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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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組み込みRF設計: セラミックチップアンテナと基板トレースアンテナ 組み込みRF設計: セラミックチップアンテナと基板トレースアンテナ 1 min Blog 過去数年間にわたってカフェの文化は大幅に進化しており、新しいカフェの多くでは、店に何か独創的な工夫を加える新たな方法を探し求めています。カフェと本屋を組み合わせたり、特定地域のコーヒー豆の技術を持つバリスタを抱えるグルメ向けコーヒー、さらには猫カフェなどの変わり種も出現しました。 しかし、結局のところ、カフェの客が求めているのは飲み物や軽食を口にする、友達と会って話をする、またはオフィスや家庭の外で何かの仕事を片付けることです。表面的な飾り付けで店を際立たせることもできるかもしれませんが、主要な概念は比較的変化しないものです。これは、プリント基板部品の選択肢の決定とよく似ています。 長年にわたるロボティクス、AI、IoT開発とともに、小型、高性能、低コストの組み込みRFトランシーバー ソリューションに対する需要は増え続けています。設計者がセラミックチップと基板トレースのどちらのアンテナタイプを選択するかを左右する主要な要因がコスト、基板レイアウト、専門技術であることは依然として変わりません。 基板アンテナ: 使用周波数範囲の確認 従来は、設計技術者はより信頼性の高いトレースアンテナについて 目的の周波数範囲と出力のトレードオフを検討していました。今日の組み込みアンテナのハードウェアは、400MHz～5.5GHzの間の特定の帯域で動作するように割り当てられています。セラミックアンテナの実装がより信頼性が高く、安価で、使いやすくなるにつれ、この競争は過熱しつつあります。 実際には、製造前に設計者が基板設計CADでプリント基板上に配置する単純なワイヤトレースの費用はわずかなものです。トレースアンテナは低コストであるにもかかわらず、依然としてセラミックチップアンテナが好まれることはよくあります。セラミックチップアンテナによって得られる小型化、実装の容易さ、環境からの干渉に対する耐性の高さがコストを相殺する場合があるためです。 基板トレースアンテナ 基板トレースアンテナは、特に小型で高信頼度の実装において、設計、実装、調整が難しいとされています。ワイヤアンテナと同様、トレースアンテナのサイズは目的の帯域幅の周波数で決まります。例えば低い周波数では、信号を共振させるにはトレースアンテナの長さをより長くする必要があります。 セラミックチップアンテナと比較して、基板トレースアンテナには次のような利点があります。 トレースアンテナは製造プロセスでプリント基板に組み込まれる 最適に調整した場合、トレースアンテナはネットワークの信頼性と信号強度を高めると同時に広い帯域幅で動作できる トレースアンテナは薄型である 基板トレースアンテナの欠点を以下に示します。 特に低い周波数で、設計が困難である。基板レイアウトの変更の影響を非常に受けやすく、変更するごとに調整が必要となり、場合によっては製造のやり直しが必要 セラミックチップアンテナよりもはるかに多くの面積を必要とする。特に低い周波数の設計ではこの問題が顕著である。多くの基板面積が占有されるため、設計のコストが増大する トレースアンテナは、環境からの干渉の影響を非常に受けやすい 基板トレースアンテナは、製造後に設計者が物理的な変更を加えることができません。変更が必要な場合、ユーザーは設計を変更してから基板を再度製造する必要があります。基板アンテナはサイズが大きくなる可能性があり、設計/調整プロセスに時間を要する（通常、シミュレーションソフトウェアや大規模なテストが必要です）という性質が、基板の設計者が基板アンテナの代わりにセラミックチップアンテナを使う動機となる場合があります。 記事を読む
