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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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RF PCBで位相同期ループICをレイアウトする方法 RF PCBで位相同期ループICをレイアウトする方法 1 min Thought Leadership 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 記事を読む
PDNにおけるデカップリング、インダクタンス、および抵抗の役割 PDNにおけるデカップリング、インダクタ、および抵抗の役割 1 min Thought Leadership RFデカップリングキャパシタの役割とは何ですか？私のPCBにデカップリング回路が必要ですか？一部の設計者は、電力分配ネットワークを設計する際に、デカップリング、インダクタンス、および抵抗の役割を見落とすことがあります。 記事を読む
デジタルICにはどのサイズのデカップリングコンデンサを使用すべきですか？ デカップリングコンデンサの計算：デジタルICにはどのサイズを使用すべきですか？ 1 min Blog これらのデカップリングコンデンサは適切なサイズですか？ PCB設計ガイドライン、特に高速デジタル設計の「専門家」が繰り返し指摘することの一つに、適切なデカップリングコンデンサのサイズを見つける必要性があります。これは、これらのコンデンサがPDNで何をすることが期待されているのか、また電源の整合性を保証する上での彼らの役割を完全に理解せずに対処されることがあります。また、デジタル集積回路の電源ピンとグラウンドピンをブリッジするために、3つのコンデンサ（通常は1 nF、10 nF、100 nFなど）を配置するという数十年前のガイドラインをデフォルトとするアプリケーションノートも多く見かけます。過去には、これで十分だったかもしれません。高速デジタルコンポーネントで生じる電源の整合性の問題は、コア電圧に干渉するほど悪くなかったので、3つのコンデンサが行う仕事は十分でした。 今日の高速集積回路は、複数の出力を持ち、コア電圧が低い（1.0Vまで低い）ため、昔の遅いコンポーネントよりもはるかに厳しいノイズ制約を持っています。厳しいノイズ制約とは、より正確なデカップリングが必要であることを意味します。このため、今日の比較的強力なMCUやその他多くのデジタルコンポーネントを扱う設計者は、デカップリングキャップを適切にサイズする方法を知っておく必要があります。では、最良の方法は何でしょうか？一般的に、これを行う方法は2つあります。それぞれを見て、デカップリングキャパシタの値を計算する方法と、なぜ古い「3つのデカップリングキャパシタの神話」が現代の高速デジタル設計では関係ないのかを見てみましょう。 等価キャパシタモデルの理解 デジタル設計に必要なデカップリングキャパシタのサイズを決定する前に、キャパシタの基本的な回路モデルを理解する必要があります。キャパシタが理論通りに振る舞うと思いたいところですが、実際にはそうではありません。すべてのキャパシタには、そのインピーダンススペクトルを定義するリード上にある程度のインダクタンスがあり、これは実験的に直列RLCネットワークとしてモデル化されます： キャパシタをモデル化するための等価RLC回路 このモデルでは、ESRとESLはそれぞれ等価直列抵抗と等価直列インダクタンスです。Cの値は、コンポーネントのデータシートに記載されているキャパシタンスとして取ることができます。最後に、Rの値はキャパシタを形成する誘電体の導電率を考慮しています。これは、キャパシタが充電されて回路から取り外された後に発生する一時的な漏れ電流を考慮しています。この値は通常、無視できるほど大きいです。 このモデルでRを無視すると、値（ESR/(2*ESL)）は、回路の端に接続された負荷が0オームであると仮定した場合の等価回路の減衰定数です。これは、回路がフル充電/放電下で入力電圧の変化に対応するために必要な最小時間です。キャパシタのデータシートには減衰定数は記載されていませんが、代わりに下記のようなインピーダンススペクトルグラフを示しています。必要であれば、データシートのESLとESRの値を使用して減衰定数を計算することができます。 最後に、 すべての実際のキャパシタには自己共振周波数があり、任意の直列RLC回路の値と等しく、この場合は次のとおりです： 自己共振周波数は、インピーダンススペクトルグラフで確認できます。以下に、実際のAVXキャパシタの例を示します。 デカップリングキャパシタは実際に何をするのか？ これは、デジタル集積回路の電力整合性を保証するためにデカップリングキャパシタが必要な理由を理解するのに非常に役立つ素晴らしい質問です。全てのキャパシタは、直流電源に接続されたときに平衡状態で電荷を蓄えます。キャパシタ内の板は充電され、総電荷量はQ = CVに等しくなります。もしVが変動したり少し落ちたりすると、その電荷Qの一部が放出され、小さな電池のように負荷に供給されます。 デジタル回路に接続された実際のコンデンサーで生じる問題は、電圧降下が単一の周波数で発生しないことです。ソース電圧の時間依存の変動や回路への突然の電流バーストは、オシロスコープ上で鋭いエッジレートを持つスパイクのように見えることがよくあります。これは、その信号に関連するパワースペクトラムが一連の周波数にわたって広がり、自己共振と重なることを意味します。結果として、コンデンサーは応答して放電し、 電源バス上に一過性の振動を引き起こします。この電力が電源バス上のデジタルコンデンサICによってPDNに引き込まれる場合、電源バス上の一過性は電源ピンでのリンギングとして現れます。しかし、適切なデカップリングコンデンサのサイズと数が選択されれば、この変動は最小限に抑えることができます。これが、3つのコンデンサの持続的なガイドラインがある理由です。それは、安定した電力を確保しようとする際に、最も悪くない配置とサイズ付けです。 記事を読む
