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Altium Design Solutions Design Management Fundamentals
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制御インピーダンスルーティングのためのPCB設計ガイドライン PCBルーティング中の制御インピーダンスに関するPCB設計ガイド 1 min Thought Leadership 1831年6月、サー・ジェームズ・クラーク・ロスはカナダ北部のブーシア半島で北磁極を発見しました。しかし、「発見」という言葉が示すように、北磁極が静止しているかのように思われがちですが、実際には北磁極と南磁極は絶えず移動しています。地球の磁場は時間とともに変化し、その変化が起こると、極の位置も移動します。年間55kmの移動速度を考えると、「極急行」という新たな意味が出てくるかもしれません。 しかし、PCB内での信号の伝達を考える際には、一方の極から他方の極への移動にかかる時間、費用、エネルギーを心配する余裕はないかもしれません。トレースのルーティングやトレース幅は重要ですが、回路基板のグラウンドプレーン上のトレースは、差動インピーダンスの追跡を難しくすることがあります。トレースや制御インピーダンスのルーティングにおいて、PCB設計ソフトウェアを最大限に活用する方法を学ぶことが役立ちます。 複雑なインピーダンスの探求 インピーダンスに関して、「極性」という概念は異なるタイプの探求を意味します。複素インピーダンスは、多成分AC回路を扱う上で重要なツールです。これらの回路における電圧や電流を正弦と余弦で表す代わりに、インピーダンスを複素指数またはとして表現できます。インピーダンスは、特定の周波数での単一の複素指数に対する電圧/電流比として機能します。 そこから、個々の回路要素のインピーダンスを純粋または実数の虚数として表現できます。これにより、理想的なインダクタの純粋に虚数のリアクティブインピーダンスは次のようになります： 一方、理想的なキャパシタの純粋に虚数のリアクティブインピーダンスは次のように現れます： 純粋または虚数への移行には、実軸に沿った抵抗を持つ複素平面の使用が必要です。ここで、キャパシタとインダクタのリアクタンス値は虚数となります。虚数のインピーダンスはインピーダンスのリアクティブ成分を提供し、リアクタンスによって発生する位相の変化を評価することを可能にします。 RLおよびRC成分の直列組み合わせでは、ベクトルの成分として成分値を加算できます。複素数として、これらの値は抵抗と同じ単位を持ちます。 複素インピーダンスの極形式 RL回路とRC回路の複素表現の極形式は、電圧と電流の振幅と位相の関係を示す二次元座標系として現れます。平面上の各点は、基準点からの特定の距離と基準方向からの特定の角度にあります。基準点は極として機能し、基準方向における極からの光線は極軸を指します。極からの距離は半径または極座標であり、角度は極角を表します。 極形式では、複素インピーダンスの大きさは電圧振幅と電流振幅の比と等しくなります。複素インピーダンスの位相は、電圧よりも電流の位相シフトと等しくなります。方程式の形では、インピーダンスは次のように現れます： 大きさは電圧差振幅と電流振幅の比を表し、引数Ɵは電圧と電流の位相差を与えます。一方、は虚数単位を表します。複素インピーダンスの極形式を使用すると、インピーダンス量の乗除が簡単になります。 制御インピーダンスPCBルーティングのためのトレースを計画できることが必要です PCBインピーダンスコントロール 複素インピーダンスとその極形式に関する非常に簡潔な議論は、 インピーダンスの計算に伴う数学的な複雑さと、PCB設計におけるインピーダンス制御に遭遇する困難な問題の両方を強調しています。多層の高周波回路は、伝送線として機能する多数のビアと分岐を含んでおり、ソースと負荷の間でエネルギーの反射が発生する可能性があるため、問題はさらに困難になります。回路のタイプや複雑さに関わらず、信号経路に沿った全てのインピーダンスが一致する場合にのみ、最大の信号伝送が発生します。 回路基板の設計に最良の実践を用いることで、トレースが適切に配線され、インピーダンスが適切に一致するようにすることができます。ソースの出力インピーダンス、トレースのインピーダンス、および負荷の入力インピーダンスを一致させるには： コンポーネントのインピーダンスを一致させる トレースの特性（長さ、幅、厚さなど）を測定する 所望のインピーダンスを達成するためにマイクロストリップを使用する 記事を読む