PCBのグランドバウンスとシグナルインテグリティーのグランドバウンス シグナルインテグリティーの問題を最小限に抑えるグランドバウンス低減方法 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 学生時代にバスケットボールチームで活躍した父とは異なり、私は入団テスト中、ボールをほとんどバウンドできませんでした。言うまでもなく、私はスポーツを始める前にやめてしまいました。NBAプロになるという夢は打ち砕かれましたが、その後、格闘技への情熱を見出しました。私はバスケットボールをうまく扱うことはできませんでしたが、少なくとも格闘技では足の甲で相手を跳ね返して（バウンスして）対抗することができました。 バスケットボールをバウンドできなくても大きな問題にはなりませんが、電子機器のグランドバウンスを理解していないと、回路にとって大きな問題になりかねません。信頼できるPCBレイアウトエンジニアとして優れた能力を発揮するには、回路およびシグナルインテグリティーへのグランドバウンスの影響に関する知識が必要です。グランドバウンス低減技術を考慮すれば、設計全体でPCBのシグナルインテグリティーのグランドバウンスを最小限に抑えることができます。 グランドバウンスとは グランドバウンスを理解するには、集積回路（IC）の中核を形成するスリープトランジスタとGNDピンの基本を詳しく理解する必要があります。下図は、マイクロコントローラーやランダムアクセスメモリ（RAM）などのICの典型的なI/Oを形成するCMOSバッファ回路を示しています。 PCB内のグランドバウンスノイズは測定が難しい問題であり、これがパワーゲーティングとシグナルインテグリティーに与える影響は、PCBのトレースインピーダンスとPDNインピーダンスに関連しています。ほとんどの高速設計では、ドライバー回路の出力ピンは通常、ある程度の入力容量を持つ負荷に接続されます。出力ピンが論理回路「1」にアサートされると、負荷の寄生容量はVCCまで完全に充電されます。出力バッファ回路がオフになって論理「0」になると、容量性負荷が放電して、ドライバーに突入電流が戻ります。この急速な電流はドライバーのグランドピンを流れます。 理想的な状況では、ICパッケージと基板の接地は同じ電圧に保たれます。ただし、現実の設計では、ボンドワイヤ、リードフレーム、PDNの寄生インダクタンスにより、ダイグランドと基板グランドの間にある程度の寄生インダクタンスが存在します。これらの素子からのパッケージの総インダクタンスは、上記の回路図に示すように、一連の直列コイルとしてモデル化できます。 電流がボンドワイヤ/リードフレーム/PDN上の インダクタンスを駆け抜けると、ダイグランドと基板グランドの間に逆起電力が蓄積します。これにより、ダイグランドと基板グランドの電圧レベルが瞬間的に異なる現象が生じ、グランドバウンスノイズが発生します。この蓄積は、これらの要素のDC抵抗とICパッケージ/ダイの寄生によって減衰されます。寄生とトレースのこの配置が、定義されたインピーダンスと共振周波数を持つ等価RLC回路を形成しているということを理解すると、これが信号の動作にどのように影響するかを正確に理解できます。 PCBのグランドバウンスが回路と信号に与える影響 PCB内のグランドバウンスが最小限であれば、ダイグランドや信号の動作に混乱を引き起こすことはありません。グランドバウンスは引き続き発生しますが、気付かれないほど小さいかもしれません。ただし、グランドバウンスによって生成される逆起電力が大きい場合、特に複数の出力が同時に切り替えられる場合、デバイスのグランドレベルは、ICの他のピングループに影響しうるレベルにまで上昇します。 駆動コンポーネントを容量性負荷に接続するトレースを見ると、トレースのインダクタンスと静電容量も、グランドバウンスによる信号への影響に影響を与えます。すべてのトレースには、寄生容量とインダクタンスにより、ある程度のインピーダンスがあることに留意してください。実際のトレースにはこれらの寄生があるため、トレース、ドライバーのGNDピンのインダクタンス、および負荷容量によって形成される集中RLCネットワークにこれらを含める必要があります。 