寄生抽出

寄生抽出は、電子設計における重要なプロセスです。寄生抽出によって、物理的な構成や環境との相互作用が原因となって回路設計で意図せず自然に発生する、望ましくない電気コンポーネントを特定して定量化します。寄生と呼ばれる、こうした意図しないコンポーネントには、通常、寄生容量、寄生抵抗、および寄生インダクタンスが含まれます。このプロセスでは、多くの場合、回路の電磁挙動をモデリングおよびシミュレーションできる、高度なソフトウェア・ツールによって詳細な解析が行われます。これらのツールは、寄生が回路性能にどのような影響を与えるかを、シグナル・インテグリティ、タイミング、消費電力、全体的な機能を含めて予測します。

関連製品: Calibre xRC、Calibre xACTの寄生抽出ツール、Calibre xLの抽出ツール、Calibre xACT 3Dの寄生抽出ツール

回路素子

このセクションでは、基本的な回路素子を、その機能と用途の例とともに紹介します。基本的な回路素子は、以下のとおりです。

静電容量

静電容量は、システム内の2つの導体間に電位差が存在する場合に、システムがどれくらい電荷を蓄えられるかを示す量です。実際の回路では、静電容量はコンデンサーと呼ばれるコンポーネントの特性として使用されます。コンデンサーは、絶縁材料または誘電体を挟んだ2つ以上の導電性プレートで構成されています。

• 機能: コンデンサーは、電気エネルギーをプレート間の静電界として直接貯蔵します。回路が必要とするときに蓄積された電荷を放電することによって、エネルギーを放出します。
• 用途: エネルギー貯蔵装置として一般的に使用され、電圧変動を平滑化するフィルタリング回路や、共振回路の調整、電子機器での電力フローの管理にも利用されます。

インダクタンス

インダクタンスは導電体の特性であり、導電体を流れる電流の変化が導体自体 (自己誘導) と近くの導体 (相互誘導) の両方に起電力 (電圧) を誘導します。インダクターはインダクタンスで表される回路部品であり、通常は導線のコイルで構成されています。

• 機能: インダクターは、それを通過する電流の変化に抵抗します。電流が流れると、磁場の形でエネルギーを蓄えます。
• 用途: インダクターは、変動する電圧を管理するためのフィルター、変圧器、および電源レギュレーションに使用されます。

抵抗

抵抗とは、電流の流れを妨げる物質の特性です。電子の流れに逆らう物質固有の属性です。抵抗器は、特定の抵抗を得るために回路で使用されるコンポーネントです。

• 機能: 抵抗器は、電流が流れるときに電気エネルギーを熱に変換します。電荷の流れを調整したり、信号レベルを調整したりします。
• 用途: 抵抗器は、回路内の電流制限、電圧の分圧、プルアップ/プルダウン・ノードに広く使用されています。

回路内の一般的な接続は、大きく次の2つのカテゴリに分けられます。

直列接続: 直列接続は、コンポーネントが端から端まで接続されている接続であるため、同じ電流が流れますが、コンポーネント間の電圧は異なる場合があります。直列の総抵抗は、個々の抵抗の合計に等しくなります。

並列接続: 並列接続は、コンポーネントが同じ2点から枝分かれして接続され、異なる電流が流れる可能性がありますが、同じ電圧を受ける接続です。並列では、コンポーネントを追加するほど抵抗とインダクタンスは減少し、静電容量は増加します。

これらの基本的な特性を理解して操作することで、エンジニアは望ましい動作を行う回路を作成し、特定の応答を実現し、電子デバイスの安定性と効率を確保できます。これらは、複雑な電子システムを開発するための基盤となります。

寄生素子

寄生素子は、構築した回路に固有の物理的属性が原因で出現する、意図しないコンポーネントのようなものです。以下のようなものがあります。

寄生容量: これは、隣接する導体が静電容量効果を発生させてしまい、意図せずに電気エネルギーを蓄えた場合に発生します。

寄生インダクタンス: この現象は、回路のループが意図せず電磁石として機能し、回路の電流の流れに影響を与えた場合に発生します。

寄生抵抗: これは、摩擦が動作を妨げるのと同様に、回路の一部が電気の流れに不要な抵抗を引き起こした場合に発生します。

左から右: 寄生容量、寄生インダクタンス、および寄生抵抗の表現。

ルールベースの寄生抽出ツール

ルールベースの寄生抽出ツールは、幾何学的特性と電気的特性に基づいて事前定義されたルールとアルゴリズムを使用して、寄生効果を推定します。このようなツールは、単純な幾何学的パラメーター (幅、間隔など) と接続情報を適用して、寄生を迅速に推定します。ルールは、実験データと基本的な電気的原理から導出されます。一番の利点はスピードです。これらのツールは、高い処理能力を必要とせず、大きな回路をすばやく処理できるため、事前チェックやそれほど複雑ではない設計に最適です。ルールベースのツールは通常、望ましくない動作が深刻な結果をもたらす高周波半導体や非常に高度な半導体の設計に求められる精度はありません。スピードと計算コストの低さが精度より優先される、設計の初期段階または重要度の低い用途に適しています。

ツールの例: シーメンスのCalibre xRCおよびCalibre xACT

フィールド・ソルバーの寄生抽出ツール

フィールド・ソルバー・ツールは、マクスウェル方程式を解くことによって、電磁界をシミュレーションし、正確な寄生値を求めます。これらのソルバーでは、レイアウトの3D構造とその材料特性が考慮されます。一般的には、有限要素法 (FEM)、境界要素法 (BEM)、有限差分法 (FDM) などの数値的手法を用いて、寄生を高精度で推定します。このようなツールは、特に寄生効果が非自明の高周波設計や複雑なジオメトリで高い精度を発揮します。ただし、これには高い計算コストがかかります。また、実行時間が長いことが主な弱点であり、一部の設計プロセスではこれがボトルネックになることがあります。計算コストは高くなりますが、精度と詳細な寄生効果が重要となる高度な用途 (RF、アナログ、ミックスドシグナル設計など) には不可欠です。

ツールの例: シーメンスのCalibre xLおよびCalibre xACT 3D