「電磁結合 」とは何ですか？

電磁干渉（EMI）は、電気と磁気が密接に関連しているために発生します。電磁波は、互いに直交して伝わる電波と磁波から構成されています。それぞれの成分は、周波数、電圧、電流、距離に対して異なる反応を示しますが、近年の電子システムの設計技術の進歩に伴い、干渉の原因としては主に電界の要因が挙げられます。

また、高周波域ではすべての導体がアンテナとして機能するため、EMIが発生することもあります。導線の長さが、その導線が伝送する信号周波数の波長の半分に近づくと、その導線はかなりの量の電磁エネルギーを放射し始めます。したがって、低周波数では、かなりの量の電磁放射が発生するには、導線がかなり長くなければなりません。 しかし、高周波数では、ごく短い導線であってもアンテナとして機能します。トランジスタのスイッチング速度が向上するにつれて、電磁結合 の発生確率が高まり、トランジスタが電磁ノイズの主な発生源となります。チップの機能性と性能を確保するためには、放射される信号が許容レベル以下である必要があります。

EMI結合の原因を特定するには、発生源から受信機へとどのように結合されるかを理解することが最も重要です。EMI結合には、伝導、放射、容量結合、および誘導結合の4つの方法があります。

設計において、発生源と受信機を接続する導線や電気経路に沿ってEMIが放射される場合、これは導電結合と見なされます。 導電結合は、配電線上でよく発生します。導電結合は、接続方法に応じて、コモンモード伝導またはディファレンシャルモード伝導のいずれかとなります。例えば、キッチンのミキサーのスイッチを入れると、テレビ画面にノイズが発生することがありますが、これは両者が同じ電源ラインに接続されているためです。導電結合に対する最も効果的な対策は、配線をシールドし、フィルタを使用することです。

放射によるEMIは、発生源と受信機との間に物理的な接続を必要としません。放射結合は通常、高周波数域で発生し、高周波で動作する回路から不要な電磁信号が放射され、その近くにある別のチップや回路によって受信されるものです。例えば、飛行機で離陸や着陸をする際、電子機器からの電磁放射が飛行機の電子機器やシステムに干渉する可能性があるため、電子機器の電源を切るよう求められます。 放射結合は、正常な動作を妨げたり、誤動作を引き起こしたりする可能性があります。

電界成分は容量結合の原因となり、一方、磁界は誘導結合の原因となります。容量結合は、2つの導体が互いに非常に近い距離を走っている場合に発生します。ソース側の電圧変動により、電荷が容量結合を通じてビクトム側の導体へと転送されます。これは主に、電子回路が密集して配置されているチップ上で、配線が密接に走っている信号において発生します。

誘導結合は、発生源によって生成される磁場が、影響を受ける導体の周囲に及ぼす作用に依存する。磁場の変化により、近くの導体に不要な電流が誘導される。誘導結合は、2つの回路要素が互いに近接しているが、直接接続されていない場合に発生する。しかし、特に発生源を囲む導電性のリングを用いることで、はるかに長距離にわたる誘導結合も可能となる。

トランスとインダクタ： 電磁結合 は、あらゆる電子回路におけるトランスやインダクタの動作の基礎となるものです。トランスは、電圧の調整や異なる回路間の電力伝送を可能にし、一方、インダクタは磁界にエネルギーを蓄積し、不要な周波数を除去します。

データ転送：電磁結合 は、近距離無線通信（NFC）や誘導式データ転送などの技術に利用されており、迅速かつ安全なデータ交換を可能にしています。

誘導充電： 電磁結合 は、スマートフォンやその他の電子機器用のワイヤレス充電パッドなど、誘導充電システムに利用されています。

クロストーク：互いに並行して伝送される信号間の不要な電磁結合 は、クロストークと呼ばれます。これによりシグナル・インテグリティ が生じ、データの破損や回路性能の低下を招くことがあります。

ノイズと干渉： 電磁結合 は、高感度な回路に不要なノイズや干渉を引き起こす可能性があります。デジタル回路によるノイズの発生は、アナログ部への干渉を引き起こし、回路全体の性能に深刻なリスクをもたらす恐れがあります。この干渉により信号品質が低下し、IC内部でエラーや誤動作が発生する可能性があります。

シグナル・インテグリティ 課題：高周波信号は特に電磁結合 の影響を受けやすく、その結果、シグナル・インテグリティ 反射、リンギング、減衰などの問題が生じます。これにより、IC全体の信頼性や性能に影響を及ぼす可能性があります。

ICからの放射： 電磁結合 により、ICから電磁放射が発生する可能性があります。これにより、付近にある他の電子機器やシステムに対して電磁干渉（EMI）を引き起こし、電磁両立性（EMC）規格への準拠上の問題が生じる恐れがあります。 

EMIへの感受性：集積回路は、その小型化と高集積化のため、外部からの電磁干渉の影響を受けやすい。これにより、ICの誤動作や動作障害が生じる可能性がある。

ここ数年の電子技術の急速な発展により、設計者はコンパクトで効率的、かつ極めて高速なチップ設計を求められています。これにより、チップ設計者には大きな課題が生じており、その一つがEMIの問題です。EMIはチップの性能と信頼性に直接影響を及ぼします。EMIのうち、電界（E-field）が、回路間の不要な信号の結合の主な原因となっています。

チップ設計において電磁結合 の影響を軽減するため、設計者はさまざまな手法を採用しています。RF ICなどの高速チップにおける電磁干渉を回避するための一般的な手法の一つが、シールドです。 シールドは電界を吸収または遮断し、不要な信号がトランジスタ、アンテナ、その他の能動素子といった感度の高い回路要素と相互作用するのを防ぎます。シールドの実装方法には、導電性材料で作られた筐体の使用や、回路基板内の層として導電性材料を使用する方法など、さまざまな方法があります。

電磁結合 を軽減するためのもう1つの手法は、あらかじめ定義された高速レイアウト手法と高度なシミュレーション手法を活用することです。チップは極めて高速に設計され、高データレートの信号を使用するため、これらの手法だけでは電磁両立性（EMC）を確保するには不十分です。高度なシミュレーション手法を用いて、集積回路の電磁結合 挙動を予測することが重要です。 シノプシス は、インダクタを合成し、RF ICのEMI挙動を予測してサインオフを行うことができる、包括的な電磁界シミュレーションツールスイートを提供しています。これらのツールの自動化およびモデリング機能により、設計者はより高速なデータレートで、より高い精度をもって設計を行うことが可能になります。

電磁結合 これは、電子回路の性能や信頼性に影響を及ぼす可能性があるため、最先端の高速チップ設計において重要な課題です。レイアウトガイドラインに従い、シールドやフィルタなどのデバイスを使用することは常に重要ですが、実環境におけるその挙動を予測するには、シミュレーションツールの活用が不可欠です。 シノプシス は、EMIを解析するための業界最高水準の技術を提供し、対象となるアプリケーションの性能および信頼性要件を満たす高品質なチップの製造を実現します。 

電磁結合 の原理を理解し、その影響を軽減するための効果的な手法を導入することで、チップ設計者は、信頼性高く動作し、所望の性能レベルを達成できる回路を設計することができる。

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