ダイ上のレベルシフト たとえば、グランドバウンスが発生するマイクロコントローラーでは、パワーレールと接地間で測定された電圧が、グランドバウンスがない場合よりも1.5V高くなるようにグランド電位がシフトする場合があります。つまり、パワーレールとダイグランドの電位差は、パワーレールと基板グランド間で測定された電位よりも1.5V高くなります。別の言い方をすれば、ダイグランドとPCBのGNDプレーンの間には瞬間的な1.5Vの電位があります（つまり、ドライバーのGNDピンの両端で測定）。 この例では、マイクロコントローラーに接続された3.3Vで動作する論理ICは、デバイスの接地の電位レベルがシフトしたために1.5Vの論理「低」信号を受信しているため、論理「0」信号を「1」と解釈する場合があります。この例を続けて説明すると、入力電圧レベルはダイグランドを基準にして見られるため、グランドバウンスが発生しているデバイスは他のコンポーネントからの入力を誤って読み取る可能性もあります。たとえば、論理「高」 信号が「低」と誤って解釈されるのは、ダイグランドの上昇により、入力ピンの電圧が3.3Vではなく1.8Vになるためです。これは、最小論理高電圧の2.31Vを下回ります。 グランドバウンスの影響は、すべての出力が同時に低になると最悪になります（上の画像を参照）。このとき、ダイグランドの電圧差が大幅に増加します。さらに、このレベルシフトはRLCネットワークで急な立ち上がり信号のように機能し、特定の条件下では減衰不足の過渡発振を示す可能性があります。 レベルシフト時の発振 ダイグランドのレベルシフトは永久に持続するわけではなく、ダイグランドとPCBグランドの電位差は最終的にゼロに戻ります。トレースと負荷から寄生容量が生じるため、このレベルシフトは、RLC回路で見られるのと同じように減衰発振を示す可能性があります。これらの発振は、電流ループ内の総抵抗に応じてさまざまなレベルの減衰を示すことがあります。ダイグランドに発振があると、この発振が出力信号に重畳され、過渡リンギング現象が発生します。下の画像は、グランドバウンスによるこのような減衰不足の過渡発振を示しています。 不完全な状況では、ドライバーの出力インピーダンスはゼロで、負荷入力インピーダンスは無限大で、トレースに発生する過渡現象の減衰はゼロになります。実際の状況では、ドライバーを通る直流伝導と、LOW状態とHIGH状態でのインピーダンスにより、減衰はゼロ以外になります。減衰（ R/2 記事を読む
高速PCB設計入門: クロストークの除去方法 高速PCB設計入門: クロストークの除去方法 1 min Blog 最近、結婚披露宴で、同じテーブルに座っている男性と話をしようとしました。残念なことに、私たちの間に座っていた女性が、私の反対側に座っている人と会話を続けていました。披露宴の騒音を背景に会話することは、何より難しいことでした。私たちの間でもう1つ話し合いが行われていたために、会話が成り立ちませんでした。私たちは、クロストークしていたのです！ 会話中のクロストークはとても迷惑なものですが、PCBレイアウト上のクロストークは、悲惨な結果を招く可能性があります。クロストークが修正されない場合、完成した回路基板が まったく動作しないか、あるいは断続的な問題に悩まされる可能性があります。クロストークとは何か、また、それを防ぐためにできることは何かを見てみましょう。 高速PCB設計におけるクロストークとは? クロストークは、 PCB上にあるトレース間の意図しない電磁結合 です。この結合によって、物理的に互いに接触していない場合でも、一方のトレースの信号パルスがもう一方のトレースの信号を圧倒してしまう可能性があります。これは、並列トレース間の間隔が狭い場合に、発生する可能性があります。トレースが製造目的での最小間隔を維持していたとしても、電磁目的では十分ではない場合があるのです。 互いに並行に走っている2つのトレースを考えてみてください。一方のトレースの信号の振幅がもう一方のトレースよりも大きい場合、片方のトレースに積極的に影響を与えてしまう可能性があります。そして「被害者」トレースの信号は、それ自体の信号を伝導する代わりに、攻撃者トレースの特徴を模倣し始めます。これにより、クロストークが発生します。 