管理が面倒な回路図設計を体系的に整理する方法 管理が面倒な回路図設計を体系的に整理する方法 1 min Thought Leadership 私の息子は6歳ですが、自分のおもちゃや私物の整理が非常に得意です。同じ年頃、私自身は自分の持ち物は全て大きな収納ボックスにまとめて放り込んでいました。一方息子は、異常なまでの整理整頓の才能があります。息子の細部に至るまでの細心の注意は、場合によっては少々ストレスですが、私は常に遊び場の整理整頓を息子に任せられる、ということを意味します。 プリント基板設計においては、自分のプロジェクトを引き継ぐハードウェア設計者が必ず容易に作業を進められるよう、回路図ドキュメントを同一レベルで整理して表示する必要があります。誰も回路図を理解できないという理由で常に電話やメールに悩まされるのは、最も避けたい状況です。 回路図設計の基本 電子回路設計の多くの記事は、 電磁干渉（EMI）の低減や高速設計など、基板レイアウトのベストプラクティスについて論じています。ですが、基板に最初のネットの配線を開始する前であっても、正しい回路図を用意する必要があります。実際は、回路図設計は基板設計で最も見落とされがちなところです。 ハードウェア設計を開始している場合、おそらく、完成した回路がどのようになるか、大まかなアイディアはあります。回路図設計の一般的な方法は、 マイクロコントローラーのような主要コンポーネント、メモリーチップ、特殊機能の集積回路（IC）などの配置から開始します。それに続き、コンポーネントを接続する前にパッシブコンポーネントを配置します。 次に回路図を基板レイアウトにエクスポートします。基板レイアウトには、対応するフットプリントが、相互接続したネットとともに表示されます。基板で適切な接続を生成する回路図設計は重要に思われます。しかし実際には、回路図設計は適切に整理して容易な理解と再利用を確実にする必要があります。 回路図設計を整理する方法 回路図の整理は、習慣と、使用しているプリント基板設計ソフトウェアの機能の組み合せです。以下は、私が通常回路図を整理している方法です。 1. 回路図シートを機能ごとに分ける コンポーネントが比較的少ない、シンプルな設計では、1枚の回路図シートで回路全体を作成することは理にかなっています。ただし、何百ものコンポーネントを使用する複雑なハードウェア設計に取り組んでいる場合、1枚の回路図シートに全てが詰め込まれたら、むしろどうしようもありません。 その代わりに、上図のように異なる機能に対して異なる回路図シートを作成することをお勧めします。これにより、個々のシートの回路図がより管理しやすくなるだけでなく、新しい設計で簡単に再利用できるようにもなります。 整列して表示された回路図ドキュメント 2. デジグネータのシステムを作成する デジグネータは、場合によっては、回路図内でコンポーネントをすばやく相互参照させる便利な方法になります。数百ものコンポーネントの中で、1つのコンデンサーを見つけたり削除したりする場合、デジグネータシステムの使用はとても助かります。 私の回路図では、デジグネータは、コンポーネントのタイプ、それが属しているシートの番号、シート自体のコンポーネントインデックスを表すよう作成されています。例えば、D0512は、5番目の回路図シートのダイオードを表し、12番目の類似コンポーネントです。コンポーネント数の一般的な概算として、回路図シート下部に各コンポーネントの数の範囲を一覧表示することもできます。 3 記事を読む
