Parazitní extrakce

Parazitní extrakce je klíčový proces v elektronickém návrhu. Zahrnuje identifikaci a kvantifikaci nechtěných, neideálních elektrických komponent, které se přirozeně vyskytují v návrzích obvodů kvůli jejich fyzické konfiguraci a interakci s prostředím. Tyto nechtěné komponenty, známé jako parazitní prvky, obvykle zahrnují parazitní kapacitu, odpor a indukčnost. Tento proces zahrnuje podrobnou analýzu, která se často provádí pomocí důmyslných softwarových nástrojů schopných modelovat a simulovat elektromagnetické chování obvodu. Tyto nástroje předpovídají, jak mohou parazitní prvky ovlivnit výkon obvodu, včetně jejich účinků na integritu signálu, časování, spotřebu energie a celkovou funkčnost.

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

Prvky obvodů

V této části jsou představeny základní prvky obvodů spolu s příkladem jejich funkčnosti a aplikací. Mezi základní prvky obvodů patří:

Kapacita:

Kapacita je schopnost systému ukládat elektrický náboj, když existuje potenciální rozdíl mezi dvěma vodiči v systému. V praktických obvodech tuto vlastnost vykazuje komponenta zvaná kondenzátor. Kondenzátory se skládají ze dvou nebo více vodivých desek oddělených izolačním materiálem nebo dielektrickým materiálem.

• Funkce: Kondenzátory ukládají elektrickou energii přímo jako elektrostatické pole mezi deskami. Uvolňují energii vybíjením uloženého náboje, když to obvod vyžaduje.
• Aplikace: Běžně se používají jako jednotky pro ukládání energie a 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, při které změna proudu, který jím protéká, vyvolává elektromotorickou sílu (napětí) jak v samotném vodiči (samoindukčnost), tak v jakýchkoli blízkých vodičích (vzájemná indukčnost). Cívky jsou komponenty obvodu, které vykazují indukčnost, přičemž obvykle sestávající z cívky vodivého drátu.

• Funkce: Cívky odolávají změnám proudu, který jimi prochází. Ukládají energii ve formě magnetického pole, když jimi protéká proud.
• Aplikace: Tyto cívky se používají ve filtrech, transformátorech a regulaci napájení pro řízení kolísání napětí.

Odpor:

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

• Funkce: Rezistory při průchodu proudu přeměňují elektrickou energii na teplo. Mimo jiné regulují tok elektrických nábojů nebo upravují úrovně signálu.
• Aplikace: Rezistory jsou hojně používány k omezení proudu, rozdělení napětí a uzlům „pull-up/pull-down“ v obvodech.

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

Sériové zapojení: Sériové zapojení je takové, ve kterém jsou komponenty zapojeny od konce ke konci, takže přenášejí stejný proud, ale napětí mezi nimi se může lišit. Celkový odpor v sérii se rovná součtu jednotlivých odporů.

Paralelní zapojení: Paralelní zapojení je zapojení, ve kterém jsou komponenty zapojeny přes stejné dva body, přenášejí potenciálně odlišné proudy, ale podléhají stejnému napětí. V paralelním zapojení se odpory a indukčnosti snižují, zatímco kapacity se zvyšují s přidáváním dalších komponent.

Pochopení těchto základních vlastností a manipulace s nimi umožňuje inženýrům vytvářet obvody s požadovaným chováním, dosahovat specifických odezev a zajistit stabilitu a efektivitu v elektronických aplikacích. Tvoří základ, ze kterého se vyvíjejí složité elektronické systémy.

Parazitní prvky

Parazitní prvky se projevují jako neúmyslné komponenty, které vznikají v důsledku inherentních fyzikálních atributů vytváření obvodů. Mezi ně patří:

Parazitní kapacita: Dochází k ní, když sousední vodiče neúmyslně vytvářejí kapacitní efekt a neúmyslně ukládají elektrickou energii.

Parazitní indukčnost: Tento jev vzniká, když smyčky obvodů neúmyslně fungují jako elektromagnety a ovlivňují tok proudu obvodu.

Parazitní odpor: Dochází k němu, když části obvodu vytvářejí nežádoucí odpor elektrickému toku, analogicky ke tření, které brání pohybu.

Zleva doprava: Zobrazení parazitní kapacity, parazitní indukčnosti a parazitního odporu.

Nástroje pro parazitní extrakci založené na pravidlech

Nástroje pro parazitní extrakci založené na pravidlech používají předdefinovaná pravidla a algoritmy založené na geometrických a elektrických vlastnostech za účelem odhadu parazitních účinků. Tyto nástroje fungují tak, že používají jednoduché geometrické parametry (např. šířku, rozteč) a informace o zapojení k rychlému odhadu parazitních prvků. Pravidla jsou odvozena z empirických dat a základních elektrických principů. Hlavní výhodou je rychlost. Tyto nástroje vyžadují méně výpočetního výkonu a dokážou rychle zpracovat velké obvody, takže jsou ideální 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 zásadnější. Lépe se hodí pro rané fáze návrhu nebo méně důležité aplikace, kde je prioritou vysoká rychlost a nižší výpočetní náročnost, avšak s nižší přesností.

Příkladové nástroje: Calibre xRC a Calibre xACT od společnosti Siemens.

Nástroje pro parazitní extrakci pomocí řešičů polí

Nástroje řešičů polí jsou založeny na řešení Maxwellových rovnic pro simulaci elektromagnetických polí a odvození přesných parazitních hodnot. Tyto řešiče berou v úvahu 3D strukturu rozvržení a její vlastnosti materiálu. Obecně používají numerické metody, jako je metoda konečných prvků (FEM), metoda hraničních prvků (BEM) nebo metoda konečných diferencí (FDM), k dosažení vysoce přesných odhadů parazitních prvků. Tyto nástroje nabízejí vysokou přesnost, což je zvláště významné ve vysokofrekvenčních návrzích a složitých geometriích, kde jsou parazitní účinky podstatné. To je však na úkor vysokých výpočetních nákladů a klíčovým omezením je delší doba běhu, což může v některých procesech návrhů představovat problémové místo. Jsou nezbytné pro pokročilé aplikace (jako jsou RF, návrhy analogových a smíšených signálů), kde je zásadní přesnost a podrobné parazitní účinky, i když s vyššími výpočetními náklady.

Příkladové nástroje: Calibre xL a Calibre xACT 3D od společnosti Siemens.