クロストークは通常、同じ層の上で隣り合って走る2つの並列トレース間で発生すると考えられています。しかし、隣接する層の上で隣り合って走る2つの並行トレース間でクロストークが発生する可能性は、さらに大きくなります。これは、 ブロードサイド結合と呼ばれ、2つの隣接する信号層が非常に薄いコア厚で分離されているために、発生する可能性が高くなります。この厚さは4ミル（0.1ミリメートル）になることもあり、同じ層の上にある2つのトレース間の間隔よりも小さい場合があります。 クロストークを除去するためのトレース間隔は一般的に通常のトレース間隔の必要条件よりも大きい 設計からクロストークの可能性を除去 幸運なことに皆さんは、クロストークのなすがままではありません。クロストークの可能性を最小限に抑えるように基板を設計すれば、これらの問題を回避できるのです。基板上のクロストークの可能性をなくすために役立つ設計テクニックを、いくつかご紹介します。 差動ペアと他の信号配線の間の距離を、できるだけ大きく保ちます。 経験則 は、ギャップ = トレース幅の3倍です。 クロック配線と他の信号配線との差を、できるだけ大きく保ちます。ここでも、同じギャップ = 記事を読む
最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 1 min Thought Leadership 家の購入を決意する前には、おそらくたくさんの質問をするかと思います。自分にとって大事な施設やサービスが近所にありますか? 近隣の環境に問題がなく、安全ですか? 家の間取りが自分のニーズに合っていますか? これらはいずれも、そこに住むと決める前に解決する必要がある重要な質問です。 同様に、PCB設計ソフトウェアの購入も同じレベルの詳細な検討が必要です。そのソフトウェアが自分に必要な処理を行ってくれるかどうか、どのようなサポートが受けられるかなどを確認する必要があります。また、会社の将来や、それらのツールが設計ニーズの変化にともなって設計者とともに成長できるかどうかなども考慮する必要があります。 新しい家の購入と全く同じように、新しいソフトウェアへの移行は大変な作業になる可能性があります。設計者を手助けするため、Altiumは、PCB設計ソフトウェアについて質問する時に設計者がガイドとして使用できるトピックリストをまとめました。 PCB設計ソフトウェアが必要な処理を行ってくれるか 最初に確認すべきことは、検討しているPCB設計ソフトウェアが、自分に必要な処理を行ってくれるかどうかです。この質問に答えるためには、どのような設計技術のためにそのソフトウェアを使用するかを明らかにする必要があります。設計するのは片面、両面、または 多層基板 ですか? それらの設計の用途は、 電源 、 アナログ 、 デジアナ混在信号 、 高速 、あるいは RF 記事を読む
組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 1 min Thought Leadership 旅行から戻って来た直後に、もう一度旅行に出掛けたいと思ったことはありませんか? 私にはそんな経験があります。前回のビーチリゾートでの休暇が、雷雨が続いたせいで台無しになってしまったのです。旅行の計画を立てるときは、予測できない天気というものがいつもジレンマになります。アウトドアで過ごす予定があればなおのことでしょう。 屋外での使用が想定される組み込み型のソーラーシステムを設計する際、私はこれと同じ慎重な姿勢で取り組みようにしています。こうしたシステムは、安定した電力供給で稼働する組み込み型のシステムとは完全に異なる難題です。例によって、私は苦労の末に慎重になることを学びました。というのも、最初に手掛けたソーラー式の試作は、1日でも雨が降ると稼働しなくなってしまったからです。 組み込み型ソーラーシステムについては考慮すべき状況がたくさんあり、太陽光のない状態で何日も稼働するように計画しなければなりません。 組み込み型ソーラーシステムの設計で考慮すべき要素 1. ソーラーパネル 言うまでもなく、ソーラーシステムで最も重要なの要素はソーラーパネルです。