Altium Designer でのメニュー変更と単位の切り替え Altium Designer でのメニュー変更と単位の切り替え 1 min Thought Leadership 子供の頃、私がいつも安全で安心を感じた場所は家でした。外で何が起ころうと、私の幼少期の家は私の避難所であり、両親とずっとそこに住み続けたいと思っていました。もちろん、年を取るにつれて、新しいことをしたい、新しい人に会いたい、新しい経験をしたいという気持ちが強くなりましたが、それを実現するには住む場所を変える必要がありました。人として成長するために変化を受け入れなければならなかったのと同じように、スキルや使用するツールを改善するためには、時に変化を遂げる必要があります。これは、より効率的に作成された先進的な製品を求める要求が高まる中、PCB設計ソフトウェアの生産者がソフトウェアパッケージを継続的にアップグレードする必要があるPCBデザイナーにとって特に当てはまります。 もちろん、私たちは変化に対して生まれつきの抵抗感を持っているようで、パッケージにようやく慣れた後にプログラムの変更が発生すると、確かにイライラすることがあります。このような時、PCB設計ソフトウェアの開発者が機能性や能力の向上だけでなく、使いやすさや変更への適応のしやすさにも同じくらい配慮していると非常に助かります。 Altium Designerでは、業界で最も先進的で直感的なPCB設計ソフトウェアを提供しつつ、シンプルさと使いやすさを損なわない製品開発にユーザー中心のDNAアプローチを採用しています。このアプローチがどのように実装されているかを、メニューの変更と単位の切り替えを見てみましょう。 Altium Designerのメニュー変更 Altium Designerは、以前のバージョンのPCBソフトウェア設計パッケージを改善しています。エンジニアやデザイナーが最大限の利益を実現するために、プログラムの能力と機能の進歩を実装するにあたり、いくつかの新しいメニュー変更があります。すべてのメニュー変更を定義するよりも、新しい Altium Designerユーザーインターフェース（UI）を包括的に見る方がおそらくより有用です。 Altium Designerメインメニュー Altium DesignerスタートアップUI Altium DesignerのスタートアップUIは、上に示されているように、2つのレベルのメニューと周囲に配置された「簡単アクセス」タブのセットで構成されています。このレイアウトスタイルは、プログラム全体に存在するさまざまなアクセスオプションの繰り返しのテーマを強化します。トップレベルのメニューバーには、ほとんどのプログラムで一般的であるため、認識可能であるべきアイコンが含まれています：右上隅 - 保存、ファイルを開く、やり直し、元に戻す；そして左上隅 - 検索、最小化、サイズ変更、閉じる。2番目のレベルは、プログラム固有のメニューで構成されています： 記事を読む
PCB設計開発向けのプロジェクトテンプレートを使用する PCB設計開発向けのプロジェクトテンプレートを使用する 1 min Thought Leadership 生い茂った草木を切り払うために枝打ち斧を使ったことがある方なら、北アメリカの荒野を切り開いた遠い昔の開拓者たちの苦難がどれほどのものだったか想像がつくでしょう。その努力は、人間の精神の素晴らしい側面の表れでした。こうした先人の仲間に加わることはもはや不可能ですが、他のPCB設計者にとっての草分け的存在になる方法はあります。 プリント基板を設計する際に、作業を一からやり直さなくてはいけないことが多々あります。これから手掛けるモジュールや回路を以前に誰かが設計していたとしても、それらの図面を再利用できない場合、コンポーネントの選択、配線図の作成、基板のパラメーターの決定と設定、場合によってはスクリプトの記述とコードのデバッグで、基板レイアウトに時間を費やす必要があります。 これはリソースの浪費であり、回路基板、チーム、組織の生産性とコストの損失と同じです。基板設計CADのAltium Designer®を活用すると、チームをリードしながらこれらの損失を取り戻せます。ここでは、Altium DesignerのPCB設計開発向けのプロジェクトテンプレートを活用して、時間や資金といった貴重なリソースの浪費を最小限にする方法をご紹介します。 PCB設計向けのプロジェクトテンプレートにアクセスする プロジェクトテンプレートを使用可能にするには、プロジェクトテンプレートを作成しアクセス可能にする必要があります。