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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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直列終端抵抗の計算 直列終端抵抗の計算 1 min Blog 伝送線路に関しては、簡単に思えることがあまりありません。終端技術の決定や終端ネットワーク内のコンポーネントの値を決めることは難しい作業であるべきではありません。ほとんどのPCB設計プログラムでは、計算機をオンラインで探すか、手計算をしなければなりません。代わりに、設計ソフトウェアは終端ネットワーク内のコンポーネント値の範囲を簡単にテストできるようにするべきです。 一部のコンポーネント、トレース、差動ペア、およびビアを介してルーティングされる相互接続は、高速または高周波回路で伝送線路効果が生じるのを防ぐためにインピーダンスマッチングされるべきです。小さなインピーダンスの不一致は許容できるかもしれませんが、いくつかの信号ドライバーは、信号トレースで一般的に使用される標準の50オーム値と一致しないインピーダンスを持つことがあります。ルーティングおよびコンピュータアーキテクチャの標準（例えば、 PCIe Gen 2およびGen 3）も差動ペアインピーダンスに異なる値を使用していることに注意すべきです。 トレースが伝送線路効果を示し始めると判断した場合、この記事では、Altium Designer®の信号整合性ツールを使用してシリーズ抵抗の正しい値を決定する方法を示します。 どの終端ネットワークを使用すべきか？ この質問にはいくつかの答えがあります。なぜなら、 いくつかの可能なネットワークや終端装置が存在するからです。デジタル信号については、抵抗器が広帯域コンポーネントであるため、抵抗終端を好みます。ICのドライバーピンに直接配置された場合、非常に高い帯域幅までのドライバーを終端するために使用できます。対照的に、RF出力やアンテナは、抵抗性の電力損失を避けたいため、LCネットワークを好むでしょう。そして、インダクタとキャパシタ（直列またはシャント要素として）の正確な配置は、インピーダンスをシフトして共振周波数に合わせる必要がある方法に依存します。 抵抗終端に関しては、一般的に使用される2つの方法があります。シリーズ終端（ドライバーピンに配置）と並列終端（受信機からGNDに配置）。 シリーズ終端の効果について覚えておくべき重要なことが2つあります： シリーズ終端は、ドライバーの電圧レベルが受信機の電圧レベルと一致する必要がある場合に自体で使用されます。この場合、並列終端を使用しないでください。また、シリーズ抵抗をソースインピーダンスと伝送線インピーダンスと完全に一致させる必要があります。 シリーズ終端は並列終端と共に使用することができますが、それらは一般的ではない特殊なケースでより多く使用されます。 終端は、それが必要であることを確認し、使用しているインターフェースに目標とするインピーダンスの仕様がない場合にのみ適用すべきです。 ドライバーに直列終端抵抗を使用する理由には以下のようなものがあります： 終端されていない負荷からの反射が予想されるほど線が長い場合、終端されていないドライバーとトレースの間には必要です。そして、信号ドライバーのインピーダンスがトレースのインピーダンスよりも小さい場合 出力で見られる減衰を増やして、グラウンドバウンスを抑制するのに役立ちます。 次に、SSN、または 記事を読む
PCB設計に必要な基本ツール PCB設計に必要な基本ツール 1 min Blog 家を建てるのもPCBを作るのも、道具箱に適切な道具が必要です。すべての設計者は、コンポーネントの配置にCADツールを持っている必要がありますが、コマンドラインベースのCADソフトウェアでも正確なコンポーネント配置が可能です。現代の電子デバイスがあらゆるレベルで複雑になるにつれて、設計者は重要な設計作業を迅速に進めるのに役立つツールが必要です。 適切なPCB設計ツールのセットを選択するには、いくつかの可能性のあるオプションを比較検討する必要があります。