これについては、多結晶や薄膜よりも効率がよく、暑い気候でも優れた性能を発揮する単結晶を選択したほうがよいでしょう。パネルの中には最大22%の 太陽光を電力に 変換できるものもあります。とはいえ、単結晶や多結晶の効率はサプライヤーによって異なるため、事前に詳細情報を確認しておきましょう。 2. 電池の容量 組み込み型のソーラーシステムで重要なパラメーターは、ソーラーパネルの性能が0%になった場合のシステムの持続性です。環境要因によっては、ソーラーパネルに数日や数週間、太陽光が届かない場合もあります。そこで必要になるのは十分な容量のある 電池 です。また、ソーラーパネルの充電率が電池の使用率を上回るようにしておく必要もあります。5時間かけて充電した電池が2時間で消耗してしまっては、とても効率的とは言えません。 3. 太陽光の照射 考え方によっては、ソーラー技術はいたって単純です。太陽光がなければ電力は生成されません。ただし必ずしも、8時間分の太陽光で8時間分の電力が生成されるわけではありません。「 太陽光ピーク時間 」という用語がありますが、これは太陽が空の最も高い位置にあって、ソーラーパネルが一番効率的になる時間帯を指します。こうした要素について認識し、太陽光ピーク時間を算出しておくことが望まれます。 記事を読む
伝導放出のテスト機器と低減のガイドライン 伝導放出のテスト機器と低減のガイドライン 1 min Thought Leadership 私が大学に通っていた頃、クラスの1つが非常に難しかったため、教授はいつも1週間前にテストの問題を渡してくれました。試験の前に何を勉強すべきか正確に教えられていても、多くの学生が不合格に終わりました。電磁両立性（EMC）の伝導放出解析も同じようなものです。デバイスが電源を通して、電力網に多くのノイズを返していないかどうかをチェックする必要があります。これを行わないとFCCにより、公共電源を破壊する存在と見なされます。電源を経由して電力網へ返されるEMIに関して、デバイスの事前テストを行うことは難しくありません。しかし、最終的なチェックを行うとき、多くの製品は不合格になります。最終段階で不合格になると、時間と費用の両方に大きな損失となります。適切な機器を用意し、いくつかの事前準拠テストを行うことで、このような事態をすべて回避できます。また、PCBの設計と電源を調べ、発生源で伝導の問題を完全に解決しておくのも良い考えです。 事前準拠テストの利点 大学の頃の話に戻りますが、試験で教科書を参照しても良いクラスがいくつかありました。多くの学生は、教科書を参照できるならテストは簡単に解けると思い、事前に勉強しませんでした。それは大きな間違いで、多くの学生が落第しました。多くの人々は、EMCの伝導放出の部分は放射放出に比べて単純だと想定しますが、その考え違いから同じように多くの失敗が引き起こされます。 伝導放出の最終テストで不合格になった場合、作業をやり直す必要があり、何千ドルも無駄に費やすことになります。大学の試験に落第することはまずいことですが、このようなテストでのしくじりは、クラス全員が落第するようなものです。事前準拠用の機器は高価ですが、認定テストのやり直しほど高価なものではありません。EMC評価に失敗すると、製品の市場投入も遅延する恐れがあります。大きな修正が必要になった場合、プロジェクトが大幅に遅延することが考えられます。開発の初期段階、問題を比較的簡単に修正できるうちに洗い出すのが賢明です。 大学のテストは実際の設計ほど難しくはありません。 事前準拠用の機器 伝導放出のテストに必要な機器は、 放射放出 のテストとほぼ同じです。このようなキットは一般に数千ドルの価格です。 スペクトラムアナライザー（必須） - スペクトラムアナライザーは事前準拠テストの基幹です。この機械を使用して、基板から発生するあらゆるEMIを解析できます。これはおそらく最も高価な機器で、価格は1,000ドル以上です。 ソフトウェア（必須） - 本の読み方を知らなければ、テストで教科書を参照することが許可されても意味がないのと同様に、スペクトラムアナライザーはソフトウェアが無くては役に立ちません。一部のスペクトラムアナライザーにはソフトウェアが付属していますが、そうでない場合は、無料のプログラムと互換性のあるアナライザーを選択しましょう。 ラインインピーダンス安定化ネットワーク（LISN） - この装置は、伝導放出には必要ですが、放射放出には必要ありません。LISNは電源のノイズから デバイスを絶縁 し、インピーダンスを一致させて、スペクトラムアナライザーが正確に動作できるようにします。正確なテストを希望する場合は、この装置が2つ必要なこともあります。 記事を読む
