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電気工学では、回路設計のプロセスは、複雑な電子システムから集積回路内の個々のトランジスタに至るまで、幅広いシステムを網羅することができます。単純な回路であれば、計画的または構造化された設計プロセスを必要とせずに、1人で設計プロセスを実行できる場合がよくあります。しかし、より複雑な設計では、インテリジェントにガイドされたコンピュータシミュレーションを用いた体系的なアプローチに従う設計者チームがますます一般的になっています。集積回路設計自動化では、「回路設計」という用語は、集積回路の回路図を出力する設計サイクルのステップを指すことがよくあります。通常、これは論理設計と物理設計の間のステップです。[ 1 ]
従来の回路設計は通常、複数の段階を経て行われます。顧客との協議を経て設計仕様書が作成されることがあり、その仕様を満たすための技術提案書が作成される場合もあります。次の段階では、仕様を満たす抽象的な電気回路または電子回路である回路図を紙上に作成します。指定された条件下で動作仕様を満たすための部品値の計算を行う必要があります。設計の妥当性を検証するためにシミュレーションを実行することもあります。
仕様との照合テストのために、ブレッドボードなどのプロトタイプ版が製作される場合があります。これには、仕様に適合させるために回路に変更を加えることが含まれる場合があります。製作方法、使用するすべての部品と材料を選択する必要があります。プロトタイプ製作のために、部品とレイアウト情報が製図担当者、レイアウトエンジニア、機械エンジニアに提示されます。その後、顧客の要求事項に適合していることを確認するために、複数のプロトタイプのテストまたは型式テストが行われます。通常、最終的な製造図面に署名と承認が行われ、設計後のサービス（部品の陳腐化など）が行われる場合もあります。
回路設計のプロセスは仕様書から始まります。仕様書には完成した設計が提供しなければならない機能が記載されていますが、その実現方法は示されていません。[ 2 ] 初期仕様書は、顧客が完成した回路に達成させたいことを技術的に詳細に記述したもので、回路が受信する信号、出力しなければならない信号、利用可能な電源、許容される消費電力など、さまざまな電気的要件が含まれる場合があります。仕様書には、サイズ、重量、耐湿性、温度範囲、熱出力、耐振動性、耐加速度性など、設計が満たさなければならない物理的パラメータの一部も設定できます（通常は設定されています）。[ 3 ]
設計プロセスが進むにつれて、設計者は仕様書を頻繁に見直し、設計の進捗状況に合わせて変更を加えます。これには、顧客から提供された仕様をより厳密にしたり、回路が合格しなければならないテストを追加したりすることが含まれます。これらの追加仕様は、設計の検証によく使用されます。顧客の元の仕様と矛盾したり、変更を加えたりする変更は、実施する前にほぼ必ず顧客の承認を得る必要があります。
顧客のニーズを正しく特定することで、「設計の肥大化」と呼ばれる状態を回避できます。これは、現実的な初期期待がないために発生し、その後、設計プロセス中にクライアントと十分にコミュニケーションを取らない場合に発生します。その結果は、「一方の極端には必要以上の機能を持つ回路があり、もう一方の極端には間違った機能を持つ回路がある」と定義できます。[ 4 ]ただし、いくつかの変更は想定されます。余分な要素を後から回路から削除する方が追加するよりも簡単なので、できるだけ長くオプションをオープンにしておくのが良い方法です。
設計プロセスでは、まず仕様から始めて、最終的に物理的に構築するために必要なすべての情報を含む計画へと進みます。これは通常、いくつかの段階を経て行われますが、単純な回路の場合は、1 つのステップで完了することもあります。[ 5 ] このプロセスは通常、仕様を回路が実行しなければならないさまざまな機能のブロック図に変換することから始まります。この段階では、各ブロックの内容は考慮されず、各ブロックが何をしなければならないかだけが考慮されます。これは「ブラックボックス」設計と呼ばれることもあります。このアプローチにより、非常に複雑なタスクを、順番に処理するか、設計チームのメンバー間で分割して、より小さなタスクに分割することができます。
次に、各ブロックは、まだ抽象的な段階ではあるものの、提供される電気機能の詳細に重点を置きながら、より詳細に検討されます。この段階またはそれ以降の段階では、何が可能で何が不可能かについて、大量の調査や数理モデル化が必要になるのが一般的です。 [ 6 ] この調査結果は、設計プロセスのより早い段階にフィードバックされることがあります。たとえば、ブロックの1つが設定されたパラメータ内で設計できないことが判明した場合、代わりに他のブロックを変更する必要があるかもしれません。この時点で、設計が仕様を満たしていることをどのように実証するか、そしてどのようにテストするか（自己診断ツールを含む）を検討し始めるのも一般的です。[ 7 ]
