Parasitäre Extraktion

Die parasitäre Extraktion ist ein Schlüsselprozess in der elektronischen Konstruktion. Es geht darum, unbeabsichtigte, nicht ideale elektrische Komponenten zu identifizieren und zu quantifizieren, die aufgrund ihrer physikalischen Konfiguration und Interaktion mit ihrer Umgebung natürlicherweise in Schaltungskonstruktionen vorkommen. Zu diesen unerwünschten Komponenten, die als parasitäre Komponenten bezeichnet werden, gehören in der Regel parasitäre Kapazität, Widerstand und Induktivität. Der Prozess beinhaltet eine detaillierte Analyse, die oft mit hochentwickelten Softwaretools durchgeführt wird, die in der Lage sind, das elektromagnetische Verhalten eines Schaltkreises zu modellieren und zu simulieren. Diese Tools sagen voraus, wie parasitäre Elemente die Schaltkreisleistung beeinflussen können, samt Auswirkungen auf Signalintegrität, Timing, Stromverbrauch und Gesamtfunktionalität.

Verwandte Produkte: Calibre xRC, Calibre xACT Parasitic Extraction, Calibre xL Extraction, Calibre xACT 3D Parasitic Extraction

Schaltkreiselemente

In diesem Abschnitt werden die grundlegenden Schaltkreiselemente zusammen mit einem Beispiel für ihre Funktionalität und Anwendungen vorgestellt. Zu den grundlegenden Schaltkreiselementen gehören:

Kapazität:

Kapazität ist die Fähigkeit eines Systems, elektrische Ladung zu speichern, wenn zwischen zwei Leitern im System eine Potentialdifferenz vorliegt. In praktischen Schaltkreisen wird diese Eigenschaft von einer Komponente namens Kondensator dargestellt. Kondensatoren bestehen aus zwei oder mehr leitfähigen Platten, die durch ein Isoliermaterial oder Dielektrikum getrennt sind.

• Funktionalität: Kondensatoren speichern elektrische Energie direkt als elektrostatisches Feld zwischen den Platten. Sie setzen Energie frei, indem sie die gespeicherte Ladung abgeben, wenn der Stromkreis sie benötigt.
• Anwendungen: Sie dienen häufig als Energiespeichereinheiten, fungieren aber auch in Filteranwendungen zur Glättung von Spannungsschwankungen, bei der Abstimmung von Schwingkreisen und bei der Steuerung des Energieflusses in elektronischen Geräten.

Induktivität:

Induktivität ist eine Eigenschaft eines elektrischen Leiters, durch die eine Änderung des durch ihn fließenden Stroms eine elektromotorische Kraft (Spannung) sowohl im Leiter selbst (Selbstinduktivität) als auch in nahe gelegenen Leitern (gegenseitige Induktivität) induziert. Induktoren sind Schaltkreiskomponenten, die Induktivität aufweisen und typischerweise aus einer Spule aus leitendem Draht bestehen.

• Funktionalität: Induktoren widerstehen Stromänderungen. Sie speichern Energie in Form eines Magnetfeldes, wenn Strom durch sie fließt.
• Anwendungen: Diese Induktivitäten werden in Filtern, Transformatoren und Stromversorgungsregelungen verwendet, um schwankende Spannungen zu bewältigen.

Widerstand:

Widerstand ist eine Eigenschaft eines Materials, die den elektrischen Stromfluss behindert. Eine angeborene Eigenschaft von Materialien, die dem Fluss von Elektronen entgegenwirkt. Widerstände sind die Komponenten, die in Schaltkreisen verwendet werden, um einen bestimmten Widerstand bereitzustellen.

• Funktionalität: Widerstände wandeln bei Stromdurchfluss elektrische Energie in Wärme um. Sie regulieren unter anderem den Fluss elektrischer Ladungen oder passen Signalpegel an.
• Anwendungen: „Widerstände werden oft zur Strombegrenzung, zum Teilen von Spannungen und für Pull-up/Pull-down-Funktionen in Schaltkreisen verwendet.

Die allgemeine Verbindung in Schaltkreisen kann in zwei Kategorien zusammengefasst werden, nämlich:

Reihenschaltung: Bei einer Reihenschaltung sind die Bauteile in Serie verbunden, sodass sie denselben Strom führen, aber die Spannung über jedem Bauteil unterschiedlich sein kann. Der Gesamtwiderstand in einer Reihe entspricht der Summe der einzelnen Widerstände.

