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ウェアラブルでのハプティック振動とフィードバックの駆動 Thought Leadership ウェアラブルでのハプティック振動とフィードバックの駆動 拡張現実、仮想手術、四肢の置換、医療機器などの新技術は、装着者が自分の環境とどのように相互作用しているかを完全に感じ取るために、触覚振動モーターとフィードバックを取り入れる必要があります。これらの最先端のアプリケーションが触覚振動とフィードバックを含まない場合、ユーザーは実際のまたは仮想の環境を理解するために他の四つの感覚に頼らざるを得ません。触覚フィードバックをサポートする低コストのコンポーネントは、貝殻型携帯電話の時代から利用可能であり、デザイナーの想像力のみが限界です。 最近の新規クライアントからの問い合わせを受けて、私は触覚振動とフィードバックの世界に飛び込むことになりました。もしあなたがオーディオ電子機器のデザイナーなら、トランスデューサーとそれらをアンプ、MCU、または他のコンポーネントとどのように組み合わせるかについておそらく馴染みがあるでしょう。トランスデューサーに馴染みがあるかどうかにかかわらず、触覚フィードバックを引き起こすために使用されるセンサーを考慮すると、解決すべき組み込みソフトウェアの問題があります。 触覚振動モーターの選択 触覚振動モーターには、変動振幅型と変動周波数型の2種類があります。明らかに、これらのモーターは、垂直振動、リニア、偏心回転質量（ERM）振動モーターなど、異なるモーター構造に分けることができます。ERMモーターは、古いポケベルや初期の携帯電話に一般的でした。垂直振動モーターとリニアモーターは、パッケージに対して力を駆動する方法が似ています。これらのモーターは、ボードまたは一対のワイヤーを介してパッケージに取り付けることができます。 上に示されたコイン/パンケーキ型は基本的に振幅制御された直流モーターであり、モーターにかかる直流電圧を変えることで、周波数を約10000 RPMから約15000 RPMまで変えることができます。これらのモーターを駆動するために必要な直流電圧は通常2Vから5Vの範囲で、デバイスは約50mAから約100mAの間を必要とします。過去20年間に行われた多くの研究によると、ハプティクスに最適な振動周波数は150Hzから180Hzの範囲であることがわかっています。ACバージョンも利用可能です（下の表を参照してください）。 もう一つのタイプのハプティック振動モーターはリニア共振アクチュエータ（LRA）です。このタイプのモーターは狭い帯域内で強い共振を持ちます。これらのデバイスは周波数制御されたハプティクスには使用すべきではありませんが、駆動周波数（つまり、ACモーター）で反応するため、電圧制御されたハプティクスには非常に有用です。 インピーダンスマッチングかインピーダンスブリッジングか？ これらのモーターを実際のシステムに組み込むことはそれほど難しくありません。なぜなら、 大きなモーターと同じような導電性および放射性のEMI問題を引き起こさないからです。ボード上に配置する場合（つまり、SMDコンポーネントとして）、ボードの端に近く、ユーザーが振動を最もよく感じられる領域の近くに配置する必要があります。これらのコンポーネントのためのボードをレイアウトする際は、 他の小型DC/ACモーターと同様に行ってください。 電圧と電流の要件により、振動モーターをドライバーに接続する際には常に、 インピーダンスマッチングとインピーダンスブリッジングのどちらを使用するかという問題があります。触覚振動モーターは、低周波の電気信号に応答して特定の低周波の機械振動を出力するトランスデューサーです。 トランスデューサーに関するいくつかのチュートリアルを読むと、技術的に高度な人気のあるウェブサイトでさえ、ソースICとトランスデューサー間のインピーダンスマッチングが必要であるとする設計推奨事項が見つかります。これは、EDNやHyperphysicsで見つかるまさにそのようなアドバイスでしたが、いくつかの苦情がサイトの所有者にコンテンツの変更を強いました。インピーダンスマッチングまたはインピーダンスブリッジングを使用するかどうかは、ドライバーの性質によって異なります。 ドライバーが実質的に電流制御型の電圧源（つまり、出力インピーダンスが低い）である場合、インピーダンスブリッジングを使用して高出力電圧をモーターに伝達するべきです。