Estrazione di parassiti

L'estrazione di parassiti è un processo chiave nella progettazione elettronica. Implica l'identificazione e la quantificazione dei componenti elettrici non intenzionali e non ideali che si generano naturalmente nei progetti dei circuiti a causa della loro configurazione fisica e dell'interazione con l'ambiente circostante. Questi componenti indesiderati, noti come parassiti, includono in genere capacità, resistenza e induttanza parassite. Tale processo implica un'analisi dettagliata, spesso eseguita da sofisticati strumenti software in grado di modellare e simulare i comportamenti elettromagnetici di un circuito. Questi strumenti prevedono l'impatto dei componenti parassiti sulle prestazioni del circuito, compresi gli effetti sull'integrità del segnale, sulla gestione dei tempi, sul consumo energetico e sulla funzionalità complessiva.

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Elementi del circuito

Questa sezione presenta gli elementi di base del circuito insieme a un esempio delle loro funzionalità e applicazioni. Gli elementi base del circuito includono:

Capacità:

La capacità è l'abilità di un sistema di immagazzinare una carica elettrica quando esiste una differenza di potenziale tra due conduttori nel sistema. Nei circuiti pratici, questa proprietà si manifesta in un componente chiamato condensatore. I condensatori sono costituiti da due o più piastre conduttive separate da un materiale isolante o dielettrico.

• Funzionalità: i condensatori immagazzinano l'energia elettrica direttamente come campo elettrostatico tra le piastre. Rilasciano l'energia scaricando la carica immagazzinata quando il circuito lo richiede.
• Applicazioni: comunemente usati come unità di accumulo di energia, funzionano anche in applicazioni di filtraggio, dove attenuano le fluttuazioni di tensione, nella sintonizzazione di circuiti risonanti e nella gestione del flusso di energia nei dispositivi elettronici.

Induttanza:

L'induttanza è una proprietà di un conduttore elettrico mediante la quale una variazione della corrente che lo attraversa induce una forza elettromotrice (tensione) sia nel conduttore stesso (autoinduttanza) che in eventuali conduttori vicini (mutua induttanza). Gli induttori sono i componenti del circuito che mostrano induttanza, generalmente costituiti da una bobina di filo conduttore.

• Funzionalità: gli induttori resistono alle variazioni della corrente che li attraversa. Immagazzinano energia sotto forma di campo magnetico quando la corrente li attraversa.
• Applicazioni: questi induttori sono utilizzati nei filtri, nei trasformatori e nella regolazione dell'alimentazione per gestire le tensioni fluttuanti.

Resistenza:

La resistenza è una proprietà di un materiale che ostacola il flusso di corrente elettrica. Un attributo intrinseco dei materiali che li porta a opporsi al flusso di elettroni. I resistori sono i componenti utilizzati nei circuiti per fornire una resistenza specifica.

• Funzionalità: i resistori convertono l'energia elettrica in calore al passaggio della corrente. Regolano il flusso delle cariche elettriche o modulano i livelli del segnale, tra le altre applicazioni.
• Applicazioni: i resistori sono ampiamente utilizzati per limitare la corrente, dividere le tensioni e per i nodi di pull-up/pull-down nei circuiti.

La connessione generale nei circuiti può essere riassunta in due categorie, ovvero:

Collegamento in serie: il collegamento in serie è quello in cui i componenti sono collegati uno dopo l'altro, quindi portano la stessa corrente, ma la tensione su ciascuno può differire. La resistenza totale in una serie è uguale alla somma delle singole resistenze.

Collegamento in parallelo: il collegamento in parallelo è quello in cui i componenti sono collegati attraverso gli stessi due punti, trasportando correnti potenzialmente diverse ma soggette alla stessa tensione. Nei collegamenti in parallelo, resistenze e induttanze diminuiscono, mentre le capacità aumentano man mano che si aggiungono componenti.

La comprensione e la manipolazione di queste proprietà elementari consentono agli ingegneri di creare circuiti con i comportamenti desiderati, ottenere risposte specifiche e garantire stabilità ed efficienza nelle applicazioni elettroniche. Costituiscono la base fondamentale da cui partire per lo sviluppo di sistemi elettronici complessi.

Elementi parassiti

Gli elementi parassiti si manifestano come componenti non intenzionali che emergono a causa degli attributi fisici intrinseci della costruzione dei circuiti. Tra queste:

Capacità parassita: Ciò si verifica quando i conduttori adiacenti creano inavvertitamente un effetto capacitivo, immagazzinando involontariamente energia elettrica.

Induttanza parassita: Questo fenomeno si verifica quando i circuiti funzionano inavvertitamente come elettromagneti, influenzando il flusso di corrente del circuito.

Resistenza parassita: Questo si verifica quando alcune parti del circuito introducono resistenza indesiderata al flusso elettrico, analogo alla frizione che ostacola il movimento.

Da sinistra a destra: Rappresentazioni della capacità parassita, dell'induttanza parassita e della resistenza parassita.

Strumenti basati su regole per l'estrazione di parassiti

Gli strumenti di estrazione di parassiti basati su regole utilizzano regole predefinite e algoritmi basati su proprietà geometriche ed elettriche per stimare gli effetti parassiti. Questi strumenti funzionano applicando semplici parametri geometrici (ad esempio, larghezza, spaziatura) e informazioni di connettività per stimare rapidamente i parassiti. Le regole derivano da dati empirici e principi elettrici di base. Il vantaggio principale è la velocità. Questi strumenti richiedono meno potenza di calcolo e possono elaborare rapidamente circuiti di grandi dimensioni, il che li rende ideali per controlli preliminari e progetti meno complessi. Gli strumenti basati su regole in genere non offrono la precisione necessaria per i progetti di semiconduttori ad alta frequenza o molto avanzati, in cui i comportamenti non ideali sono più critici. Sono più adatti per le prime fasi di progettazione o per applicazioni meno critiche in cui l'alta velocità e i costi di calcolo inferiori sono prioritari, ma con una precisione inferiore.

Strumenti di esempio: Calibre xRC e Calibre xACT di Siemens.

Strumenti di estrazione di parassiti per la risoluzione dei campi

Gli strumenti di risoluzione dei campi si basano sulla risoluzione delle equazioni di Maxwell per simulare campi elettromagnetici e ricavare valori parassiti accurati. Questi solutori considerano la struttura 3D del layout e le proprietà dei materiali. Generalmente impiegano metodi numerici come il metodo degli elementi finiti (FEM), il metodo degli elementi al contorno (BEM) o il metodo delle differenze finite (FDM) per ottenere stime dei parassiti altamente accurate. Tali strumenti offrono un'elevata precisione, particolarmente significativa nei progetti ad alta frequenza e nelle geometrie complesse, dove gli effetti parassiti non sono trascurabili. Tuttavia, questo comporta un alto costo computazionale, e i tempi di elaborazione più lunghi sono una limitazione importante, che può rappresentare un collo di bottiglia in alcuni processi di progettazione. Essenziale per applicazioni avanzate (come quelle RF, analogiche e a segnali misti), dove l'accuratezza e gli effetti parassiti dettagliati sono cruciali, sebbene a un costo computazionale più elevato.

Strumenti di esempio: Calibre xL e Calibre xACT 3D di Siemens.