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KORG Nutubeでギターペダル設計(3): PCB Computer Aided Design

 

 

ギターペダルスタイルのアンプを作成するシリーズの第三回目だ。前回の第2回では、ブレッドボードプロトタイプを作成した。それに続きCADに回路設計について行う。

Computer-Aided Design

長い間、粘着テープとペンを用いて基板を描く時代であった。これは過去のやり方で、現代の方法はコンピュータプログラムを使用して回路図を作成し、この回路図からプリント基板を設計する。あなたが好きなワードアプリのように、現在たくさんの種類のCADが存在する。

CADの中には目玉が飛び出るような高価で十分な量のトレーニングや経験が必要なものも存在する。練習が必要だが、使いやすい無用なソフトウェアもある。今回は無料のDesignSpark PCBを使用する。

長年、かなりの数のCADソフトを使用していたので、だいたいのCADがほとんど同じようなシステム、操作であるとわかっているがDesignSparkPCBも全く変わっておらず、使い慣れた直観的な感じがする。また知識のギャップを埋めるのに役立つ優れたチュートリアルも用意されている。

ほとんどのCADと同様に、回路図キャプチャ、パーツ作成、最終レイアウトなどのいくつかの段階を経なければならない。

パーツ作成

優れた特徴の1つとして、フットプリントとシンボルがRSカタログで提供され、また存在しないフットプリントを作成するのに役立つシステムがある。以下がその例だ。LM317Tの部品またはフットプリントがないため、DesignSpark PCBをhttp://rs.componentsearchengine.com/にリンクして、回路図とレイアウトシンボル/フットプリントの両方を作成しました。

 

上にあるように、利用可能な部品がいくつかある。LM317Tに適合させたい場合は、build/request をクリックしてガイドに従って、数分以内に部品を与える。

この点については、これが大きな特徴であるが、これらの部品の多くは未確認であり、したがって完全にエラーであることは保証されていない。これは独特のものではなく、未知の図書館にも当てはまり、たとえ最も高価なCADパッケージであってもそうだ。だから、どんなCADライブラリでも自身で作ったものもよく検証すること。

カスタムまたは特定のCAD部品が必要な場合は、ゼロから作成する他はない。いくつかのチュートリアルがあり、一度やり方が分かれば、素晴らしいCAD部品を作ることができる。

回路図

このシリーズの前の記事を読んだことがあれば、以前示した回路図はCADソフトからのもので、DesignSpark PCBで作成されたものと気づいたかもしれません。優れたチュートリアルがあるので、パッケージの使用方法とその結果を取り上げることにする。

まずは電源が必要だ。設計において、12Vのブリック電源を使用することにした。これは9Vのバッテリは長くはもたないしまたは18〜24Vはラップトップ電源に使われるかもしれないからだ。設計した回路中はDC40Vまで動作するが、使用する部品に上限があり、電解コンデンサの過電圧による事故に気を付けて、コンデンサを注意深く選択する。前回議論した電圧が高くなるレギュレータが暑くなるというもう一つの注意点もある。

 

また、電源入力に小さなCLCフィルタを追加した。逆電圧保護用に大きなダイオードを使用すると、外部ヒューズまたはプラグトップ/パワーブリックの電流制限に依存するが、誤った電源を逆に繋げた時に真空管を守ることできる。ヒューズなしの12Vバッテリでの使用はお勧めしない。

入力回路は複雑に見えるがDNI(Do not Insert)を無視すると、10kでバッファされるバイアスの前には、コンデンサC1と10kの直列インピーダンスとR22がつながれている。これらの10k抵抗は、ポテンショメータ(oΩに近い値)による可変電源に対して電流制限する。

私たちはソースを別のペダル、したがって低インピーダンスと仮定して、バッファを残したが、高インピーダンス入力を持たせたい場合は、インピーダンスバッファに合わせること。

 

(ゲインを追加するため)アンプをカスケード接続するために、インピーダンスバッファを追加した。Nutubeは高い出力インピーダンスを持っているため、インピーダンスを低くしなければ2番目のNutubeを駆動するのに苦労する。

先に3つのコントロールポットを追加した。このポットは、可変抵抗器のように機能して、2つのアンプを用いて約5〜25倍の利得を得ることができる。

出力の低インピーダンスを保証するもう一つのインピーダンスバッファで、菅によるバイアスを除去するACカップリングがある。これは2つの調整コントロールによるR24の出力インピーダンス調整抵抗によるものだ。

最初のコントロールはRCフィルタでHFをさまざまな周波数で取り除くことができる。R14が100kの場合、トーン回路からの影響はほとんどないが、R14が低下するとトーン回路がより支配的になり、出力をより減衰させる。C18を変更することで、このロールオフを調整することができ、C18が小さいほどエフェクトが支配的になる前の周波数が高くなる。

最後に、1/11から11/1に出力を効果的に分割するボリュームコントロールだ。ワイパーがR13のピン1にあるとき、出力は110k〜gndと10kのソースインピーダンスとなる。ワイパーがピン3にあるとき、出力は110kのソースインピーダンスと10kからgndとなる。

CAD レイアウト

CADレイアウトには多くの方法と落とし穴があり、各エンジニアは独自の方法とスタイルを持っている。成功への鍵は、始める前に間取り図を正しく作成することだ。すべてがどこに向かうのかが分かり、CADレイアウトを簡単にすることができる。「rats nest」の使用は助けになるかもしれませんが、最初のデザインは大変なことになる。

最初に行うべきことは、ボードがどこに作られるかを考えること。これは、レイヤー、トラックとギャップのパーツ、および使用されるビアに影響するためだ。異なるPCB製造業者では能力や扱える技術が異なるため、これは無視してはならない重要なステップだ。

ルーティングの前にすべてのものを配置するのは、小さなボードにとっては良い戦略だ。時にはこれは不可能となるが助けになることもある。

一般的にデザインで見逃している別の要素は、おそらく、最も重要なすべてのGNDと電源の配線だ。それはしばしば後付けや細い配線で配置されるが、GND面のインピーダンスは、システム・ノイズを下げ、またアンプの場合はアンプからノイズを取り除くために重要である。PCBの第2層をできる限りグラウンドに割り当て、これにより、すべてが共通化され、ノイズは低く抑えられる。

上記の設計は、信頼性が高く低インピーダンスの電源を供給するために、これらの銅領域を広範囲に使用している。しかし、これらのランドは設計に多大な複雑さを加え、レイアウトや部品配置の際にいくつかの幅広い考え方を必要とするため、注意が必要だ。ヨークシャーが生まれ育った私たちの心の近くには、副次的な利点があります。エッチングされる銅が少なく、銅の割合が多いボードでは無駄が少なくなる。

PCBの注文

部品を配置し配線が終われば、あとやるべきことは3つ:

  • 必要なフォーマットで製造ファイルを作成する
  • ガーバーデータを含むすべてを再度チェック
  • これらのファイルをPCB製造業者に提出する。(DesignSpark PCBに便利なリンクが存在する)

Next Steps

PCBの注文、BOM(部品表)をキット化する必要がある。DesignSpark PCBにはこのためのリンクがあり、部品が正しくセットアップされている場合は、PCBパッケージから直接注文することが可能だ。

次回はこのPCBを構築し、回路が動作することを確認する。

Karl Woodward

Karl is a design engineer with over a decade of experience in high speed digital design and technical project leadership in the commercial electronics sector.