Parasitaire extractie

Parasitaire extractie is een belangrijk proces in elektronisch ontwerp. Het omvat het identificeren en kwantificeren van onbedoelde, niet-ideale elektrische componenten die van nature voorkomen in circuitontwerpen vanwege hun fysieke configuratie en interactie met hun omgeving. Deze ongewenste componenten, bekend als parasieten, omvatten doorgaans parasitaire capaciteit, resistentie en inductie. Het proces omvat een gedetailleerde analyse, vaak uitgevoerd met geavanceerde softwaretools waarmee het elektromagnetische gedrag van een circuit kan worden gemodelleerd en gesimuleerd. Deze instrumenten voorspellen hoe parasieten de prestaties van circuits kunnen beïnvloeden, met inbegrip van hun effecten op de signaalintegriteit, de timing, het stroomverbruik en de algemene functionaliteit.

Gerelateerde producten: Calibre xRc, Calibre xAct: Parasitaire extractie, Calibre xL Extractie, Calibre xAct 3D parasitaire extractie

Circuitelementen

In dit gedeelte worden de basiselementen van het circuit beschreven, samen met een voorbeeld van hun functionaliteit en toepassingen. De basiselementen van het circuit omvatten:

Capaciteit:

Capaciteit is het vermogen van een systeem om een elektrische lading op te slaan wanneer er een potentiaalverschil bestaat tussen twee geleiders in het systeem. In praktische schakelingen komt deze eigenschap tot uiting in een component die een condensator wordt genoemd. Condensatoren bestaan uit twee of meer geleidende platen, gescheiden door isolatiemateriaal of diëlektricum.

• Functionaliteit: Condensatoren slaan elektrische energie rechtstreeks op in de vorm van een elektrostatisch veld tussen de platen. Ze geven energie vrij door de opgeslagen lading te ontladen wanneer het circuit dat nodig heeft.
• Toepassingen: Ze worden vaak gebruikt als energieopslageenheden, maar ze functioneren ook in filtertoepassingen waarbij ze spanningsschommelingen wegwerken, bij het afstemmen van resonantiecircuits en bij het beheren van de stroomtoevoer in elektronische apparaten.

Inductie:

Inductie is een eigenschap van een elektrische geleider waarbij een verandering in de stroom die erdoorheen stroomt een elektromotorische kracht (spanning) induceert in zowel de geleider zelf (zelfinductie) als in eventuele geleiders in de buurt (wederzijdse inductie). Inductoren zijn de componenten van het circuit die inductie vertonen, meestal bestaande uit een spoel of geleidende draad.

• Functionaliteit: Inductoren zijn bestand tegen veranderingen in de stroom die er doorheen gaat. Ze slaan energie op in de vorm van een magnetisch veld wanneer er stroom doorheen stroomt.
• Toepassingen: Deze inductoren worden gebruikt in filters, transformatoren en voor de regeling van de stroomvoorziening om fluctuerende spanningen te beheersen.

Verzet:

Weerstand is een eigenschap van een materiaal die de stroom van elektrische stroom belemmert. Een inherente eigenschap van materialen die ervoor zorgt dat ze zich verzetten tegen de stroom van elektronen. Weerstanden zijn de componenten die in circuits worden gebruikt om een specifieke weerstand te bieden.

• Functionaliteit: Weerstanden zetten elektrische energie om in warmte als er stroom doorheen gaat. Ze regelen onder andere de stroom van elektrische ladingen of passen de signaalniveaus aan.
• Toepassingen: „Weerstanden worden veel gebruikt om stroom te beperken, spanningen te verdelen en pullup-/pull-down-knooppunten in circuits.

De algemene aansluiting in circuits kan worden samengevat in twee categorieën, namelijk:

Serieschakeling: Een serieschakeling is een verbinding waarbij de componenten van begin tot eind met elkaar verbonden zijn, zodat ze dezelfde stroom voeren, maar de spanning over elke verbinding kan verschillen. De totale weerstand in een reeks is gelijk aan de som van de individuele weerstanden.