これは、現代のオーディオ機器で行われていることと基本的に同じです。しかし、ドライバーが逆の機能を持つ場合、モーターはそのインピーダンスがソースインピーダンスよりもはるかに低いものを選択すべきです。伝送線効果は、数百Hzの範囲で動作しているため、ここでは関連ありません。 触覚フィードバックアルゴリズム 触覚フィードバックの重要な部分は、システムに入力される他の入力が変化するにつれて、振動感覚を変化させることです。データは外部センサーからの測定値と共にシステムに入力され、触覚振動の強度を制御するために使用されます。これらのシステムは、オープンループまたはクローズドループシステムであり、産業制御システムで使用される制御戦略に似ています。 触覚フィードバックアルゴリズムは、デバイスが製品の他の機能をサポートするのに十分な入力を持っている限り、MCUや小さなFPGAに組み込むのに十分軽量です。触覚フィードバックアルゴリズムは特定の製品に合わせて設計する必要があり、これらのアルゴリズムは依然として科学的および工学的研究の活発な分野です。 新しいPCBに触覚振動とフィードバックを組み込む予定の場合、
効率化の決め手はデータの再利用と共用 効率化の決め手はデータの再利用と共用 基板設計CADが隅々まで行き渡り、回路図を手で描く時代はとうに過ぎ去っています。しかし、ベテラン世代のエンジニアの中には手書き時代の記憶が脳裏に焼き付いている人も多いのではないでしょうか？ 鉛筆と消しゴムによる手設計の時代 CADの無い手書きの時代は鉛筆と消しゴムがエンジニアのメインツールでした。何から何まで手で描かなくてはなりません。CADのようにライブラリから部品を持ってくる訳にはいきませんので、ひとつひとつ手で描かなくてはなりません。また、部品や配線の位置を動かす場合には、消しゴムで消して書き直さなくてはなりません。 とりわけプリント基板設計は手間のかかる仕事でした。紙の上にフットプリントや配線パターンを描きながらレイアウトを仕上げて行きますので、書いたり消したりの作業を延々と繰り返さなくてはなりません。そして設計が終わってもまだ仕事は終りません。CADのようにプロッタでアートワークを作画する事ができませんので、手作業で版下を作らなくてはなりません。版下の作成はグリッドが印刷された専用のフィルム上に多数の丸いシンボル（パッド）やテープ（トラック）を手で貼るという手間のかかる作業でした。 効率化の決め手はデータの再利用と共用 CADの普及により手書き時代の非効率な作業から解放されました。とりわけ、一度、作成したデータを何度でも再利用できる事にCADの便利さを実感します。部品はライブラリから簡単に取り出せます。コピーアンドペーストやスニペットで何度でも既存のデータを使いまわせます。これらの機能の恩恵を受けエンジニアの負担は激減しました。 さらに、基板設計CADのAltium Designerには既存のデータを断片的に再利用するだけでなく、回路図シート全体を再利用したり共用したりする為の機能がいくつも用意されています。 デバイスシートによる回路図の再利用 デバイスシートは回路図を特定のフォルダーに保存し、それを部品のように呼び出して再利用する事ができる機能です。例えば、繰り返し使う電源回路などをデバイスシートとして保存しておくと、必要なときに呼び出して利用することができます。 回路図上に配置されたデバイスシートのルックスはシートシンボルと似ていますが、角が円弧になっており中央には大きなリサイクルマークが示されます。なおシート上に配置されたデバイスシートは読み取り専用になっており編集する事はできません。 実績のある既存の回路図を再利用する場合には、不用意に書き換えてしまわないよう注意することが必要ですが、デバイスシートを使用するとそのような心配はありません。 マルチチャンネルデザインによる回路図の共用と簡素化 同じ回路を繰り返し使用する場合には、マルチチャンネルデザインによって共用と表現の簡素化が可能です。 例えば、オーディオミキサーのように多数のチャンネルを持つ機器の場合、1チャンネル分の回路図を用意し、そのシートシンボルの[Designator]にRepeatキーワードを与える事により、掛け算のようにチャンネルを増殖できます。 この機能を使わず、必要なチャンネル数のシートシンボルを配置する事によって多チャンネルの回路図を作成する事もできますが、マルチチャンネルデザインを使うとシートシンボルを1つ配置するだけで済みます。このため、チャンネル数が多い場合には特に有効です。 コンパイルマスクによる回路図の共用 コンパイルマスクは回路図上の任意のエリアを囲み、そのエリア内のオブジェクトがデータとして出力されないように無効化するための機能です。無効化されたエリアはワンクリックで有効な状態に戻すことができます。 この機能は、シミュレーション用の回路図とプリント基板用の回路図を共用する場合に便利です。例えば、シミュレーションを実行するための信号源や電源を コンパイルマスクで無効化する事により、これらをプリント基板用の部品表やネットリストから除外する事ができます。
