⚡ Passive Design / 受動部品設計
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📑 目次 / Table of Contents
- 概要 / Overview
- 設計ゴール / Design Targets
- 受動部品の寄生成分 / Parasitics
- 配置と配線 / Placement & Routing
- 高周波・高速設計 / RF & High-Speed Considerations
- 熱設計と信頼性 / Thermal & Reliability
- モデル化とシミュレーション / Modeling & Simulation
- 学習目標 / Learning Goals
- 関連リンク / Related Links
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🏗 概要 / Overview
受動部品（抵抗 R、コンデンサ C、インダクタ L）は PCB 設計における最小構成要素ですが、寄生成分や実装条件によって性能が大きく変化します。
Resistors, capacitors, and inductors are fundamental building blocks, but their real-world behavior strongly depends on parasitics and implementation.
適切な設計ができなければ、SI/PI/EMC の劣化や熱問題を引き起こし、システム信頼性に直結します。
🎯 設計ゴール / Design Targets
- SI/PIの安定化: インピーダンス制御とデカップリング設計
Stabilize SI/PI with impedance control and decoupling - 寄生成分の抑制: ESL, ESR, stray C の最小化
Minimize parasitics such as ESL, ESR, stray capacitance - 熱負荷耐性: 定格電力・温度上昇を抑える配置
Maintain rated power and minimize thermal rise - 長期信頼性: DC bias / aging / 環境条件を考慮
Consider DC bias, aging, and environmental stresses
🧮 受動部品の寄生成分 / Parasitics
| 部品 / Component | 主な寄生要素 / Parasitics | 影響 / Impact | |——————|————————–|—————-| | 抵抗 (R) | ESL, stray C | GHz帯でインピーダンス不安定 | | コンデンサ (C) | ESR, ESL, DC bias効果 | デカップリング効果低下 | | インダクタ (L) | 直流抵抗 DCR、コア損失、分布C | 飽和・高周波損失 |
- 直列モデル近似:
コンデンサ実デバイスは
\(Z(j\omega) \approx ESR + j\omega L_{ESL} + \frac{1}{j\omega C}\)
で表現され、周波数で最適動作点が変化します。
🧩 配置と配線 / Placement & Routing
- 抵抗：終端抵抗はクロック/高速I/Oにてソース直近へ。
Termination resistors placed near source for clocks/high-speed I/O. - コンデンサ：IC電源ピン直近、多Via接続で低インダクタンス化。
Place decoupling capacitors close to IC power pins with multiple vias. - インダクタ：フィルタ回路は電源ラインに直列配置、ループ面積を最小化。
Inductors in filters placed in series with minimized loop area.
📡 高周波・高速設計 / RF & High-Speed Considerations
- デカップリングネットワーク: 0.1 µF + 1 µF + 10 µF の並列で広帯域化。
Use multiple capacitors in parallel for broadband decoupling. - 配線長: 1/20 λ 以上で寄生インダクタンス無視不可。
Above 1/20 λ, trace inductance significantly affects behavior. - フィルタ設計: LC共振周波数 $f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ を明示的に管理。
Filter cutoff defined by LC resonance frequency.
🌡 熱設計と信頼性 / Thermal & Reliability
- 抵抗器: 定格電力の 50–70% 以下で設計。
Design resistors below 50–70% of rated power. - コンデンサ: セラミック MLCC は DC バイアスで容量が 20–60% 減少。
MLCC capacitance drops 20–60% under DC bias. - インダクタ: 飽和電流 ($I_{sat}$) と温度上昇 ($ΔT$) を同時考慮。
Evaluate inductors for both saturation current and thermal rise.
🔍 モデル化とシミュレーション / Modeling & Simulation
- 等価回路モデル (RLC) を用いた SPICE シミュレーション。
- Sパラメータ（メーカー提供 Touchstoneファイル）を活用。
- 3D EM シミュレーションで高周波寄生を評価。
Use RLC equivalent circuits, S-parameters, and EM solvers for accuracy.
🎯 学習目標 / Learning Goals
- 部品寄生を考慮した正確な設計ができる。
Design with awareness of parasitics. - 配置・配線と高周波挙動の関係を理解できる。
Understand placement/routing vs RF behavior. - 熱・信頼性を含めた統合設計が可能になる。
Perform integrated design including thermal & reliability aspects.
🔗 関連リンク / Related Links
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| 📘 Resistors | 抵抗器の種類と特性 Types and characteristics of resistors |
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| 📗 Capacitors | コンデンサの種類と特性 Types and characteristics of capacitors |
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| 📙 Inductors | インダクタの種類と特性 Types and characteristics of inductors |
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