Parallelschaltung: Eine Parallelschaltung ist eine Verbindung, bei der die Komponenten über dieselben zwei Punkte verbunden werden, die potenziell unterschiedliche Ströme führen, aber derselben Spannung unterliegen. In Parallelschaltung sinken Widerstände und Induktivitäten, während Kapazitäten steigen, sobald weitere Komponenten hinzukommen.

Durch Verständnis und Manipulation dieser elementaren Eigenschaften können Konstrukteure Schaltungen mit gewünschtem Verhalten entwickeln, spezifische Reaktionen erzielen und Stabilität und Effizienz in elektronischen Anwendungen garantieren. Sie bilden die Grundlage, von der aus komplexe elektronische Systeme entwickelt werden.

Parasitäre Elemente

Parasitäre Elemente manifestieren sich als unbeabsichtigte Komponenten, die aufgrund der inhärenten physikalischen Eigenschaften der Konstruktion von Schaltkreisen entstehen. Dazu zählen:

Parasitäre Kapazität: Dies erfolgt, wenn benachbarte Leiter unbeabsichtigt kapazitive Effekte erzeugen und dadurch elektrische Energie speichern.

Parasitäre Induktivität: Dieses Phänomen tritt auf, wenn Schaltkreisschleifen versehentlich als Elektromagnete fungieren und den Stromfluss des Stromkreises beeinflussen.

Parasitäre Resistenz: Dies entsteht, wenn Schaltkreiselemente unerwünschten elektrischen Widerstand verursachen, ähnlich wie Reibung, die Bewegung behindert.

Von links nach rechts: Darstellungen parasitärer Kapazität, parasitärer Induktivität und parasitärer Resistenz.

Regelbasierte Werkzeuge für die parasitäre Extraktion

Regelbasierte parasitäre Extraktionswerkzeuge verwenden vordefinierte Regeln und Algorithmen, die auf geometrischen und elektrischen Eigenschaften basieren, um parasitäre Effekte abzuschätzen. Diese Werkzeuge funktionieren durch die Anwendung einfacher geometrischer Parameter (z. B. Breite, Abstand) und Konnektivitätsinformationen zur schnellen Abschätzung parasitärer Infektionen. Die Regeln werden aus empirischen Daten und grundlegenden elektrischen Prinzipien abgeleitet. Der Hauptvorteil ist die Geschwindigkeit. Diese Tools benötigen weniger Rechenleistung und können große Schaltkreise schnell verarbeiten, wodurch sie sich ideal für Vorabprüfungen und weniger komplexe Konstruktionen eignen. Regelbasierte Tools bieten in der Regel nicht die nötige Genauigkeit für hochfrequente oder sehr fortschrittliche Halbleiterkonstruktionen, bei denen nicht ideale Verhaltensweisen wichtiger sind. Besser geeignet für frühe Konstruktionsphasen oder weniger kritische Anwendungen, bei denen hohe Geschwindigkeit und geringere Rechenkosten Priorität haben, jedoch mit geringerer Genauigkeit.

Beispiel für Werkzeuge: Calibre xRC und Calibre xACT von Siemens.

Werkzeuge für die Extraktion parasitärer Feld-Solver

Field-Solver-Werkzeuge basieren auf dem Lösen der Maxwell-Gleichungen, um elektromagnetische Felder zu simulieren und präzise parasitäre Werte zu ermitteln. Diese Solver berücksichtigen die 3D-Struktur des Layouts und dessen Materialeigenschaften. Sie verwenden in der Regel numerische Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Randelementmethode (BEM) oder die Finite-Differenzen-Methode (FDM), um hochgenaue parasitäre Schätzungen zu erzielen. Solche Werkzeuge bieten eine hohe Genauigkeit, insbesondere bei Hochfrequenzkonstruktionen und komplexen Geometrien, bei denen parasitäre Effekte nicht trivial sind. Dies geht jedoch zulasten eines hohen Rechenaufwands. Längere Laufzeiten sind wesentliche Einschränkungen, die bei manchen Konstruktionsprozessen einen Engpass darstellen können. Unerlässlich für fortgeschrittene Anwendungen (wie HF-, Analog- und Mixed-Signal-Konstruktionen), bei denen Genauigkeit und detaillierte parasitäre Effekte entscheidend sind, wenn auch mit höherem Rechenaufwand.

Beispiel für Werkzeuge: Calibre xL und Calibre xACT 3D von Siemens.