用可能なSignal Integrityツールから取られた図1に示されています。 図1: Altium Designer シグナルインテグリティツールで利用可能な終端トポロジー デジタルシステムにおける信号反射の例 この章では、50Ωシステムに基づいている反射波形との信号マッチング例について議論します - ラジオ周波数設計に共通のシステムですが、このセクションで提示される関係は、他のインピーダンスプロファイルを使用するデジタルシステムや、差動ペアによって信号が送信される場合にも適用されます 記事を読む
シグナル・インテグリティ記事 4 Altium Designer 24に基づくシグナル・インテグリティの原則 1 min Blog 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 シミュレーションエンジニア 高速および信号完全性への導入 デジタルシステムは、現代の電子機器の基本的な領域の一つです。高効率プロセッサーやFPGA、高速ADCコンバーターとDSPやFPGAを使用する広帯域データ取得システムなど、デジタルシステムの進歩は、さまざまな集積回路やモジュール間の相互接続を含むPCBを特に、電子設計に異なるアプローチを要求します。このアプローチは、現代の高速電子機器で使用される信号の種類に関連しています。 RS232やI2Cのような基本的でよく知られたインターフェースは、データスループットが秒間数百キロビットに限定されていますが、PCIeやUSB3.0のようなインターフェースを介して高速システムやモジュール間の相互接続は、秒間数ギガビット以上のデータレートを持つことがあります（これが高速システムや高速設計という用語の由来です）。 さらに、現代の高データレート相互接続のほとんどは、少数の信号線のみを使用するシリアル信号を使用します。そのようなシリアル線の一つが図1に示されています。いくつかの標準では複数の線が必要であり、ほとんどの場合、これらの線は差動ペアとして作られます。そのような標準の良い例はPCIeやJESD204です。 図1：シリアル高データレートリンク；送信機、受信機、および伝送路のインピーダンスマッチングは信号完全性にとって基本的です 高速設計の原則は、信号データレートとこの信号によって占められる帯域幅との間に直接的な関係があるため、無線周波数設計に似ています - データレートが高いほど、そのような信号によって占められる帯域幅も広くなります。また、高速信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間は、しばしば1ns以下で、スイッチング周波数は数GHzを超えることがよくあります。このような信号は、SPI、I2C、RS232などの低速規格で使用される信号とは異なる方法でPCBを伝播します。信号の帯域幅を念頭に置き、送信機（例：ADCのJESD204Bインターフェース）から受信機（例：FPGAの入力ピン）まで、データリンクの忠実度が維持されるように、PCBを正しく設計するためには、重要な注意が必要です。最も一般的には、LVDS（低電圧差動信号）規格が、高データレートモジュールやシステムを相互接続するため、または高速信号の標準化された仕様（例：電圧変動、論理レベル、インピーダンスなど）を提供するために使用されます。 高速信号の性質は、PCB上で伝送されるリンクと信号の高忠実度を保証するために、PCBと回路図の異なる設計ツールを必要とします（設計に費やされる時間の削減とともに）。信号の高忠実度は、信号の品質特性に関連するもので、信号整合性と呼ばれ、PCB/SCHの開発中だけでなく、専用ツールを使用したラボでの信号測定によっても検証できる伝送信号の多数のパラメータから構成されます。 Altium Designerは、高速プロジェクトに関連するすべての活動をサポートし、例えば以下のような多数の機能を提供することにより、信号整合性の制御手段を提供します： 回路図とPCBでの差動ペアの定義の可能性； 長さマッチングを伴うPCBエディタでの差動ペアのルーティング； 差動および単線信号線の制御インピーダンストラックの定義； 差動ペア内およびバス内での信号線の長さ調整； 信号整合性と高速のためのシミュレーションツールとDRCチェック； 消散因子、誘電率定数、銅の粗さを含むインピーダンスプロファイルでのPCBスタックアップの定義の可能性； コンポーネントの伝播遅延の定義の可能性 など。 これらの機能は、信号完全性に関連する設計エラーを軽減し、設計フェーズでの柔軟性を提供し、プロトタイピングコストを削減し、製品の市場への納品を加速させるのに役立ちます。 記事を読む