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［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本 【IoT・無線・通信編】

次世代5G無線機からAI遺伝的アルゴリズムによるインピーダンス整合まで



本製品のあらまし

本製品は，2022年7月29日に開催したオンライン・セミナ「Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【IoT・無線・通信編】」の講義ビデオとテキストのセット商品です．

同梱の説明書に，講義ビデオの視聴と講義テキストのダウンロードが可能になるパスワードが記載されています．

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講義内容

IoT・通信・無線編

セッション⑧ GHz超 高速ディジタル・プリント基板の設計技術 10の基本

～電気の速度も考えた配線インピーダンスの最適化術～

　講師：石井 聡（アナログ・デバイセズ株式会社）


    ●概要
    　本講演では，GHzを超えた当たりの信号を取り扱う，高速ディジタル・プリント基板を設計するときの基本的な考え方について説明します．最初に基板設計の入り口でまず認識すべきこととして，基本的な事項・注意点を説明します．つづいて本セッションで一番重要な点，「高速信号はプリント・パターン上を波として伝搬する」という概念と，その波として伝わった高速信号が負荷端でどうなるか（反射すること）について説明します．
    　ここでは「特性インピーダンス」についての理解が必要で，この特性インピーダンスを考慮したプリント基板設計と発注，そしてプリント・パターン上を信号が伝搬する速度「位相速度」と波長短縮率について説明します．
    　最後にパワー・インテグリティ（電源系統の安定性）と高速信号プリント基板設計として，グラウンド・プレーンと信号プレーンを用いるときの適切な接続・デカップリングについて紹介します．

    ●講師の略歴
    1985年 第1級無線技術士合格
    1986年 東京農工大学電気工学科卒業，同年電子機器メーカ入社，長く電子回路設計業務に従事
    1994年 技術士（電気・電子部門）合格．2002年横浜国立大学大学院博士課程後期（電子情報工学専攻・社会人特別選抜）修了．博士（工学）
    2009年 アナログ・デバイセズ株式会社入社，現在に至る
    2018年 中小企業診断士登録
    ディジタル回路（FPGAやASIC）からアナログ，高周波回路まで多岐の電子回路の設計開発を経験．また，外部団体主催セミナの講師を多数務める．著書に「LTspiceで動作を見ながらOPアンプ回路を理解する(オーム社)」，「無線通信とディジタル変復調技術(CQ出版)」など

セッション⑨ 定石を見直す！AIで探す高速ディジタル配線の最適解

～反射も不整合もOK！セグメント伝送路の組み合わせを遺伝的アルゴリズム解析～

　講師：安永 守利（筑波大学）


    ●概要
    　ディジタル信号用のプリント基板配線設計では，信号品質(SI: Signal Integrity)の向上が課題です．これまでは，インピーダンスの整合設計により信号品質を保ってきました．しかし，GHz超の高速信号では，インピーダンス整合設計が難しくなっています．これに対し，「セグメント分割伝送線」は，インピーダンスの“不”整合を利用した新たな配線です．
    　セグメント分割伝送線は，異なった線幅(特性インピーダンス)からなる複数のセグメントから構成されます．このため，複数のセグメント境界で多数の反射ノイズが発生します．そして，この故意に発生したノイズを重ね合わせることにより，信号品質を向上します．いわば，“ノイズをもってノイズを制する”配線です．一方，その設計には，異なった線幅の膨大な組み合わせから最適な組み合わせを選ぶ必要があります．この“組み合わせ爆発問題”を解くため，進化型AIの1つである“遺伝的アルゴリズム”を用います．遺伝的アルゴリズムは，生物の進化を模倣した最適化設計法です．本講演では，遺伝的アルゴリズムを用いたセグメント分割伝送線の設計手法とその実測結果を紹介します．

    ●講師の略歴
    1983年 筑波大学大学院工学研究科修士修了．1993年博士(工学)
    1983年 日立製作所(中央研究所)入社．超大型計算機，スーパーコンピュータ， 脳型計算機向けLSI,実装技術開発に従事
    1994年 筑波大学着任．現在，同大学システム情報系教授．FPGAを用いた脳型計 算機，AIを用いたハードウェア設計，高速伝送設計の研究を進めている
    著書に「集積回路工学(森北出版)」，「技術者のための電磁気学入門(コロナ 社)」など

セッション⑩ 高能率送受信！電磁界シミュレータを用いた小型基板アンテナ設計の基本

～筐体の形状やサイズに影響を受けないWi-Fi/スマホ向けの作り方～

　講師：小川 隆博（株式会社エム・イー・エル）


    ●概要
    　IoT化が加速する昨今 Wi-Fiや5Gに代表されるワイヤレス機器が主流となっています．これらのワイヤレス機器のアンテナはほとんどが組み込み型であるため，アンテナ・サイズは機器の大きさに大きく左右されます．このような小型アンテナの設計や解析を行う場合，電磁界シミュレータが必須となります．本講演では，株式会社エム・イー・エルが開発を行っているモーメント法電磁界シミュレータを用いて，筐体サイズに依存しない小型アンテナの設計手法を一部ご紹介いたします．