市場にはさまざまな機能を持つソフトウェアパッケージが多数あり、誰もがすべてのソフトウェアパッケージの無料トライアルを試す時間はありません。これらの設計プラットフォームの中には、20年前と同じ時代遅れのワークフローを使用しているものもあります。これを踏まえて、設計者がPCB設計ソフトウェアに必要とするいくつかの重要なツールを見てみましょう。 回路図設計とキャプチャ 電子回路図は、家の基礎のようなものです。ボード上に配置するすべてのものは、この基礎文書に基づいています。この重要な文書は、ボードに必要なコンポーネント、それらがどのように接続されているか、電源とグラウンドの接続位置を示しています。適切な回路図エディターを使用すれば、レイアウトを簡単に計画し、ボードに注釈を付けることができます。 スキーマティックエディタを使用すると、ボードを整理できますが、設計が複雑になり始めると、単一のスキーマティックで作業するのが扱いにくくなります。ボードに複数の機能を含め始めると、階層的なスキーマティックで作業することで、物事を整理できます。これにより、コンポーネントを機能ブロックにどのように適合するかに基づいて異なるスキーマティックに分けることができ、スキーマティック間の親子関係を定義できます。 マルチチャネルPCB設計ツールを使用することは、整理された状態を維持するだけでなく、階層的なスキーマティック内のコンポーネントのグループを簡単に複製することを可能にします。初期レイアウトとして スキーマティックをキャプチャすると、これらの複製されたコンポーネントのグループは新しいボードに転送されます。その後、コンポーネント間でトレースのルーティングを開始し、電源およびグラウンド接続を配置できます。 階層的なスキーマティックは、PCB内の異なるブロック間の関係を定義するのに役立ちます ルーティング機能 回路図が初期レイアウトとして取り込まれると、CADツールがコンポーネントの配置やトレースのルーティングを支援する準備が整います。ルーティングは、ボード上のコンポーネント間の物理的な接続を定義する重要な作業です。シンプルな設計では、各接続を手作業でルーティングし、レイアウトを設計ルールと照らし合わせてチェックするのは簡単なことです。しかし、ボードが複雑になり、必要な相互接続の数が増えるにつれて、ルーティングプロセスを自動化できるツールは膨大な時間を節約してくれます。 オートルーターとインタラクティブルーターの利点に関する議論は永遠のようです。差動ペアを含まず、多数の信号ネットや相互接続上のビアの数に制約がないシンプルなボードでは、オートルーターでもまともなレイアウトを生成できます。これらの場合、適切なルーティング戦略を定義できれば、オートルーターがより良いレイアウトを生成することに注意してください。 ここで、オートインタラクティブルーティングが重要なPCB設計ツールとなります。 オートインタラクティブルーターは、オートルーターとインタラクティブルーターの最良の側面を組み合わせます。特定の信号ネットの相互接続に沿って手動でウェイポイントを定義でき、ツールは自動的にソースコンポーネント、これらのウェイポイント、および負荷コンポーネント間のネット内のトレースをルーティングします。 このタイプのレイアウトを作成することは、自動対話型ルーターを使用するとはるかに簡単です。 信号完全性と電力供給分析 信号完全性に関して言えば、現代のデジタルICは非常に高速で切り替わるため、ほぼすべての設計者にとって信号がクリーンな状態を保つことが重要な考慮事項となります。信号完全性を確保するには、特定のアプリケーションに適した 適切なレイヤースタック、トレースの形状、およびグラウンドプレーンを設計することが本当に必要です。これらはすべて、CAD、ルーティング、およびボード設計ツールのタスクです。 適切な信号完全性パッケージを使用すると、異なるネットでの反射とクロストークの波形を調べることができます。これにより、終端が必要なタイミングと、異なるトレースで使用すべきマッチングネットワークを決定するのに役立ちます。 電力供給と熱管理に関しては、電力供給ネットワークアナライザー（PDNA）を使用することで、トレース、電力およびグラウンドプレーン、ビア全体のIR損失を特定できます。PDNAは、直感的な出力形式を使用して電圧および電流密度の結果を生成する必要があります。最高のツールは、対話型のカラーマップを表示し、潜在的な電力熱問題や過度のIRドロップについてボードを視覚的に検査できるようにします。 PCB全体の電力供給を示すカラーマップ 記事を読む
