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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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マイクロ波およびミリ波周波数におけるRFアンプのインピーダンス整合 マイクロ波およびミリ波周波数におけるRFパワーアンプのインピーダンス整合 1 min Thought Leadership MarketWatchによると、RFアンプの全体市場は2023年に270億ドルを超えると予想されています。では、これらのRFアンプはどこで使用されることが予想されているのでしょうか？5Gや一般的なセルラーネットワークの拡大により、予想される成長の大きな部分を占めることができます。PCBデザイナーにとって、特に高出力アンプの場合、RFアンプのインピーダンスマッチングは重要な設計ポイントになります。 大信号RFアンプのインピーダンスマッチング RF電力整合性に関わる人々は、特にパルスRFパワーアンプを扱う場合、アンプの出力を通じて過渡信号を抑制するためにモバイルデバイスに良好な電圧レギュレータが必要であることをよく知っているでしょう。RF設計に取り組み始めるかもしれない信号整合性に関わる人々は、RF回路を分析し、適切なインピーダンスマッチングを決定する際に、低信号レベルでSパラメータを使用することに慣れているかもしれません。Sパラメータの使用は、これらのアンプが非線形領域で動作しているため、Class ABおよびClass C RFアンプ設計には適していません。 低信号レベルでの電力伝送（つまり、線形領域において）に関しては、負荷インピーダンスが アンプの出力インピーダンスの複素共役に一致している場合に最大の電力伝送が保証されます。しかし、電力アンプ（通常、RF送信セクションに配置される）は、意図的なインピーダンスの不一致がある場合に、定格出力電力でより高い利得と効率を提供するかもしれません。 高出力で動作する場合、アンプの出力インピーダンス/負荷インピーダンスの一致/不一致が、負荷への最大電力伝送を生み出すものは、所望の周波数で最大効率を生み出す一致/不一致と一致しない場合があります（これは抵抗成分について確かに当てはまります）。では、最適な性能を確認するために、負荷における正しい一致したインピーダンスをどのように決定できるでしょうか？ソースによって見られるインピーダンスは、アンプの入力および出力電力レベルに依存するため、 アンプの出力によって見られる適切なインピーダンスを決定するためには、負荷プル分析を使用する必要があります。その後、この値に負荷のインピーダンスを一致させる必要があります。 シミュレータとスミスチャートを使用して、ロードプル解析を行う比較的簡単な方法があります。この方法は、特定の入力電力で、大量の負荷インピーダンス値（インピーダンスは抵抗とリアクタンスの合計であることを忘れないでください）を反復して通過させることです。次に、負荷抵抗とリアクタンスの各組み合わせに対して出力電流/電圧をプローブし、これによりゲインと効率も計算できます。その後、特定の入力電力での負荷インピーダンスの関数として出力電力の輪郭をプロットします。 これは以下のスミスチャートで示されています：各輪郭は、特定の出力電力（緑）と効率（青）を生成する抵抗とリアクタンスの値のセットを示しています。赤い輪郭は、これら2つの曲線のセットが重なる領域を示しています。輪郭が交差する特定の出力電力において、出力電力と効率の間のトレードオフを決定できます。異なる入力電力では、異なるセットの輪郭が生成されることに注意してください。 RFアンプのインピーダンスマッチングに関するロードプル解析の結果を示した例のスミスチャート [ ソース] 負荷プル結果から決定したリアクタンスと抵抗の組み合わせは、負荷インピーダンスを設定するためにどのマッチングネットワークを使用すべきかを教えてくれます。その後、テストクーポンを使用したベクトルネットワークアナライザーの測定でこれを確認できます。高周波でのマッチングネットワークの振る舞いに注意してください。自己共振に加えて（下記参照）、マッチングネットワークの帯域幅が FMCWチャープレーダーに対していくつかの問題を引き起こす可能性があります。77 GHzで、チャープ範囲が4 GHzに達することができるので、帯域幅は73から81 GHzまで比較的フラットであるべきです。 記事を読む