    ●講師の略歴
    明治大学工学部電子通信工学科卒　工学博士(新潟大学)
    1990年 日本電装株式会社(現 株式会社デンソー)にてRF-TAGなどID関係機器の開発に従事
    1991年 株式会社エム・イー・エル設立．回路シミュレータ，電磁界シミュレータの開発

セッション⑪ 次世代5G無線機のマイクロストリップ線路設計 10の基本

～400MHz超広帯域アナログ・フロントエンドの高周波信号伝送ノウハウ～

　講師：加藤 隆志（株式会社ラジアン）


    ●概要
    　5Gなど通信の広帯域化に伴ってキャリア周波数も高くなっています．一般的に周波数が3倍になるたびに材料や設計手法が変化します．
    　GHz帯を超えてくるとLCのような集中定数は扱い辛くなり，マイクロストリップ線路の出番が増えてきます．低い周波数から徐々に高い周波数に移ってくるとこの辺りで大きな壁にぶつかります．
    本講演では，最初に体験するであろうマイクロ波帯の基板設計の実例から，さらにその上のミリ波基板の設計例までを実際の開発事例を用いて紹介します．

    ●講師の略歴
    1990年 無線通信機器メーカで研究開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
    2017年 フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
    2019年 株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

セッション⑫ 実践 GHzミクスト・シグナル基板のEMI/イミュニティ対策 10の基本

～障害を与えず，静電気に強いシステムはこうやって作る～

　講師：久保寺 忠（株式会社システムデザイン研究所）


    ●概要
    　高精細の動画など高速処理の要求に伴い，プリント基板上の処理速度は数GHzになり，EMI，イミュニティ問題をはじめ，回路が安定動作しないなどで苦労するエンジニアが増えています．不具合の原因は，多層基板にもかかわらずグラウンド層が1層しかない，層間のベタ・べラウンドを接続するスルーホールがほとんどないなど，さまざまです．
    　製品から発生するノイズの多くは，プリント基板が関係しています．外来ノイズで誤動作を起こす原因もその多くは回路設計，または基板設計のまずさが原因となっています．回路設計者や基板設計者は，数GHzまで回路を動作させたときの配線や電源・グラウンドのふるまいを確認することが重要です．
    　ノイズの基礎や対策をテーマにした専門書が数多く販売されています．本講演では，基礎的な内容は他の専門書に譲ることとし，基板設計を行う上であまり取り上げられないノイズ対策技術を実例を交えながら詳しく解説します．

    ●講師の略歴
    1971年 日本マランツ株式会社入社，通信機器，自動演奏ピアノの設計など
    1980年 富士ゼロックス株式会社入社，COB，MCMなどの実装技術開発，EMC対応技術開発など
    1993年よりEMC対応設計の研究を行う
    2001年 株式会社図研
    2002年 日本フェンオール株式会社PWBA事業企画室．システム設計，ノイズ設計，コンサルティングなど
    2006年 株式会社システムデザイン研究所設立

紹介動画

電圧や電流は伝送線路内を波として移動していく「セッション⑧ GHz超 高速ディジタル・プリント基板の設計技術 10の基本」
スルーホールの効果　「セッション⑫ 実践 GHzミクスト・シグナル基板のEMI/イミュニティ対策 10の基本」

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講義ビデオ(著作権保護のためパスワードがかけられています)

「IoT・通信・無線編」講義ビデオ.mp4(4時間52分8秒)