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 1 min Blog 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 記事を読む
チャネル動作マージンはそんなに悪くない チャネル動作マージンはそんなに悪くない 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 COMとは何か？ Channel Operating Margin（チャネル動作マージン）またはCOMは、よく理解されていない概念です。理解されていないため、多くの人々はそれが本当に何かを意味するのか疑っています。結局のところ、チャネル品質がデシベルで表される単一の数字でどうやって表せるのでしょうか？実は、COMはアイパターンを使用したチャネル検証技術の長い進化の最新の段階なのです。このブログでは、COMの進化をその起源まで遡り、悪名高いCOMメトリックに意味を与えます。 最初のチャネル動作マージン：アイパターン まずはアイパターンから始めましょう。アイパターンは、長いシリアルデータの流れを見る方法です。Keysight ADSやPyBERT [1] [2]が登場する前は、アイパターンはデジタルサンプリングオシロスコープやリアルタイムスコープで測定されていました。アイパターンウィンドウでは、y軸の単位は電圧で、x軸の単位は2つの単位間隔にわたる時間です。単位間隔、またはUIは、1ビットが通過するのに必要な時間です。したがって、2UIの時間内に、画面の中央に1ビットのデータを半ビットのマージンを両側に持たせて中央に配置できます。しかし、1ビットだけを見るのではなく、すべてのビットが一度に重なり合い、シリアルデータの全ストリームが画面上に表示されるまで重ねていきます。信号品質は、中央の穴の大きさで定量化されます。アイパターンがとても良好に見える場合、エンジニアが「そのアイを通してトラックを運転できる！」と言うことがあります。開口部を定量化する最も一般的な方法は、幅、高さ、または面積です。アイのDC点での交差はジッターであり、ジッターは通常、ヒストグラムを用いて統計的に測定されます。 図1. シリアルビットストリームの例。 早期のチャネル仕様、そして場合によっては受動部品の仕様では、合否判定基準としてアイマスクと呼ばれるものが使用されていました。アイマスクは通常、アイ幅とアイ高さによって定義されるダイヤモンド形の領域です。合格するアイは、アイマスク内に検出されたサンプルまたはヒットが限られた数しかありません。1と0のパターンは標準によって指定され、通常は疑似ランダムビットシーケンスまたはPRBSパターンです。基本的に、パターンを10Gb/s未満と10Gb/s以降の2つのカテゴリーに分けることができます。10Gb/s未満では、ほとんどのシステムで8b10bエンコーディングが使用され、PRBS 7が適切なパターンでした。IEEEが802.3baで10Gb/sを導入したとき、エンコーディングは64b66bスクランブラーに切り替わり、PRBS 31が主流になりました。今日でも112Gb/sで、PRBS 31、またはQPRBS 31が最も使用される標準パターンです。 統計的に言えば 測定されたアイパターンの後、StatEyeは受動チャネルを評価する次の方法であり、OIFによって広く使用されました。StatEyeの背後にある考え方はここで詳しく説明されています：[3] 簡単に言うと、StatEyeはシステムのパルス応答を使用してアイパターンを予測します。パルス応答とは、1-UIの正方形パルスで興奮させたシステムの時間領域応答であり、システムは等化を含む受動チャネルです。StatEyeで利用可能な等化技術には、FFE、CTLA、DFEがあります。システムの伝達関数はSパラメータから収集されます。チャネルSパラメータはシミュレートできるため、StatEyeは多くのチャネルと等化設定を試して、何が機能するかを見る効率的な方法です。