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 1 min Blog 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 記事を読む
EMC認証と製品 EMC認証と製品 1 min Blog 私は、エレクトロニクス分野での自分のキャリアのほとんどを、中小企業やスタートアップ企業と協力することに費やし、彼らがアイデアを物理的な製品の形にするのを支援してきました。ほぼすべてのクライアントが抱えており、私が何度も見てきた誤解は、電磁両立性コンプライアンスに関するものでした。多くの企業は、自社製品にEMCテストが必要であることを知りませんでした。また、認証にかかる期間と費用や、要件が自社の製品にどう適用されるかを把握していない企業もありました。 認証について知っていた人でも、自社製品にWi-Fi、Bluetooth、その他のRFトランスミッターやトランシーバーが搭載されていないため「RFテスト」を受ける必要はないと、その多くが誤って信じていました。また、数十あるいは数百の基板だけを製造する企業であるから、認証を受ける必要はない、または認証を受けなくても問題ないと考える人もいました。中でも驚きだったのは、市販の電子基板（Arduinoやブレークアウト基板など）を使用し、それらをすべて筐体に配線するだけの企業なので、デバイスを認証する必要がないと考える人がいたことです。 ほぼすべての国には、独自のEMC規制と認証要件があります。国境を接している国同士や、ある国の認証/規制当局が規制の策定を主導している場合は、各国の規制が類似する可能性があります。例えば、カナダと米国には非常に似た要件があり、またヨーロッパのほとんどの国では、CE規格への準拠のみが要求されます。製品を販売する地域ごとにデバイスを認証する必要がある場合に比べ、共通の要件を定めることで認証プロセスが簡素化され、コスト効率が高くなります。また国によっては、自国内のラボで規制に照らして製品をテストすることを義務付けている国もあります。その場合、テスト用のデバイスを複数のラボに送る必要があるため、認証取得の費用と時間が大幅に増加する可能性があります。 この記事では、特に非意図的な放射機器、つまり意図的なRF放射のないデバイスに焦点を当てています。何らかの放射を発生させることなく、電子回路を構築するのは不可能です。導体に可変電流が流れる際には常に磁場が発生し、電磁エネルギーが放射されるからです。これらの放射が、指定された制限値を確実に下回るようにすることで、他のデバイスや無線信号に干渉しないようにするために、規制や指令が存在しています。 コンプライアンスが重要な理由 EMC規制がなければ、不適切に設計されたデバイスによって無線通信が不可能になる環境が生じ、接続されている他のデバイスや付近のデバイスの機能を、損傷または破壊する可能性があります。こうした規制がなければ、携帯電話、無線による航空管制、Wi-Fiによるインターネット接続、衛星通信など、 電磁波を利用したあらゆる種類のテクノロジーが利用できなくなる可能性があります。 極端な例を挙げていると思われるかもしれませんが、未認証のデバイスが無料放送のテレビ信号を妨害し、そのデバイスと同じ建物内で一部のチャンネルの信号品質が低下して視聴できなくなったり、付近のCBラジオが機能しなくなったこともあります。極端な例ですが、Makerのイベントでは、テストを一切受けていない高周波・高アンペアのモーターを備えたロボットのせいで、ペースメーカーを装着した年配の男性が困難な状況に陥り、ロボットの電源を切ることになったのを目にしました。 こうしたことが、企業とその製品にどう関係するのでしょうか？産業施設に設置する単一のユニットを作成している場合はどうすればよいでしょうか？Tindieで販売するブレークアウト基板を作成している場合は？ 欧州委員会の電磁両立性指令のウェブサイトを引用すると、「機器（装置および固定設備）は、市場に投入され、および/または使用される際に、EMC要件に準拠する必要がある」とされています。 1台のデバイスを1回限りの使用のために販売する場合でも、100万台のデバイスを製造して流通させる場合でも、機器の認証を受けることが法的に義務付けられています。この要件は、PCBを作成するのではなく、複数の既製の基板を1つの筐体に組み立てる場合にも適用されます。同様の要件は、米国（FCC認証）、カナダ（ISED規制）、およびその他のあらゆる国で適用されています。 EMIおよびEMCに関する業界標準と規制の詳細については、こちらをご覧ください。 規制に関して、何もせずに切り抜けられると考える人はいるかもしれません。