PCBにおける冷却ファンの電気ノイズ低減 PCBにおける冷却ファンの電気ノイズ低減 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 PCやラップトップを開けて、そのファンやヒートシンクをじっくりと見たことがない人はいないでしょう。高速コンポーネント、高周波コンポーネント、または電力コンポーネントを扱っている場合、これらのコンポーネントから熱を取り除くための冷却戦略を考える必要があります。蒸発冷却ユニットを設置するか、水冷システムを構築するという核オプションを使用したくない場合は、冷却ファンを使用すると、最小の形状で最良の結果を得ることができます。対流熱伝達を助けるために、ヒートシンクにファンを追加することは良い考えです。 ファンの電気ノイズと放射EMI システムを冷却するためにどの方法を使用するにしても、または冷却システムを構築している場合でも、ファンを駆動するために使用される方法に応じて、特定のEMI/EMCの点を考慮する必要があります。 AC駆動 AC駆動ファンは、周波数制御なしでは速度制御ができないため、コンパクトなシステムではあまり使用されません。また、これらのシステムは一般的に高AC電圧で動作するため、工業システムで見られることが多いです。これらのファンは、基本周波数および高次高調波で顕著な伝導EMI（共通モードおよび差動モード）を発生させ、これが電源/グラウンド線を通じて伝播します。これは通常、 共通モードフィルタリング（LCネットワーク）に続いて差動フィルタリング（別のLCネットワーク）、そして直列のRCフィルターで除去できます。 DC駆動 DCファンは電気的にノイズがないように見えるかもしれませんが、音響的および電気的ノイズを発生します。異なるタイプのファンは、それぞれ独自のEMIを発生させ、 EMCテストの合格を困難にします。DCモーターを駆動しても、ローターを引き寄せたり反発させたりするために使用される回転する磁石のおかげでEMIを発生させます。これは、整流時に強いスイッチングノイズを生じます。DCファンから発生するEMIは、通常、ファンの電源リード内の伝導EMIに限定されます（2線式DCファンの場合）。このファンの電気ノイズは通常、共通グラウンドに注入され、ファンを駆動する任意のアンプの出力で再現されます。 シンプルな単軸DC冷却ファン これは、DCファンが放射されるEMI（電磁干渉）を発生させないという意味ではありませんが、放射されるEMIは、永久磁石とステータ巻線からの未封じ込め磁場（UMF）により、回転速度と同じ周波数になります。UMFはほとんどのファンにある程度存在しますが、UMFに対処する最初のステップはメーカーの責任です。一部のメーカーは、少なくとも2つの取り付け面でUMFを抑制するために、ファンに薄い鋼のエンクロージャを設置します。これは、放射されるEMIがファンの向きに強く依存することを意味します。 UMFからの放射されるEMIは、近くの高インダクタンス回路に低周波のリップル電流を誘導することがあります。一般に、大きなファンは駆動のためにより強い磁場を必要とするため、与えられた回転速度でより強いEMIを示します。しかし、数千RPMの回転速度でさえ、この放射されるEMIの周波数は数百Hzの範囲内にしかなりません。 PWM駆動 PWM駆動ファンは、デューティサイクルとPWM信号を変化させることで速度制御を提供します。PWM駆動では、 スイッチングMOSFETや他のデューティサイクルが変化する回路を扱っています。速度制御は、適切なデューティサイクルとパルス周波数を設定することで提供されることに注意してください。これは、非常に低いパルス周波数の極端な場合、PWM信号が低い間にファンが停止するまで遅くなる可能性があるため、実際にはかなり重要です。PWM信号が非常に速い（高周波）場合、ファンを速くしすぎようとすると、エイリアシング効果による興味深いノイズが聞こえます。 PWMで駆動されるファンの場合、ほとんどのPWMドライバーは、MHz範囲に達する高周波で共通モードノイズを発生させます。PWMで駆動される誘導モーターは、導電性EMIとして電源線を通じて近くの回路に共通モードノイズを誘導することがあり、これはEMC評価に影響を与える可能性があります。このタイプのファン駆動は、速度制御が必要なコンピューターでより一般的です。この場合、ファンが安定した速度を維持するために温度制御および速度調整回路の使用が必要であり、コントローラーが必要に応じてデューティサイクルを増減できるようにする必要があることに注意してください。 シンプルな単軸DC冷却ファン PWM回路自体もオーバーシュート/リンギングによって伝導EMIを発生させることに注意してください。これは平滑化またはフィルタリングされるべきですが、バイパスコンデンサや フェライトビーズをファンの入力に追加する前に、ファンメーカーのガイドラインを確認するべきです。