Altium Designerでは、 プロジェクトテンプレートの作成は簡単で直接的です。テンプレートは元のコンポーネント、シート（サブ回路）、設計全体を対象に作成できます。プロジェクトテンプレートは設計ファイルと同様、どこにでも（例: ローカル、ネットワークサーバー）保存でき、直接アクセスできます（図1）。 直接アクセス サーバーからのアクセス 設計ファイルを実質的にどこにでも保存できどこからでもアクセスできるという柔軟性は確かに便利ですが、PCB設計のプロジェクトテンプレートにアクセスする場合、計画されたサーバーを利用することをおすすめします。サーバーは通常、セキュリティプロトコルと管理用の制御機能を備えています。これらは、データと情報へのアクセスを制限するのに必要です。また、サーバーは既知のディレクトリおよびファイル形式構造を提供することで統一性と一貫性を確保できます。サーバーソフトウェアは通常、サーバーが保管しているデータと情報の構造を乱さないでアップグレードできます。図2に示す Altium Concord Proは、PCB設計開発向けのプロジェクトテンプレートのホスティングに理想的なサーバーです。 サーバーのプロジェクトテンプレートは、メインウィンドウの右下の [Panels] タブで [Explorer] 記事を読む
医療IoTアプリケーションの設計：課題と考慮事項 IoT医療製品およびアプリケーション設計：課題と考慮事項 1 min Thought Leadership 理想的には、あらゆる技術は人々に大きな影響を与え、人々が必要とするあらゆるタスクを達成する能力に影響を与えます。しかし、新しい技術が医療分野に導入されるとき、常にリスクは少し高くなります。どんな欠陥、エラー、または機能不全も直ちに誰かの健康に影響を与える可能性があることを認識する必要があります。確かに、すべての医療機器が生死に関わるわけではありませんが、それでも慎重に考慮されるべきです。 IoTの設計は常に挑戦ですが、医療IoTアプリケーションは追加の複雑さのレベルを持ち、追加の注意が必要です。コンポーネント選択プロセスをより厳格にするだけでなく、デザインはデバイスが重い摩耗やさまざまな環境条件にさらされることを考慮する必要があります。さらに、安全性と信頼性を最優先事項としなければなりません。どこから始めればよいでしょうか？ デバイスとウェアラブルの種類 一般的に、医療IoTデバイスは、エンジニアリングの観点から、または医療の観点からの2つの視点で考えることができます。エンジニアリングの観点から見ると、医療IoTデバイスは大きく2つのカテゴリーに分かれます：埋め込み型センサーとモニター、またはウェアラブルです。 植込み型センサーとモニター： これらのデバイスは、エンジニアリングの観点から、材料、コンポーネント、および身体の動きによって影響を受ける信号の相互作用に特に注意を払って製造する必要があります。さらに、植込み型センサーやモニターを設計する場合、電源に関して計画を立てることが重要です。おそらく、バッテリーが切れた場合、デバイスに電力を供給するために何らかの侵襲的な処置が必要になるでしょう。 ウェアラブル： これらのデバイスは植込み型センサーやモニターと性質が似ていますが、植込み型デバイスよりも環境要求が異なります - 湿気への抵抗性とより大きな柔軟性が必要です。そして、一貫した電力供給が常に望ましいですが、ウェアラブルは植込み型デバイスよりも電力需要に適応しやすくなります。 医療の観点からこれらのデバイスは、その影響に基づいてより多く分類されます：生命管理に不可欠なデバイス、健康追跡と生命管理のための非重要デバイス、および健康またはフィットネストラッカー。 バイタルトラッキングとライフマネジメント：これらの電子機器は、 ペースメーカーや人工呼吸器などの追跡に使用されます。これらは、生命に不可欠な臓器やシステムに関する収集されたデータを送信する責任があります。これらのデバイスに対する注意は、重要な身体機能での役割に警戒すべきです。 非バイタルライフマネジメント：非バイタルライフマネジメントの分類は、これらのタイプのデバイスがそれほど重要ではないと指示する意図ではありませんが、本質的に、これらのデバイスが故障した場合に必要な対応の時間枠が著しく長くなることを診断します。