Extracción de parásitos

La extracción de parásitos es un proceso clave en el diseño electrónico. Consiste en identificar y cuantificar los componentes eléctricos no deseados y no ideales que se producen de forma natural en los diseños de circuitos debido a su configuración física y a la interacción con su entorno. Estos componentes no deseados, conocidos como parásitos, suelen incluir capacitancia, resistencia e inductancia parásitas. El proceso implica un análisis detallado efectuado a menudo mediante sofisticadas herramientas informáticas capaces de modelar y simular los comportamientos electromagnéticos de un circuito. Estas herramientas predicen cómo los parásitos pueden afectar al rendimiento del circuito, incluidos sus efectos sobre la integridad de la señal, la temporización, el consumo de energía y la funcionalidad general.

Productos relacionados: Calibre xRC, Calibre xACT Parasitic Extraction, Calibre xL Extraction, Calibre xACT 3D Parasitic Extraction

Elementos del circuito

Esta sección presenta los elementos básicos del circuito junto con un ejemplo de su funcionalidad y aplicaciones. Estos son los elementos básicos del circuito:

Capacitancia:

capacidad de un sistema para almacenar una carga eléctrica cuando existe una diferencia de potencial entre dos conductores del sistema. En los circuitos prácticos, esta propiedad la presenta un componente llamado capacitador. Los capacitadores están formados por dos o más placas conductoras separadas por un material aislante o dieléctrico.

• Funcionalidades: los capacitadores almacenan energía eléctrica directamente en forma de campo electrostático entre las placas. Liberan energía descargando la carga almacenada cuando el circuito lo requiere.
• Aplicaciones: se utilizan habitualmente como unidades de almacenamiento de energía, también funcionan en aplicaciones de filtrado, donde suavizan las fluctuaciones de tensión, en el ajuste de circuitos resonantes y en la gestión del flujo de potencia en dispositivos electrónicos.

Inductancia:

propiedad de un conductor eléctrico por la que un cambio en la corriente que circula por él induce una fuerza electromotriz (tensión) en el propio conductor (autoinductancia) y en los conductores cercanos (inductancia mutua). Los inductores son los componentes del circuito que presentan inductancia. Suelen consistir en una bobina de alambre conductor.

• Funcionalidades: los inductores resisten los cambios de la corriente que pasa a través de ellos. Almacenan energía en forma de campo magnético cuando circula corriente a través de ellos.
• Aplicaciones: estos inductores se utilizan en filtros, transformadores y en la regulación de la alimentación eléctrica para gestionar las tensiones fluctuantes.

Resistencia:

propiedad de un material que impide el paso de la corriente eléctrica. Es un atributo inherente a los materiales que hace que se opongan al flujo de electrones. Los resistores son los componentes que se utilizan en los circuitos para proporcionar una resistencia determinada.

• Funcionalidades: los resistores convierten la energía eléctrica en calor al pasar la corriente. Regulan el flujo de cargas eléctricas o ajustan los niveles de señal, entre otros usos.
• Aplicaciones: "los resistores se utilizan ampliamente para limitar la corriente, dividir las tensiones y los nodos pull-up/pull-down en los circuitos.

La conexión general en circuitos puede resumirse en dos categorías:

Conexión en serie: los componentes están conectados manera integral de modo que conducen la misma corriente, pero la tensión a través de cada uno de ellos puede ser diferente. La resistencia total de una serie es igual a la suma de las resistencias individuales.

Conexión en paralelo: los componentes están conectados a través de los mismos dos puntos. Transportan corrientes potencialmente diferentes, pero sometidas a la misma tensión. En paralelo, las resistencias y las inductancias disminuyen; por su parte, las capacitancias aumentan a medida que se añaden más componentes.

Comprender y manipular estas propiedades elementales permite a los ingenieros crear circuitos con los comportamientos deseados, lograr determinadas respuestas y asegurar la estabilidad y la eficiencia en aplicaciones electrónicas. Constituyen la base fundamental a partir de la cual se desarrollan los sistemas electrónicos complejos.

Elementos parásitos

Los elementos parásitos se manifiestan como componentes no intencionados que surgen debido a los atributos físicos inherentes a la construcción de circuitos. Esas operaciones incluyen:

Capacitancia parásita: se produce cuando conductores adyacentes crean inadvertidamente un efecto capacitivo y almacenan energía eléctrica de manera involuntaria.

Inductancia parásita: fenómeno que tiene lugar cuando los bucles de los circuitos funcionan inadvertidamente como electroimanes, lo que influye en el flujo de corriente del circuito.

Resistencia parásita: se produce cuando partes del circuito introducen una resistencia no deseada al flujo eléctrico, análoga a la fricción que impide el movimiento.

De izquierda a derecha: Representaciones de la capacitancia parásita, la inductancia parásita y la resistencia parásita.

Herramientas de extracción de parásitos basadas en reglas

Las herramientas de extracción de parásitos basadas en reglas utilizan reglas predefinidas y algoritmos basados en propiedades geométricas y eléctricas para estimar los efectos parasitarios. Estas herramientas funcionan aplicando parámetros geométricos sencillos (por ejemplo, anchura, espaciado) e información de conectividad para estimar con rapidez la parasitología. Las reglas se derivan de datos empíricos y principios eléctricos básicos. La principal ventaja es la velocidad. Estas herramientas requieren menos potencia de cálculo y pueden procesar rápidamente circuitos de gran tamaño, lo que las hace ideales para comprobaciones preliminares y diseños menos complejos. Las herramientas basadas en reglas suelen carecer de la precisión necesaria para los diseños de semiconductores de alta frecuencia o muy avanzados, donde los comportamientos no ideales son más críticos. Más adecuado para las primeras fases de diseño o para aplicaciones menos críticas en las que la alta velocidad y el menor coste computacional son prioritarios, pero con menor precisión.

Ejemplos de herramientas: Calibre xRC y Calibre xACT de Siemens.

Herramientas de extracción de parásitos del solver de campo

Las herramientas de solver de campo se basan en la resolución de las ecuaciones de Maxwell para simular los campos electromagnéticos y obtener valores parasitarios precisos. Estos solvers tienen en cuenta la estructura en 3D del diseño y sus propiedades materiales. Suelen emplear métodos numéricos como el método de elementos finitos (MEF), el método de elementos de contorno (MLE) o el método de diferencia finita (MDF) para conseguir estimaciones parasitarias de gran precisión. Estas herramientas ofrecen una gran precisión, muy importante en diseños de alta frecuencia y geometrías complejas donde los efectos parásitos no son triviales. Sin embargo, esto supone un elevado coste de cálculo. Además, unos plazos de ejecución más largos son limitaciones clave que pueden suponer un cuello de botella en algunos procesos de diseño. Esencial para aplicaciones avanzadas (como diseños de RF, analógicos y de señal mixta), donde la precisión y los efectos parásitos detallados son cruciales, aunque a un coste computacional mayor.

Ejemplos de herramientas: Calibre xL y Calibre xACT 3D de Siemens.