この問題に対処するための推奨事項には、LCフィルターの構築、リンギング信号を除去するためのバンドストップフィルター、出力にRCフィルターを使用することなどが含まれているのを見たことがあります。いずれにせよ、フィルタリング戦略がメーカーの推奨事項を満たしていることを確認してください。 PWM信号の立ち上がり時間が速い場合、スイッチング信号が近くの回路にクロストークを誘発するスイッチングモード電源で見られるような類似の問題が発生することがあります。大型ファンを駆動するために高電流PWM信号を使用している場合、PWM信号のスイッチング動作が近くのデジタル回路に不随意のスイッチングを引き起こすことがあります。これは、PWMパルス列の周波数やデューティサイクルに関係なく発生します。この時点で、PWM回路に 記事を読む
77 GHz レーダー用自動車用PCB：ルーティングと信号整合性 77 GHz レーダー用オートモーティブレーダーPCB：ルーティングとシグナルインテグリティ 1 min Thought Leadership 最近の技術は急速に進化しており、自動車用レーダーは導入後間もなく、主に24 GHz近辺で動作していたものが、77 GHz波長へと移行しました。最近の規制変更により、77 GHzへの移行が可能となり、これには多くの利点があります。短い波長はより広い帯域幅を可能にし、より良い解像度、より小さいデバイスの形状、そしてより長い範囲を提供します。この帯域は偶然にも二原子酸素の2つの吸収帯の間に位置しており、24 GHz帯は水の吸収帯と重なっています。 高い周波数の使用は、77 GHz波長レーダーモジュールの設計、シミュレーション、およびテストに一連の課題を生み出します。レーダーモジュール自体の設計に加えて、デバイスレイアウト、より小さい形状への統合、および車両内のより大きなエコシステムへの統合は、完全自動運転車への長い道のりでの設計上の課題です。 長距離対短距離 77 GHz波長レーダー 前回の投稿で説明したように、チャープされたGHzパルスは、レーダーシステムの視野内の複数のターゲットを識別するために使用されます。チャープパルスの使用により、参照オシレータからの信号に対するドップラーシフトとビート周波数を測定することで、複数のターゲットの速度と距離の検出が可能になります。 位相配列アンテナ（3 Txおよび4 Rx SFPAs）の使用により、方向性の放射が可能となり、前述の2つの量とともに進入角を決定できます。 自動車用途の77 GHz波長レーダーで使用されるアンテナアレイのジオメトリ チャープ長（周波数範囲として測定）は、特定の自動車レーダーシステムの適用可能性の主要な決定要因です。長距離レーダー（LRR）は1 GHzの線形チャープパルス（76〜77 GHz）を使用し、高解像度短距離レーダー（SRR）は最大4 記事を読む
ダンピングと反射伝達における直列終端抵抗 ダンピングと反射の転送における直列終端抵抗 1 min Blog 伝送線路を含む基板では、トレース、ソース、および負荷インピーダンスのマッチングが重要です。これらの条件を達成するために、単終端伝送線路に直列終端抵抗を使用する設計がいくつか見られるかもしれません。これを行う理由は、信号を遅らせるため、またはドライバーの出力インピーダンスを設定するためであり、誰に尋ねるかによって異なります。 驚くかもしれませんが、終端用の直列抵抗の配置は時々誤解されます。生じる疑問のいくつかは： 直列抵抗を手動で配置する必要があるのはいつですか？ 目標インピーダンスに伝送線路を設計するだけでよい場合はいつですか？ 短い伝送線路と長い伝送線路では何をすべきですか？ 直列抵抗を使用した場合の信号整合性において、負荷容量とグラウンドバウンスはどのような役割を果たしますか？ 単終端線路と差動線路の間に違いはありますか？ シグナリング標準にインピーダンス要件がない場合（例：SPIやI2C）にはどうすればよいでしょうか この記事では、高速GPIOやシリアルバスの観点から、上記のいくつかの質問を見ていきます。私たちはしばしば SPIのような標準を見て、インピーダンス要件が指定されておらず、バスが遅く動作するため、終端が不要であると簡単に仮定します。しかし、これはすべての場合に当てはまるわけではなく、任意の終端抵抗の配置は、注入される信号の立ち上がり時間、トレースの入力インピーダンス、およびライン上のオーバーシュートの減少に影響を与えます。 