  • 0:00:10　●セッション⑧ GHz超 高速ディジタル・プリント基板の作り方 10の基本
  • 0:06:25　- 基本(1) グラウンドに流れるリターン電流の極性が信号と同じになっているが、「伝わっていく」をイメージする
  • 0:08:57　- 基本(2) 青い部分はグラウンド・プレーン．リターン電流は信号の直下が最大になる
  • 0:12:12　- 基本(3) 信号は「波」であると考える
  • 0:14:25　- 基本(4) 電圧と電流との相互関係が特性インピーダンス
  • 0:17:47　- 基本(5) 何も考えずに設計したCMOSディジタル回路のパターンも特性インピーダンスを持つ
  • 0:20:23　- 基本(6) 負荷が特性インピーダンスにマッチングしていないと，信号が反射する
  • 0:24:07　- 基本(7) この考え方に位相量を加えれば，高周波信号の反射係数になる
  • 0:30:53　- 基本(8) 製造メーカは「テストクーポン」でインピーダンス・コントロール基板の品質を管理している
  • 0:32:25　- 基本(9) 位相速度は光の速度を実効比誘電率の平方根分で割ったもの
  • 0:41:30　- 基本(10) 高い周波数に対応させるにはばらまき容量を小さく，配置ピッチを狭く
  • 0:45:06 ●セッション⑨ 定石を見直す！AIで探す高速ディジタル配線の最適解
  • 0:46:39　GHz級ディジタル・システムの問題点
  • 0:57:01　人工知能(AI)の概要
  • 0:59:39　遺伝的アルゴリズムの適用例や原理
  • 0:08:40　STLデザイン・システムの概略
  • 0:11:29　バス配線への適用
  • 0:12:33　1GHz共有バス－STLの試作・評価
  • 0:16:03　ハイエンドサーバ向けバス配線
  • 0:17:48　アイ・パターンによるランダム信号の評価
  • 0:20:03　ランダム信号用330MHz(660Mbps)バス・シングルエンドSTLの設計・試作・評価
  • 0:23:23　クロストーク低減への適用
  • 0:24:00　STLとイコライザの違い
  • 0:24:45　STLの課題
  • 0:25:06　チップ・コンデンサ内蔵の基板を使った例
  • 0:29:14　まとめ
  • 0:30:51　Q&A
  • 1:34:28 ●セッション⑩ 電磁界シミュレータを用いた小型基板アンテナ設計の基本
  • 1:34:57　MEL社のシミュレータ
  • 1:37:19　昨今のアンテナ事情
  • 1:39:10　小型アンテナの留意事項とアンテナ設計のポイント
  • 1:41:15　電界型小型アンテナ
  • 1:42:12　平行線路とダイポール・アンテナ
  • 1:44:32　電界型小型アンテナ(315MHz)
  • 1:46:39　インダクタの装荷と整合回路の追加
  • 1:48:17　全体特性
  • 1:50:30　人体の影響
  • 1:51:55　2.45GHzプリント・アンテナ
  • 1:53:55　整合回路を追加
  • 1:55:58　315MHzのアンテナにする
  • 1:58:05　なんでもアンテナ実験(145MHz)
  • 1:59:40　磁界型アンテナ
  • 2:02:43　小型機器への適用例
  • 2:03:26　キーホルダ型アンテナ例(315MHz)
  • 2:04:09　飛ぶアンテナと飛ばないアンテナ
  • 2:07:42　まとめ
    　　　　　- 基本(1) 極論を言えばどんなサイズでもアンテナは設計可能
    　　　　　- 基本(2) 電界型と磁界型がある
    　　　　　- 基本(3) 共振と整合を考える
    　　　　　- 基本(4) エレメント間の結合はにする
    　　　　　- 基本(5) 放射効率は大きさに依存する
  • 2:10:28 ●セッション⑪ ディジタル通信機のRF設計 10の基本
  • 2:22:39　- 基本(1) ディジタル通信では送信アンプのリニアリティ要求がかなり厳しい．プリディストーションならある程度回避可能
  • 2:31:05　- 基本(2) ディジタル通信では定群遅延の要求がかなり厳しい．信号処理による補正である程度は回避できる
  • 2:32:58　- 基本(3) 数GHzが集中定数が使用できる限界．メーカ提供のSパラメータでシミュレーション精度は得られる
  • 2:38:32　- 基本(4) ディジタル通信にはリニア・アンプが不可欠であるが，発熱の問題が無視できない．AB級動作で消費電力を抑えるにはプリティストーションが必須
  • 2:39:52　- 基本(5) 最近のRF ICはマッチングが50Ωに調整されている
  • 2:43:56　- 基本(6) 受信感度の予測はレベル・チャートで計算可能
  • 2:49:47　- 基本(7) マイクロストリップ・フィルタは層間厚の誤差に留意する
  • 2:56:37　- 基本(8) ミリ波の基板はRogersやMegtron7など tanσの小さい基材が必要
  • 2:58:45　- 基本(9) ミリ波伝送路周辺グラウンド・プレーンにはVIAが高密度に必要．すくなくてもλ/10以下の間隔でVIAを打つ
  • 3:00:50　- 基本(10) ミリ波ではC/Nがかなり悪化する．シンセサイザICやVCOの厳選．電源リプルも最大限のケアが必須
  • 3:02:23 ●セッション⑫ 実践 ギガヘルツ シグナル基板のEMC/イミュニティ対策 10の基本
  • 3:08:53　- 基本(1) 電流が流れる面積をできるだけ小さくする
  • 3:16:49　- 基本(2) 配線が長いとループは広がり，基板からはみ出した電流は空間に放射するノイズの原因となる
  • 3:31:07　- 基本(3) 平衡，不平衡と顧問モードの関係…モードが変わるところに留意する
  • 3:36:20　- 基本(4) どの層であってもベタ・グラウンドは大切に扱う
  • 3:45:00　- 基本(5) 多層基板
  • 3:56:59　- 基本(6) グラウンド面のふるまい
  • 4:07:40　- 基本(7) ベタ・グラウンドとスルーホールの影響
    • スルーホールは基板の端から離して配置する
  • 4:15:30　- 基本(8) グラウンド・ガードの入れ方
  • 4:31:09　- 基本(9) 差動伝送…ミックスドモードSパラメータでノーマル・モード，コモン・モードの伝送特性を確認する
  • 4:41:23- 基本(10) 外来ノイズはコモンモード，基板内でディファレンシャル・モードになる

講義テキスト(著作権保護のためパスワードがかけられています)



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