Parallelle aansluiting: Een parallelle verbinding is een verbinding waarbij de componenten over dezelfde twee punten zijn verbonden, waarbij potentieel verschillende stromen worden geleid, maar onder dezelfde spanning staat. Tegelijkertijd nemen de weerstanden en inductanties af, terwijl de capaciteit toeneemt naarmate er meer componenten worden toegevoegd.

Door deze elementaire eigenschappen te begrijpen en te manipuleren, kunnen ingenieurs circuits maken met het gewenste gedrag, specifieke reacties bereiken en zorgen voor stabiliteit en efficiëntie in elektronische toepassingen. Ze vormen de basis voor de ontwikkeling van complexe elektronische systemen.

Parasitaire elementen

Parasitaire elementen manifesteren zich als onbedoelde componenten die ontstaan als gevolg van de inherente fysieke eigenschappen van het bouwen van circuits. Deze omvatten:

Parasitaire capaciteit: Dit gebeurt wanneer aangrenzende geleiders onbedoeld een capacitief effect creëren, waarbij elektrische energie onbedoeld wordt opgeslagen.

Parasitaire inductie: Dit verschijnsel doet zich voor wanneer circuitlussen onbedoeld als elektromagneten functioneren, waardoor de stroomsterkte van het circuit wordt beïnvloed.

Resistentie tegen parasieten: Dit is het geval wanneer delen van het circuit ongewenste weerstand bieden tegen elektrische stroming, analoog aan wrijving die beweging belemmert.

Van links naar rechts: representaties van parasitaire capaciteit, parasitaire inductie en parasitaire resistentie.

Op regels gebaseerde hulpmiddelen voor parasitaire extractie

Op regels gebaseerde hulpmiddelen voor parasitaire extractie maken gebruik van vooraf gedefinieerde regels en algoritmen op basis van geometrische en elektrische eigenschappen om parasitaire effecten in te schatten. Deze hulpmiddelen werken door eenvoudige geometrische parameters (bijv. breedte, tussenruimte) en connectiviteitsinformatie toe te passen om parasieten snel in te schatten. De regels zijn afgeleid van empirische gegevens en elektrische basisprincipes. Het belangrijkste voordeel is snelheid. Deze tools hebben minder rekenkracht nodig en kunnen grote circuits snel verwerken, waardoor ze ideaal zijn voor voorafgaande controles en minder complexe ontwerpen. Op regels gebaseerde instrumenten missen doorgaans de nauwkeurigheid voor hoogfrequente of zeer geavanceerde halfgeleiderontwerpen, waarbij niet-ideaal gedrag belangrijker is. Beter geschikt voor vroege ontwerpfasen of minder kritieke toepassingen waarbij hoge snelheid en lagere rekenkosten prioriteiten zijn, maar met een lagere nauwkeurigheid.

Voorbeeldgereedschap: Calibre xRC en Calibre xAct van Siemens.

Hulpmiddelen voor parasitaire extractie in het veld

Hulpmiddelen voor veldoplossers zijn gebaseerd op het oplossen van de vergelijkingen van Maxwell om elektromagnetische velden te simuleren en nauwkeurige parasitaire waarden af te leiden. Deze oplossers houden rekening met de 3D-structuur van de lay-out en de materiaaleigenschappen ervan. Ze maken over het algemeen gebruik van numerieke methoden zoals de Finite Element Method (FEM), de Boundary Element Method (BEM) of de Finite Difference Method (FDM) om zeer nauwkeurige parasitaire schattingen te maken. Dergelijke instrumenten bieden een hoge nauwkeurigheid, vooral belangrijk bij hoogfrequente ontwerpen en complexe geometrieën waar parasitaire effecten niet triviaal zijn. Dit gaat echter ten koste van hoge rekenkosten, en langere looptijden zijn belangrijke beperkingen, die in sommige ontwerpprocessen een knelpunt kunnen zijn. Essentieel voor geavanceerde toepassingen (zoals RF-, analoge en gemengde signaalontwerpen), waarbij nauwkeurigheid en gedetailleerde parasitaire effecten cruciaal zijn, zij het tegen hogere rekenkosten.

Voorbeeldgereedschap: Calibre xL van Siemens en Calibre xAct 3D.