単端線上のシリーズ終端抵抗の2つの機能 シリーズ終端を使用する典型的な理由は以下の通りです： バスにはインピーダンス仕様がありません 出力インピーダンスと信号レベルは、特殊ロジックの目標値に調整されています プッシュプルドライバーは非常に迅速に切り替わります（数ns以下であることもあります） 受信機で見られる信号の立ち上がり時間は、負荷容量に依存します ドライバーからの出力インピーダンスは通常低いです ライン上にリンギングがあります 最後の点は、長い伝送線上の反射、または短い線上での過渡応答の励起の2つの要因によって引き起こされる可能性があります。前者はインピーダンスの不一致に関連していますが、後者は代わりにグラウンドバウンスの原因となる同じ要因に関連しています。 長い線上の反射：ドライバーの出力インピーダンスは常に伝送線の単終端インピーダンスよりも小さいため、ソースでの直列終端が時々使用されます。理想的な場合、出力インピーダンスは0オームですが、一般的には小さな非ゼロ値になります。終端抵抗の値をサイズする最も簡単な方法は、伝送線インピーダンスから出力インピーダンスを引くことです： 記事を読む
PCB設計におけるシリコンフォトニクス統合の課題 PCB設計におけるシリコンフォトニクス統合の課題 1 min Blog シリコンフォトニクスは、シリコンICで使用されている製造プロセスをそのまま使用します 最近のIEEEカンファレンスでリチャード・ソレフと会い、電子・フォトニック統合回路（EPICs）の現状について話し合う機会を得ました。彼はしばしば「シリコンフォトニクスの父」と呼ばれており、その理由は明らかです。彼に優しく頼めば、シリコン上に直接フォトニック回路としての基本的な論理ゲートをどのように構築するかを教えてくれるでしょう。 今はシリコンフォトニクスにとって画期的な時期です。この技術は数十年前から存在していますが、現在、大量商業化の寸前にあり、大衆に提供されようとしています。標準的な電子部品で動作するシステムにシリコンフォトニクスを統合する前に、克服すべきいくつかのエンジニアリングの課題がまだあります。 ICおよびPCB設計における100 Gbps+の課題 ここまで読んでまだ混乱している人のために、いくつかの背景を説明します：フォトニック回路とは、光のみを使用して動作する回路要素です。これらの回路は、光学および電子工学のコミュニティで主要な話題です。12年前、設計者は銅を介して100 Gbpsでデータを転送できる単一リンクの作成について話していました。 銅は短距離で100 Gbpsのデータ転送を可能にすることがわかり、一方で光ファイバーは長距離で最適に機能します。遅い機器でも並列化を使用して、データレートを100 Gbpsや400 Gbpsに増加させることができます。100 Gbpsネットワークで動作するために必要な光学機器は、非常に特定の設計要件を持ち、すべての電子部品と普遍的に互換性があるわけではありません。 データレートが増加するにつれて、PCBやIC内の電気信号の整合性の問題がより顕著かつ目立つようになり、その結果、信号の立ち上がり時間が短くなります。ICレベルでは、データレートの増加に伴い、相互接続遅延時間、伝播遅延時間、およびクロストークの強度がすべて増加します。PCBレベルでは、クロストーク、 放射されたおよび伝導されたEMI、および熱管理が、高速設計の重要な考慮事項となります。光学部品は、電子部品で見られる同じ信号整合性の問題に悩まされない、より高帯域幅の解決策を提供します。電子IC設計におけるより大きな並列性は、光学部品によって提供されるより高帯域幅の解決策を必要とします。 フォトニック集積回路（PIC）と電子・フォトニック集積回路（EPIC）に注目してください。前者の回路は、多数のフォトニック要素を単一のパッケージに統合して、完全に光で動作するように設計されています。後者の回路は、光を使用して動作するように設計されていますが、これらの回路には電子要素が現れることがあります。したがって、これらの回路は、電子部品の帯域幅に応じて、標準的な電子部品ともインターフェースできます。 なぜフォトニクスで、なぜシリコン上なのか疑問に思うかもしれません。シリコン製造所とチップ製造能力の成熟度は、これらの伝統的な製造プロセスをフォトニック回路に即座に適応させることができることを意味します。もし私たちが近いうちにPICやEPICを見ることになるなら、それらは最も確実にシリコンフォトニクス技術に基づいて構築されるでしょう。 将来的には、これらのICをPICやEPICとインターフェースすることになるでしょう PCBでのシリコンフォトニクスの使用における課題 シリコンの素晴らしい点は、1550 nmの波長で透明であるため、1550 記事を読む
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