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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
基板レイアウト再利用時のコンポーネントライブラリエラーの解決 基板レイアウト再利用時のコンポーネントライブラリエラーの解決 1 min Thought Leadership 適切なPCBデザインパッケージを利用すると こうした古い携帯電話のレイアウトを再利用することもできます 最近、新しいパソコンを購入しました。古いハードドライブのデータが「魔法にかかったように」壊れはじめたせいです。新しいパソコンに入り込んでデータを移し替えると、昔のデータを再利用できなくなるのではないかと不安になりました。テキストファイルや画像のような単純なものなら、問題はありません。ファイルをすぐに開き直して再利用できます。PCB設計データを利用すれば、古いレイアウトを新しいプロジェクトで当たり前のように再利用したくなるかもしれません。場合によっては、地球の反対側のユーザーと設計を共有し、プロジェクト内のすべてのデータにアクセスできるようにしたいと考える可能性もあります。 この場合、 Altium Designerの新しいバージョンで以前の設計データを利用できるようにするために、注意すべきことがあります。Altium Designerのライブラリ管理機能を使用すれば、古い設計データを新しいプロジェクトに簡単にインポートし、新しい設計で使用することができます。Altium Designerで古いデータを再利用する方法について、いくつか見ていきましょう。 古いレイアウトの再利用 古い基板レイアウトを新しいプロジェクトで再利用する方法はいくつかあります。回路図および基板レイアウトはライブラリのコンポーネントデータに依存するため、設計データがこのデータに適した位置を指していることを確認する必要があります。例として、Altium Designer 19で作成した回路図およびレイアウトを見てみましょう。このレイアウトと回路図には、「Miscellaneous Devices」ライブラリ(Altium Designerに付属している)の100pFコンデンサーと、ATMega328Pマイクロコントローラーが含まれています。マイクロコントローラー用の統合ライブラリは、インターネットからダウンロードしたコンポーネント データから作成しました。 回路図と基板レイアウトは独自のプロジェクトで作成されたもので、回路図ファイルとレイアウトファイルはローカルハードドライブに保存されています。これらのファイルを別の設計者に転送するシミュレーションを行うため、私は新しいプロジェクトを作成し、Altium Designerの[Components] パネルからATMega328Pマイクロコントローラーライブラリをアンインストールし、コンピューターから統合ライブラリファイルを削除しました。 回路図ファイルと基板レイアウトファイルを新しいプロジェクトで開くだけの場合は、フットプリント シンボルと回路図シンボルを表示できますが、コンポーネントのデータにアクセスすることはできません。コンポーネントのプロパティ(PCBエディターの 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
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
なぜ、そしてどのようにして次の設計でアルミニウムPCB基板を使用するか なぜ、そしてどのようにして次のスタックアップ設計にアルミニウムPCB基板を使用するか 1 min Thought Leadership アルミニウムは、ただのソーダ缶以上のものに使えます 30代になってからはあまりソーダを飲まなくなりましたが、コーラの缶を作る以外にもアルミニウムには多くの用途があることを知っています。その一つが、PCBのコアとしての熱管理のための材料としての使用です。アルミニウムは高い熱伝導率を持ち、他の受動的または能動的な冷却手段ではコンポーネントの温度を十分に低下させることができない場合に、PCB上のアクティブコンポーネントから熱を運び去るために使用することができます。 熱管理のためのアルミニウムPCBの使用 アクティブコンポーネントは大量の電力を消散させるため、CPUや大量のスイッチングトランジスタを持つ他のコンポーネントに冷却ファンを使用します。周囲温度が過度に高い場合、能動的な冷却手段は、基板の温度を周囲のレベルに近づけるためにのみ有効です。さらに、能動的な冷却で放散できる熱量には限界があります。これが、アクティブコンポーネントから熱を逃がすために追加の戦略が必要とされる場所です。 アルミニウムは、PCBのコアに使用できる代替材料の一つであり、一般に誤って「アルミニウムPCB」と呼ばれることがあります。PCBの金属コアとしてアルミニウムを使用することで、その高い熱伝導率のおかげで、アクティブコンポーネントから熱を容易に逃がすことができます。アルミニウムまたは他の金属をPCBのコアに使用することで、熱がボード全体により均一に分散されます。 これをFR4と比較すると、FR4はPCB基板用の 代替材料の中でも比較的熱伝導率が低い方です。PCB上のアクティブコンポーネントの近くにホットスポットが形成されることがあり、熱を逃がし、温度を安全なレベルに保つためにアクティブおよびパッシブの冷却手段が使用されます。アクティブコンポーネントから発生する熱は、熱ビアやランドを使用して、コンポーネント層から内部のグラウンドまたは電源プレーンに運ばれることもあります。 これを、PCB基板用の他の 代替材料と比較して、比較的熱伝導率が低いFR4と対比してください。 PCBのホットスポットはアクティブコンポーネントの近くに形成される可能性があるため、熱を放散して温度を安全なレベルに下げるために、アクティブおよびパッシブ冷却手段を使用します。 アクティブコンポーネントによって生成された熱は、熱ビアやランドを使用して、コンポーネント層から内部のグラウンドまたは電源プレーンに移動させることもできます。 アルミニウムPCBスタックアップ アルミニウムPCBを製造の観点から見ると奇妙な選択に思えるかもしれませんが、アルミニウムPCBで使用できるスタックアップは、FR4基板で使用できるスタックアップに似ています。以下の画像に示すスタックアップの例です： アルミニウムPCBの例示レイヤースタック アルミニウムPCBスタックアップは、以下の考慮事項で設計されるべきです： 表面層：これは標準の銅箔層です。一部のメーカーは、FR4で使用されるよりも重い銅（最大10オンス）の使用を推奨します。 誘電体層：内部の誘電体層は、プリプレグとして機能する任意の熱伝導性層です。これはポリマーや セラミック層であることができます。特に熱伝導率に対する電気伝導率の比率が高いセラミックを選択することで、熱管理を助けつつ十分な絶縁を提供します。誘電体層の典型的な厚さは0.05から0.2 mmです。 アルミニウム膜層：アルミニウム膜層は、望ましくないエッチングからアルミニウムコアを保護する保護的な役割を果たします。これは非常に薄い絶縁層であり、コアを通してドリルされた任意のビア（下記参照）にとって重要な役割を果たします。 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
多層PCB基板用のFR4代替材料の選択 多層基板用のPCB基板材料としてのFR4代替品の選択 1 min Thought Leadership PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 次の多層PCBにFR4を選ばなくても大丈夫です。他のPCB基板材料の選択についてもっと読む。 記事を読む