しかし、私が過去に仕事をした小規模のクライアントは、過去に製品のコンプライアンス文書の欠如を摘発されていました。そのうちの1つは、年間の販売数がわずか数百台という米国の個人事業主で、注文品をヨーロッパの代理店に発送していましたが、仕向国の税関が、CE書類が提示されるまで発送を保留したのです。 別の企業は、意図的な放射機器（RF製品）を販売しており、この取扱量も少量でしたが、未承認の製品を販売したとしてFCCから数十万ドルの罰金を課されました。販売量が少なくても、製品が規制当局の目に留まった場合、逃れることはできません。 製品の認証を受けることは、コンプライアンス違反によって製品が破棄されたり、罰金を科されたりするよりも、はるかに安上がりなのは確かです。 製品の認証を受ける方法 最終的には、認証を希望する規制機関が承認または認可したラボに、自社製品を送付する必要があります。しかし、必要なサービスを提供するラボを予算内で見つけるのは困難な場合があります。スケジュールが許すなら、エレクトロニクスの展示会に足を運んでみるのも一案です。さまざまなラボのエンジニアと話す機会が得られるため、たとえ遠方でも、そのために出張する価値があるはずです。また、電子機器の製造/組み立てのビジネスに焦点を当てた比較的小規模な展示会では、複数のラボから代表者らが参加している可能性があります。 最も安い見積もりを提示した会社が、必ずしもテストに最適とは限りません。特に初めて手続きを行う場合は、認証プロセスにおいて、かなり緊密にラボと連携する必要があります。理想的には、テストを実施するラボに、製品の開発プロセス全体を通じて協力してもらうのが望ましいと言えます。試作品を開発するときは、ハードウェアを持参してラボを訪問するか、ハードウェアをラボに送付して、試作品の事前準拠テストを行います。 試作品を早期にテストすることで、問題が見つかった場合にハードウェアにタイムリーな変更を加えることができるので、最終製品だけをテストに送る場合と比較して、貴重な時間と費用を節約できます。問題が見つかった場合、優れたラボのエンジニアは、単に不適合だと伝えるのではなく、豊富な経験に基づいて問題の解決方法についてのアイデアを提供してくれるでしょう。さらに良いことに、 事前準拠テストに直接赴くことで、こうした提案の一部をその場で実装し、すぐに再テストすることができます。それにより、問題を列挙したリストではなく、変更点を列挙したリストを持ってオフィスに戻ることができるのです。 記事を読む
PCB設計におけるEMI/EMC基準の達成 PCB EMI/EMC ガイドライン：あなたの設計でEMI/EMC基準を満たす 1 min Guide Books もし、携帯電話を2台並べたら、突然どちらも正常に動かなくなったらどうでしょう？幸いにも、このようなことは起こりません。なぜなら、設計者や製造業者が、これらのデバイスが導電性および放射性の電磁干渉（EMI）に関するEMC基準に準拠するように、真剣な努力をしているからです。どのデバイスも、市場に出る前にEMC基準を満たしている必要があります。 これは複雑に聞こえるかもしれませんが、次のデバイスがEMCテストに合格するのを助けるための、いくつかのシンプルな設計戦略があります。さまざまなEMC基準団体とその仕様を知ることから始めるのが良いでしょう。 PCB設計のためのEMC/EMI基準 EMC基準は、規制基準と業界基準の2つの広いカテゴリーに分かれます。あなたの設計のための規制基準は、製品を市場に出して販売したい場所（必ずしもそれが設計されたり製造されたりする場所ではない）に依存します。最初のEMC基準のいくつかは、1979年にアメリカ合衆国連邦通信委員会によって確立されました。その後、ヨーロッパ共同体が独自のEMC基準を定義し、これが将来の欧州連合基準の基礎となり、現在はEMC指令として知られています - 正式には欧州議会の電磁両立性（EMC）指令2014/30/EUと命名されています（ こちらからヨーロッパの基準を見ることができます）。 業界標準への適合は、法的な問題だけでなく、特定の環境やアプリケーション領域で展開される電子機器の一貫性と相互運用性を保証するための業界固有の問題でもあります。効果的に、業界のEMC標準は、製造、組立、性能などの他の業界標準と同じ役割を果たします。EMC要件を定義する主要な業界標準機関および規制機関には、 米国連邦通信委員会（FCC） 米国連邦航空局（FAA） アンダーライター・ラボラトリーズ（UL） アメリカ無線技術委員会（RTCA） 国際電気標準会議（IEC）、通じて国際特別無線障害委員会（CISPR） 国際標準化機構（ISO） 自動車技術者協会（SAE） 電気電子技術者協会（IEEE） 米国軍を通じてのMIL-STD標準セット IECおよびCISPRの標準はヨーロッパでより人気がありますが、IEEEの標準は米国でより人気があります。特に、IEEEの標準はアンテナ校正試験の基礎を形成します。MIL-STDのEMC要件は、世界で最も厳格な標準の中の一つであり、電子機器の商業セクターに適応される最初の標準のいくつかでした。 EMC標準に準拠するための広範な要件 企業が非準拠のデバイスや製品をリリースした場合、警告を受けるか、 記事を読む
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 1 min Blog 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 記事を読む