伝送線路インピーダンス測定 伝送線路インピーダンス測定：偶数モード対奇数モード 正確な伝送線インピーダンス測定が必要な場合、次のボードで使用する必要がある重要な値はこちらです。
PCBトレースとパッドのクリアランス：低電圧対高電圧 Thought Leadership PCBトレースとパッドのクリアランス：低電圧対高電圧 高電圧/高電流設計は、設計者が満たす必要がある安全要件を伴います。同様に、高速設計では、信号の整合性を保証するためにクロストークを抑制する必要があります。両方の領域に関連する主要な設計要素は、PCBトレースクリアランスとパッドクリアランスの値です。これらの設計選択は、安全性、ノイズ抑制、および製造可能性のバランスをとるために重要です。 IPC 2221電圧および間隔基準は、導体間のESDを防ぐためのガイダンスを提供しますが、すべてのボードがこの基準を満たす必要はありません。PCBトレース間の距離の電圧と信号の頻度（またはデジタル信号のエッジレート）に応じて、PCBトレースクリアランスに異なる値が必要になる場合があります。製造可能性を確保しながら、PCBクリアランスレイアウトのこれら2つの側面をどのようにバランスさせるかについて説明します。 低電圧 (15 V) IPC 2221電圧および間隔基準によると、一般用途デバイスの最小PCBクリアランスルール（実際には、任意の2つの導体間のクリアランス）は0.1 mmまたは4ミルです。電力変換デバイスの場合、この最小PCBトレース幅および間隔は0.13 mm、または5.1ミルです。これらのボードは「高電圧」とは考えられず、これらのボードの導体間隔はHDI領域に近づき始めます。 これらの電圧では、デジタル信号、低周波アナログ信号、または単に中程度の電流でのDCを扱っている可能性があります。デジタル信号の場合、典型的なルールは「3W」ルールに従うことです。ここで、トレース間のクリアランスはトレースの幅の3倍です。典型的な50オーム制御インピーダンスのマイクロストリップの場合、トレース幅は約20ミルになるため、推奨されるPCBトレース間隔は60ミルです。 IPC 2221の要件内にまだ十分に収まっており、主な焦点は効率的なルーティングとDFMにあるべきです。HDI領域でも、BGAの細かいピッチパッド間をルーティングする必要がある場合でも、一般的に3.3Vまたは約1Vで作業しているため、これらの電圧要件を心配する必要はありません。 高電圧（>15 V） 高DC電圧では、PCBトレースのクリアランス値を選択する際の主な懸念事項は、露出した導体間でのESD（静電気放電）と樹枝状成長を防ぐことです。高AC電圧の場合、または高電流を出力するスイッチングレギュレータを使用する場合、ESDと樹枝状成長だけでなく、クロストークについても心配する必要があります。クロストーク抑制ガイドラインは、非常に高い電圧になるまで、導体間の必要なPCB電圧クリアランスまたは間隔を過剰に規定しています。 IPC 2221とクロストーク抑制のバランスをどのように見つける必要があるかを考えるために、次の仮定の状況を考えてみましょう。制御インピーダンスのマイクロストリップ（幅20ミル）が、高電圧ACラインの近く、または高電流DCレギュレータの出入りするトレースの近くにあるとします。"3W"ルールに従うと、平行なマイクロストリップ間および近くの高電圧ラインとの間隔は1.5 mm、または約60ミルであるべきです。これは、高電圧レベルが電力変換デバイスの場合は180V、その他の高電圧製品の場合は340Vに達するまで、IPC 2221に十分適合するものです。