その間、アイマスクは統計的に予測されたアイオープニングを使用しての合格/不合格基準です。 StatEyeとCOMの間のどこかで、ピーク歪み分析（PDA）がある程度一般的になりました。この方法は、HeckとHallによって「高速デジタル設計のための高度な信号完全性」[4]でよく文書化されています。要約すると、StatEyeと同じパルス応答を使用しますが、出力は単にいわゆる最悪のケースのアイ開口となります。PDAはデータをでっち上げないため、個人的に好きな理由です。自分で実装してみたところ、PDAは高い信頼性を持って最悪のケースのアイパターンを予測することがわかりました。しかし、PDAとStatEyeはチャネル内の送信機と受信機の影響を含まず、最適なイコライゼーション設定を手動で見つける必要があります。 記事を読む
制御が必要なルーティングインピーダンス 制御が必要なルーティングインピーダンス 1 min Blog 制御インピーダンスルーティングの設計アプローチは、高速PCB設計の重要な要素であり、PCBの意図した高速性能を確保するためには、効果的な方法とツールを採用する必要があります。したがって、PCB内のルートを慎重に設計しない限り、インピーダンスは制御されず、トレース全体を通じて点から点へとその値が変動します。そして、PCBのトレースが高周波数で単純な接続のように振る舞わないため、インピーダンスを制御することで、信号の完全性を保持し、電磁放射の可能性も減少させます。 制御インピーダンスを決定するものは何か？ PCBのインピーダンスは、その抵抗、導電率、誘導性および容量性リアクタンスによって決定されます。しかし、これらの要因は、基板構造、導電性および誘電体材料の特性、導体の構造および寸法、および信号リターンプレーンからの分離、ならびに信号特性の機能です。 基本的なレベルでは、トレースインピーダンス値はPCB構造から決定され、これらの要因によって生成されます： 誘電体材料（コア/プレプレグ）の厚さ 材料（コア/プレプレグ、はんだマスクまたは空気）の誘電率 トレース幅と銅の重さ 高周波を見ると、インピーダンスは銅の粗さ（ スキン効果の増加を決定する）や損失正接（誘電体の損失）によっても決まります。設計で最も滑らかな銅を使用しても、銅張り積層板やプリプレグに粗い表面を確保するために、PCB製造では粗面化処理が使用されます。どんな場合でも、銅の粗さは常に存在します！ 典型的な構成 まず、典型的な構成を見てみましょう。トレース構成にはいくつかの広いクラスがあります： シングルエンド：デジタル信号やRF信号を単独で運ぶ孤立したトレース 差動トレース：等しく反対の極性で一緒に駆動される2つのトレース 非共面：トレースが配線されている同じ層に追加の銅がないトレース構成 共面：トレースと同じ層に接地された銅プールが含まれるトレース構成 多層PCBを検討する際、設計者はトレースの制御インピーダンスが平面（リファレンス）によって遮蔽されているため、トレースの両側の平面間の誘電体の厚さのみを考慮すべきであることを覚えておく必要があります。ここに最も一般的な構成の例をいくつか示します： Er = 材料の誘電率 H 記事を読む
差動信号が重要である理由 差動信号が重要である理由 2 min Podcasts はじめに 差動信号は、ロジック部品および製品を接続するための主要な手段となり、PCIなどの並列バスアーキテクチャーの多くを置き換えました。差動信号がデジタル世界を支配している主な理由として、並列シングルエンド信号プロトコルよりはるかに高いデータ帯域幅を1対の配線で実現できることが挙げられます。ご存知の通り、インターネットは差動信号なくして成立しません。 差動信号の例を以下に示します。 • USB • PCI Express • HDMI • Infiniband • SATA • 有線イーサネット • Hypertransport® • LVDS 記事を読む
高速設計 高速 PCB 設計における EMI: 信号の立ち上がり時間を理解する 1 min Thought Leadership 高速設計についてもっと学び、高速PCBレイアウトにおけるスイッチング速度、立ち上がり時間、およびEMIの対処方法について理解しましょう。 記事を読む