Parazitární extrakce

Parazitární extrakce je klíčovým procesem elektronického designu. Zahrnuje identifikaci a kvantifikaci nezamýšlených, neideálních elektrických komponent, které se přirozeně vyskytují v návrzích obvodů kvůli jejich fyzické konfiguraci a interakci s prostředím. Tyto nežádoucí složky, známé jako parazitika, obvykle zahrnují parazitickou kapacitu, odpor a indukčnost. Tento proces zahrnuje podrobnou analýzu často prováděnou sofistikovanými softwarovými nástroji schopnými modelovat a simulovat elektromagnetické chování obvodu. Tyto nástroje předpovídají, jak mohou paraziti ovlivnit výkon obvodu, včetně jejich účinků na integritu signálu, načasování, spotřebu energie a celkovou funkčnost.

Související produkty: Calibre xRC, Parazitární extrakce Calibre xACT, Kalibre xL Extrakce, Kalibre xACT 3D Parazitární extrakce

Obvodové prvky

Tato část představuje základní prvky obvodu spolu s příkladem jejich funkčnosti a aplikací. Mezi základní prvky obvodu patří:

Kapacita:

Kapacita je schopnost systému ukládat elektrický náboj, když existuje potenciální rozdíl mezi dvěma vodiči v systému. V praktických obvodech je tato vlastnost vykazována komponentou zvanou kondenzátor. Kondenzátory se skládají ze dvou nebo více vodivých desek oddělených izolačním materiálem nebo dielektrikem.

• Funkčnost: Kondenzátory ukládají elektrickou energii přímo jako elektrostatické pole mezi deskami. Uvolňují energii vybitím uloženého náboje, když to obvod vyžaduje.
• Aplikace: Běžně se používají jako jednotky pro ukládání energie, fungují také ve filtračních aplikacích, kde vyhlazují kolísání napětí, při ladění rezonančních obvodů a při řízení toku energie v elektronických zařízeních.

Indukčnost:

Indukčnost je vlastnost elektrického vodiče, kterým změna proudu, který jím protéká, indukuje elektromotorickou sílu (napětí) jak v samotném vodiči (samoindukčnost), tak v jakýchkoli blízkých vodičích (vzájemná indukčnost). Induktory jsou součásti obvodu, které vykazují indukčnost, obvykle sestávající z cívky vodivého drátu.

• Funkčnost: Induktory odolávají změnám proudu, který jimi prochází. Ukládají energii ve formě magnetického pole, když jimi protéká proud.
• Aplikace: Tyto induktory se používají ve filtrech, transformátorech a regulaci napájení pro řízení kolísavých napětí.

Odpor:

Odpor je vlastnost materiálu, který brání toku elektrického proudu. Inherentní atribut materiálů, který způsobuje, že se staví proti toku elektronů. Rezistory jsou komponenty používané v obvodech k zajištění specifického odporu.

• Funkčnost: Rezistory přeměňují elektrickou energii na teplo, jak prochází proud. Regulují tok elektrických nábojů nebo upravují úrovně signálu mimo jiné použití.
• Aplikace: „Rezistory se široce používají k omezení proudu, dělení napětí a tahování/stahovací uzly v obvodech.

Obecné spojení v obvodech lze shrnout do dvou kategorií, a to:

Sériové připojení: Sériové připojení je takové, ve kterém jsou komponenty připojeny od začátku do konce, takže nesou stejný proud, ale napětí na každém se může lišit. Celkový odpor v sérii se rovná součtu jednotlivých odporů.

Paralelní připojení: Paralelní spojení je spojení, ve kterém jsou komponenty spojeny přes stejné dva body, nesoucí potenciálně odlišné proudy, ale podléhají stejnému napětí. Souběžně se snižují odpory a indukčnosti, zatímco kapacity se zvyšují, jak se přidává více komponent.

Pochopení a manipulace s těmito elementárními vlastnostmi umožňuje inženýrům vytvářet obvody s požadovaným chováním, dosáhnout specifických reakcí a zajistit stabilitu a účinnost v elektronických aplikacích. Tvoří základní základ, ze kterého se vyvíjejí složité elektronické systémy.

Parazitické prvky

Parazitické prvky se projevují jako neúmyslné komponenty, které se objevují v důsledku inherentních fyzikálních atributů konstrukce obvodů. Patří mezi ně:

Parazitická kapacita: K tomu dochází, když sousední vodiče neúmyslně vytvoří kapacitní efekt a neúmyslně ukládají elektrickou energii.

Parazitická indukčnost: Tento jev vzniká, když smyčky obvodů neúmyslně fungují jako elektromagnety, což ovlivňuje tok proudu obvodu.

Parazitární odolnost: To je přítomno, když části obvodu zavádějí nežádoucí odpor vůči elektrickému toku, analogicky pohybu bránícího tření.

Zleva doprava: Reprezentace parazitické kapacity, parazitární indukčnosti a parazitické rezistence.

Nástroje pro extrakci parazitů založené na pravidlech

Nástroje pro extrakci parazitů založené na pravidlech používají k odhadu parazitických účinků předdefinovaná pravidla a algoritmy založené na geometrických a elektrických vlastnostech. Tyto nástroje fungují použitím jednoduchých geometrických parametrů (např. Šířka, rozteč) a informací o připojení k rychlému odhadu parazitů. Pravidla jsou odvozena z empirických dat a základních elektrických principů. Hlavní výhodou je rychlost. Tyto nástroje vyžadují menší výpočetní výkon a mohou rychle zpracovat velké obvody, což je činí ideálními pro předběžné kontroly a méně složité návrhy. Nástroje založené na pravidlech obvykle postrádají přesnost pro vysokofrekvenční nebo velmi pokročilé návrhy polovodičů, kde je neideální chování kritičtější. Vhodnější pro rané fáze návrhu nebo méně kritické aplikace, kde jsou prioritou vysoká rychlost a nižší výpočetní náklady, ale s nižší přesností.

Příklady nástrojů: Calibre XRC a Calibre xACT společnosti Siemens.

Nástroje pro parazitickou extrakci polních řešitelů

Nástroje pro řešení polí jsou založeny na řešení Maxwellových rovnic pro simulaci elektromagnetických polí a odvození přesných parazitických hodnot. Tyto řešiče berou v úvahu 3D strukturu rozvržení a jeho materiálové vlastnosti. Obecně používají numerické metody, jako je metoda konečných prvků (FEM), metoda hraničních prvků (BEM) nebo metoda konečných rozdílů (FDM) k dosažení vysoce přesných parazitických odhadů. Takové nástroje nabízejí vysokou přesnost, zvláště významnou u vysokofrekvenčních návrhů a složitých geometrií, kde jsou parazitární efekty netriviální. To je však na úkor vysokých výpočetních nákladů a delší doby běhu jsou klíčovými omezeními, což může být překážkou v některých návrhových procesech. Nezbytné pro pokročilé aplikace (jako jsou návrhy RF, analogových a smíšených signálů), kde přesnost a podrobné parazitární efekty jsou rozhodující, i když za vyšší výpočetní náklady.

Příklady nástrojů: Calibre xL a Calibre xACT 3D společnosti Siemens.