1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由 1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由 1 min Thought Leadership テクノロジーは偉大なもので、確かに人生の特定の部分を楽にしてくれました。しかし、子育て、コーディング、電子機器の設計、そして時にはこのような記事を書いていると、最高のアプリを使用しても、日々のストレスを低減できなくなることがあります。例えば、私は今朝塩と砂糖を間違えて、子供の大好きなお粥に混ぜてしまいました。私の小さなミスにより、私の5歳の子供はGordon Ramseyと張り合えるくらい騒ぎ立ててしまいました。 同様に、ごく小さなミスにより、優れた設計が台無しになることもあります。非常に運が良ければ、そのミスは子供の癇癪に10分間付き合う程度の問題で済むかもしれません。残念ながら、PCB設計の世界では、これは数百もの欠陥のある設計を処理することになるのが普通です。私は5年前に、まさにこのような例を経験しました。小さな設計ミスのせいで、きっかり100台のカスタマイズされたMP3プレイヤーが、左チャンネルの音声に障害を持つことになってしまったのです。このミスは大きな苦痛であったため、今でも詳しい点を全て覚えています。 GNDが同じであっても異なる場合 MP3プレイヤー、またはオーディオをベースとする他のPCBプロジェクトの設計を開始する前に、何が重要なのかに集中する必要があります。そして、場合によってはこれは十分に明確ではありません。私は今朝、息子にお粥をあげることが目的だと考えていましたが、本当に肝心なのは正しい砂糖を入れることだったわけです。それと同様に、どのような種類の特化した集積回路（IC）を使用するかに気を取られていたところ、本当に決定的なのは電子回路における各種のGNDの重要性を知ることだったということが考えられます。大学の回路設計の講義では、電力GND、デジタルGND、アナログGNDについて学びます。 全てのGNDが同じではありません。 オーディオプレイヤーを設計するときは、アナログとデジタルのGNDを取り扱う必要があります。これらのGNDは回路図に、異なるシンボルで表示されますが、PCBレイアウトでは互いに接続されているように見えます。 GND配置 についてのいくつかのベストプラクティスを見ると、ほとんどの場合にこれらを単一の点、たとえばスター型GNDに接続することが推奨されています。 この助言を無視することは許されませんが、オーディオ設計の全体で最もやってはいけないことは、 単一のGNDプレーン を持つことです。オーディオGNDとデジタルGNDを単一の点で接続すると、オーディオチャンネルに干渉が起き、しかも原因がそこにあると判別するのは困難です。 私は、オーディオICをマイクロコントローラー（MCU）に接続している シリアルペリフェラルインターフェイス （SPI）の信号が干渉を引き起こしていることに気付かなければ、数万ドルの損失を引き起こし、大幅な修正を必要としたかもしれない経験があります。しかし、それに気づいても、100台のMP3プレイヤーに影響を及ぼす問題点を手作業で修正するため、私のチームは長時間の作業を余儀なくされました。 GNDの接続場所が重要な理由 この失敗から、私は電子機器の設計における最も大きな教訓の2つを得ました。まず、 テクニカルユーザーガイドは常に全部読む ことです。次に、各種のGNDプレーンをどこに接続するかは重要だということです。最初の教訓に従っていれば、この惨劇は避けられたでしょう。元の設計で私が失敗したのはこの部分です。 GNDプレーンでの失策は惨劇を招くことがあります。 記事を読む