これらのアンプは動作中に安定していますか？PCB内のアンプの安定性について知っておくべきことがここにあります。 Thought Leadership 高周波数と漂遊容量におけるアンプの安定性 アンプは、現代生活を可能にする重要なコンポーネントの一つです。無線通信からパワーエレクトロニクスまで、これらの製品が適切に機能するためには、アンプが安定して予測可能に動作する必要があります。安定性分析は、物理学と工学の中で私のお気に入りのトピックの一つであり、予想外の場所でよく出くわします。その一つがアンプです。 フィードバックとゲインを持つ時間依存の物理システムは、システムが安定した振る舞いに達する条件を持っています。アンプの安定性は、これらの概念をアンプに拡張し、意図しないフィードバックによってシステム出力が望ましくない飽和状態に成長する可能性がある場所です。適切な設計とシミュレーションツールを使用すれば、レイアウトを作成する前に回路モデルの潜在的な不安定性を簡単に考慮に入れることができます。 RFアンプの安定性に及ぼす漂遊容量の影響 アンプ回路の不安定性の源泉、およびアンプICの入出力ポート間は、寄生容量です。この寄生容量は、アンプに接続されるトレース間に存在します。寄生容量は、長いトレース（すなわち、伝送線）のインピーダンスを特定の値に設定するために重要です。しかし、寄生容量はまた、出力ポートと入力ポート間の意図しないフィードバックの経路を提供します。 このフィードバックパスは容量性であるため、入出力信号の周波数が高いほどそのインピーダンスは低くなります。現在、これは通常チップレベルで対処されていますが、より多くのRFアンプがますます高い周波数で動作するにつれて、PCBのトレースやパッドからの寄与がより重要になってきます。わずか数pFの寄生容量でも、運用中にアンプを不安定にするのに十分です。 ボードレベルでは、入力の漂遊容量が帯域幅を制限する効果を持ち、帯域幅は因子(1 + ゲイン)によって減少します。解決策は、アンプのポートでトレースとパッドを設計して寄生容量を最小限にするか、フィードバックループに補償容量を追加することです。高GHz帯域（例えば、mmWave周波数）では、コンポーネント間の間隔は臨界長よりも大きいため、 インピーダンス制御ルーティングを使用する必要があります。SoCへの一部のコンポーネントの統合は、この問題を解消するのに役立っていますが、今後のデバイス用の多くのRFアンプは依然として個別のコンポーネントとしてパッケージされています。典型的な例は、mmWaveアプリケーション用の新しいパワーアンプです。 アンプの安定性を評価する典型的な方法は、メーカーの評価ボードを使用して、直接、任意の過渡的な挙動を測定することです。もう一つの選択肢は、アンプに接続された入力および出力トレース上の寄生容量を決定し、これらをシミュレーションに含めることです。これらのシミュレーションでは、寄生容量を打ち消すために、アンプのフィードバックループに補償用のキャパシタを実験的に追加することもできます。 シミュレーションでの漂遊容量の考慮方法 あなたの回路図は、完璧な回路の2D描画に過ぎません。システム内のどこにも漂遊容量要素を含んでおらず、PCBの実際の挙動を正確に反映していません。とはいえ、適切な設計ツールを使用すれば、PCBに寄生を簡単に含めることができます。受動部品の 自己共振をシミュレートしようとしているのか、またはシステムの他の部分の漂遊容量をシミュレートしたいのかにかかわらず、戦略的な場所に回路図にキャパシタを追加する必要があります。 アンプの入力における漂遊容量をシミュレートするには、適切なサイズのキャパシタとACソースをアンプの入力に追加するだけです。キャパシタはシャント要素として配置されます（つまり、共通のグラウンド接続に接続されます）アンプの入力ポートと出力ポートに。また、アンプコンポーネントの検証済みコンポーネントモデルを使用して、寄生容量の存在下でのアンプの動作を把握する必要があります。シャント容量要素は、基板内のグラウンドと入出力トレース間の結合をモデル化します。 その後、2種類のシミュレーションを実行できます： 過渡解析および 極-零点解析。 過渡解析の予想結果 過渡解析では、アンプが動作するにつれて信号が不安定になり、時間とともに飽和に達するかどうかを確認できます。以下のグラフは、大きな寄生容量による強い不安定性を持つ100 GHz信号の例示結果を示しています。ここでは、意図しない強いフィードバックと高入力信号レベルにより、出力の過渡電圧が2Vの飽和値に達しています。
クラウドで製造業者とPCBデータを共有する クラウドを介して製造業者とPCBデータを共有する Altium 365のクラウドコラボレーション機能を使用すると、製造業者と迅速にPCBデータを共有できます。