これらのタイプのデバイスには、血圧計やグルコースモニターなどがあります。 健康またはフィットネストラッカー：その名の通り、健康またはフィットネストラッカーは、個人のフィットネスと健康を維持するために、歩数、食事、カロリー消費などのデータを追跡します。 デバイスの分類方法に関わらず、医療IoT電子機器は、患者と個人ケアのためのデータ管理の関係を大幅に変えることができます。 レイアウトとシステム要件 メディカルIoTには、患者が機器を通して経験する厳しいさまざまな環境に耐えることができる非常に頑丈なハードウェアが必要です。それはシャワー、スポーツイベント、または単に日常の座りがちな状態かもしれません。頑丈である一方で、ハードウェアは高品質の信号を収集し、環境ノイズを除去することによって信頼性の高いデータを提供するのに十分な感度も必要です。 さらに、収集された信号は信号処理も必要であり、これにはマイクロプロセッサが信頼性の高いパフォーマンスに必要なデータ処理を管理できる十分な速度と能力を持っていることが求められます。それはアナログ入力の解釈だけでなく、入力からの動作アーティファクトの除去など、より複雑なことを含むかもしれません。その後、そのプロセッサはウェアラブルアプリケーションに適したバッテリーで機能するために十分に低い電力要件を持っている必要があります。 フォームファクター 記事を読む
Altium Designerを使用したPCB設計ソフトウェアでの部品表の作成 Altium Designerを使用したPCB設計ソフトウェアでの部品表の作成 1 min Thought Leadership ついに、回路基板ができあがり、PCBを実装する準備が整いました。回路図が完成し、レイアウトの確認と承認が済み、いよいよ組み立てです。ただし、そのためには部品表を作成する必要があります。幸い、それらのドキュメントを手作業で作成したのは遠い昔のことです。どのCADシステムでも、部品表は、ライブラリやその他のプロセスによって自動的に作成されます。しかし、そのためには何をする必要があるでしょうか? Altium Designer 18を使用すると、部品表（BOM）を非常に簡単に作成することができます。さまざまなオプションを選択して、非常に直感的な特定のニーズに応じて情報を構成したり整理したりできます。ここでは、設計から簡潔なBOMレポートを作成するために必要な手順について説明します。 部品表の準備 例として、いくつかの部品で構成される非常に単純な設計を取り上げます。これにより、画面に収まらないような部品表ではなく、簡潔で扱いやすいレポートができます。 Altium Designerでは、回路図、レイアウト、ActiveBOM（設計内のコンポーネントに直接アクセスするためのツール）のいずれかからBOMを作成することができます。BOMレポートの生成機能には、これらの3つの設計オブジェクトで同じメニューを選択してアクセスできます。3つの設計オブジェクトのいずれかをアクティブな状態にして、[Reports] ≫ [Bill of Materials] を選択します。3つのオブジェクトには若干の違いはありますが、下図のようにBOMレポートメニューは基本的に同じです。 Altium Designerの回路図、レイアウト、Active BOMのBOMレポートメニュー Altium Designerでの 回路図の作成やレイアウトの作成には慣れていても、ActiveBOMを使ったことがない場合もあるでしょう。ActiveBOMは、回路図やレイアウトと同様の、別の設計ポータルです。違いは、接続データ（配置と配線）を操作するのではなく、基板設計内の コンポーネントデータを直接操作する点です。ActiveBOMで作業するには、最初に、下図のように 記事を読む