最後に、全体設計における各機能を実行するために個々の回路部品が選択されます。この段階で、各部品の物理的な配置と電気的な接続も決定され、この配置は通常、プリント基板または集積回路の製造のための図面という形をとります。利用可能な選択肢が非常に多いため、この段階は通常、非常に時間がかかります。この段階での設計における実際的な制約は標準化です。同時に、回路内の特定の場所で使用する部品の特定の値が計算される場合があります。その値がサプライヤーから購入できない場合、問題はまだ解決されていません。これを回避するため、全体設計内のより日常的なタスクを解決するために、ある程度の「カタログエンジニアリング」を適用することができます。
一般的に、回路設計フローの原則には、アーキテクチャ範囲の定義、材料の選択、回路図の作成、電源と信号の完全性を考慮したPCBレイアウト設計、テストと検証などが含まれますが、これらに限定されません。[ 8 ]
一般的に、回路設計のコストは最終的な回路の複雑さに直接関係します。複雑さが増すほど（部品の数と設計の斬新さ）、機能する製品を作成するために熟練したエンジニアの時間をより多く必要とします。このプロセスは、細かな詳細や機能の作成に時間、材料、人員をどれだけ必要とするかによって、面倒なものになる可能性があります。トランジスタのサイズやコーデックの変更の影響を考慮する場合などです。[ 9 ]フレキシブルエレクトロニクスの世界では、広く使用されているポリイミド基板をPENやPETなどの材料に置き換えてフレキシブルエレクトロニクスを製造すると、コストを5～10分の1に削減できます。[ 10 ]
回路の設計コストは、回路の生産コストと機能が回路の設計に大きく依存するため、ほとんどの場合、単位当たりの生産コストよりもはるかに高くなります。[ 11 ]
一般的なPCB製造方法は切削加工ですが、3Dプリンターを使用してPCBを「印刷」するなど、積層造形プロセスを使用する方法もあります。この方法は積層造形よりもコストが低く、廃棄物管理の必要性を完全に排除できると考えられています。[ 12 ]
回路設計が完了したら、検証とテストの両方を実施する必要があります。検証とは、設計の各段階を順に確認し、仕様で要求される動作を確実に実行するプロセスです。これは多くの場合、高度な数学的手法を要し、設計の大規模なコンピュータシミュレーションを伴うこともあります。複雑な設計では、この段階で問題が見つかる可能性が高く、その修正のために設計作業の大部分をやり直す必要が生じる場合もあります。
テストは検証の現実世界における対応物であり、設計のプロトタイプを物理的に構築し、その後（仕様書に記載されている、または仕様書に追加されたテスト手順と組み合わせて）回路が設計どおりに動作するかどうかを確認することを含む。
回路設計の複雑なプロセスにおいて、プロトタイピングは重要な役割を果たします。この反復プロセスでは、継続的な改良とエラーの修正が行われます。回路設計は要求が厳しく、エラーを避けるために細部にまで細心の注意を払う必要があります。回路設計者は、設計が消費者の使用に適していると判断される前に、設計の効率性と安全性を確保するために複数のテストを実施する必要があります。[ 13 ]
試作は、その精密かつ綿密な性質ゆえに、電気工事において不可欠な要素です。試作を行わないと、最終製品に不具合が生じる可能性があります。電気回路の設計に関する専門知識に対して報酬を得ている回路設計者は、これらの回路を購入して家庭で使用する消費者の安全を確保する責任を負っています。
試作プロセスを怠り、欠陥のある電気回路をリリースすることに伴うリスクは重大です。これらのリスクには、火災や過熱した配線が発生する可能性があり、予期しない人々に火傷や重傷を負わせる可能性があります。[ 13 ]
すべての電気回路は、最終的にどのように組み立てられるかを示す回路基板シミュレーターから始まり、回路が仮想的にどのように動作するかを示します。[ 14 ]設計図は、技術設計と最終製品の図面です。これがすべて完了し、設計図を使用して回路を組み立てると、非常に印象的な電気回路の結果が得られます。回路は、掃除機から映画館の大型テレビまで、あらゆるものを動かします。これらすべてには長い時間と、誰もが習得できるわけではない特定のスキルが必要です。電気回路は、私たちの日常生活で必要なもののほとんどです。
商用設計には通常、ドキュメントの要素も含まれます。このドキュメントの具体的な内容は、回路の規模と複雑さ、および使用される国によって異なります。最低限、ドキュメントには通常、設計の仕様とテスト手順、および現行規制への準拠に関する声明が含まれます。EUでは、この最後の項目は通常、準拠した欧州指令を列挙し、準拠の責任者を指名するCE宣言の形式をとります。 [ 15 ]