Altium Designer: PCB設計でプロジェクトテンプレートを使用するメリット Altium Designer: PCB設計でプロジェクトテンプレートを使用するメリット 1 min Thought Leadership 馬の家畜化、車輪の発明、燃焼機関の開発は、人間がより効率的にあちらこちらに移動したり新しい場所を探検したりできるようなるという点で称賛できる、非常に画期的なできごとです。慣れた環境から見知らぬ場所に出ていくための自信を多くの人に与えるという点で、少なくとも同じくらいの称賛に値するもう1つの発明があります。それは地図です。自分より前に誰かが道を通ったということがわかっていると、目的地にたどり着く自信が持てます。 PCB設計は、試行錯誤で埋め尽くされる可能性のある創造的なプロセスです。このプロセスからエラーを取り除くことは実質的に不可能ですが、プロジェクトテンプレートを使用することで最小限に抑えることはできます。最も基本的なところでは、プロジェクトテンプレートは実際上、以前に設計された回路の「地図」です。自信を持って、これを新しい設計のベースとして使用することができます。Altium Designer 18ではこの基本概念が拡張されていますが、PCB設計でプロジェクトテンプレートを使用する多くのメリットに注目する前に、プロジェクトテンプレートをさらに詳しく定義し、作成方法を確認しましょう。 プロジェクトテンプレートとは プロジェクトテンプレートは単に、以前に作成された設計で、似たようなPCB、PCBモジュール、個々のコンポーネントの設計に必要とされる作業を減らすために使用されます。PCBレイアウトを通して、基板を作成することが必ずしも骨の折れる生成プロセスである必要はありません。既に回路基板が作成されている場合、作業はもっと楽になるかもしれません。テンプレートをそのまま使用することも、設計の特定要件に合致するようテンプレートを変更することもできます。 マルチチャンネルデザインでの回路の再利用と同様です。 マルチチャンネルデザインの場合と同じく、プロジェクトテンプレートは、効果的に活用できるよう、技術者、PCB設計者、チームや組織の他のメンバーが簡単にアクセスできる必要があります。回路構成、フットプリント、テンプレートのいずれで構成するにしても、以前に使用した基板設計のデータベースを用意すれば、チーム全体のプロセスを迅速化できます。 ただし、Altium Designerが提供するソフトウェアは、通常プロジェクトテンプレートが置かれるAltium Vaultのような管理サーバーの任意の場所にテンプレートを格納できる柔軟性を備えています。サーバーを使用することで、一元化されたファイル格納場所だけでなく、適切に構成された管理アーキテクチャーも提供されます。これは、セキュリティおよびアクセスレベルの特定性の維持のために重要です。 優れたPCB設計ソフトウェアにより、頼れる基板およびプロジェクトテンプレートのディレクトリにアクセスできます。以下の図1は、Altium Vaultに格納されているプロジェクトテンプレートのディレクトリ構成の例です。 図1 プロジェクトテンプレートのディレクトリ構成 上図のように、プロジェクトテンプレートは、個々のコンポーネント、シート（モジュール、回路図、PCB）、または設計全体（全てのコンポーネント、回路図、およびPCB）として分類し、格納できます。プロジェクトテンプレートは通常、履歴、リビジョン、コード、その他のドキュメントなどの関連ファイルとともに格納されます。したがって、情報およびデータは全て、テンプレートにアクセスすることで1か所から表示/ダウンロードできます。 プロジェクトテンプレートの作成方法 1回のみ使用するデザインとプロジェクトテンプレートの違いは、設計ファイルの格納場所と格納方法にあります。PCBを設計する場合、通常は、プロジェクトディレクトリの下に全ファイルを格納し、1か所から全てのプロジェクトファイルに簡単にアクセスできるようにします。コンポーネントやシートを検索するには、設計ファイルがどのプロジェクトに存在しているかを知っておく必要があります。回路基板のニーズの変化により、この方法による設計の再利用がすぐに続けられなくなることは明らかです。 したがって、再利用したい設計を検索する、より単純でアクセスが簡単な手段が必要です。Altium Designerでは、プロジェクトテンプレートはテンプレートディレクトリ構成に格納されます。実際のファイルは、具体的なプロジェクトディレクトリ名を思い出さなくても、ここから簡単に表示し、アクセスできます。プロジェクトテンプレートの作成と格納場所への追加は、3つのステップで完了できます。 記事を読む