Ekstrakcja pasożytnicza

Ekstrakcja pasożytnicza jest kluczowym procesem dotyczącym projektowania urządzeń elektronicznych. Polega na identyfikowaniu i określaniu ilościowym niezamierzonych, nieidealnych elementów elektrycznych, które występują naturalnie w projektach obwodów ze względu na ich fizyczną konfigurację i interakcję z otoczeniem. Te niepożądane elementy, zwane również pasożytami, zwykle obejmują pojemność, rezystancję i indukcyjność pasożytniczą. Proces ekstrakcji obejmuje szczegółową analizę, często wykonywaną przy użyciu zaawansowanego oprogramowania do modelowania i symulowania zjawisk elektromagnetycznych w obwodzie. Owe narzędzia umożliwiają przewidzenie, w jaki sposób elementy pasożytnicze mogą wpływać na działanie obwodu, łącznie z integralnością sygnału, sterowaniem czasowym, zużyciem energii i ogólną funkcjonalnością.

Powiązane produkty: Calibre xRC, Calibre xACT Parasitic Extraction, Calibre xL Extraction, Calibre xACT 3D Parasitic Extraction

Elementy obwodu

W tej sekcji przedstawiono podstawowe elementy obwodu wraz z przykładami ich funkcji i zastosowań. Do podstawowych elementów obwodu należą;

Pojemność:

Pojemność to zdolność układu do magazynowania ładunku elektrycznego, gdy między dwoma przewodnikami w układzie istnieje różnica potencjałów. W obwodach praktycznych tę właściwość wykazuje komponent zwany kondensatorem. Kondensatory składają się z dwóch lub więcej płytek przewodzących oddzielonych materiałem izolacyjnym lub dielektrykiem.

• Funkcja: Kondensatory magazynują energię elektryczną bezpośrednio w postaci pola elektrostatycznego między płytami. a następnie uwalniają energię, rozładowując zmagazynowany ładunek w razie potrzeby.
• Zastosowania: powszechnie stosowane jako magazyny energii, są również używa w filtrach, gdzie niwelują wahania napięcia, w dostrajaniu obwodów rezonansowych oraz w zarządzaniu przepływem mocy w urządzeniach elektronicznych.

Indukcyjność:

Indukcyjność to właściwość przewodnika elektrycznego, dzięki której zmiana przepływającego prądu indukuje siłę elektromotoryczną (napięcie) zarówno w samym przewodniku (indukcyjność własna), jak i w pobliskich przewodnikach (indukcyjność wzajemna). Komponentami obwodu, które wykazują indukcyjność, są cewki indukcyjne, składające się z zwykle ze zwoju drutu przewodzącego.

• Funkcja: cewki indukcyjne są odporne na zmiany przepływającego przez nie prądu, Magazynują energię w postaci pola magnetycznego generowanego na skutek przepływającego przez nie prąd.
• Zastosowania: cewki są stosowane w filtrach, transformatorach i regulacji zasilania w celu zarządzania wahaniami napięcia.

Rezystancja:

Rezystancja to właściwość materiału, która utrudnia przepływ prądu elektrycznego. Jest to nieodłączna cecha materiału, polegająca na stawianie oporu przepływowi elektronów. W celu zapewnienia określonej rezystancji w obwodach stosuje się rezystory.

• Funkcja: podczas przepływu prądu rezystory przekształcają energię elektryczną w ciepło. Regulują m.in. przepływ ładunków elektrycznych lub regulują poziom sygnału.
• Zastosowania: rezystory znajdują szerokie zastosowanie do ograniczania przepływu prądu, dzielenia napięć i podciągania/ściągania węzłów w obwodach.

Ogólne rodzaje połączeń w obwodach można podzielić na dwie kategorie:

Połączenie szeregowe: połączenie szeregowe to takie, w którym komponenty są połączone między sobą, w związku z czym przepływa przez nie prąd o tym samym natężeniu, ale napięcie na każdym z komponentów może się różnić. Całkowita rezystancja w przypadku połączeniu szeregowym jest równa sumie poszczególnych rezystancji.

Połączenie równoległe: połączenie równoległe to połączenie, w którym komponenty są podłączone między tymi samymi dwoma punktami, w związku z czym może przepływać przez nie prąd o różnym natężeniu, ale tym samym napięciu. W przypadku połączenia równoległego wartości rezystancji i indukcyjności obwodu maleją, a wartości pojemności rosną wraz z dodawaniem kolejnych komponentów.

Zrozumienie tych podstawowych właściwości i manipulowanie nimi pozwala inżynierom tworzyć obwody o żądanym działaniu, uzyskiwać określone odpowiedzi oraz zapewniać stabilność i skuteczne działanie urządzeń elektronicznych. Stanowią one fundamentalną podstawę, na bazie której opracowywane są złożone układy elektroniczne.

Elementy pasożytnicze

Elementy pasożytnicze mają postać niezamierzonych komponentów, które występują z powodu nieodłącznych fizycznych atrybutów konstruowania obwodów. Należą do nich m.in.:

Pojemność pasożytnicza: dochodzi do niej, gdy sąsiadujące przewodniki przypadkowo tworzą efekt pojemnościowy, magazynując energię elektryczną w niezamierzony sposób

Indukcyjność pasożytnicza: to zjawisko to powstaje, gdy pętle obwodów przypadkowo działają jako elektromagnesy, wpływając na przepływ prądu w obwodzie.

Odporność na pasożyty: występuje, gdy części obwodu wywołują niepożądaną rezystancję wobec przepływu prądu, analogicznie do tarcia utrudniającego ruch.

Od lewej do prawej: przedstawienia pojemności pasożytniczej, indukcyjności pasożytniczej i rezystancji pasożytniczej.

Oparte na regułach narzędzia do ekstrakcji pasożytniczej

Oparte na regułach narzędzia do ekstrakcji pasożytniczej wstępnie zdefiniowane reguły i algorytmy bazujące na właściwościach geometrycznych i elektrycznych do szacowania efektów pasożytniczych. Ich działanie polega na stosowaniu prostych parametrów geometrycznych (np. szerokości, odstępów) i informacji o połączeniach w celu szybkiego oszacowania elementów pasożytniczych. Reguły te opierają się na danych empirycznych i podstawowych zasadach działania układów elektrycznych. Ich podstawową zaletą jest szybkość. Oparte na nich narzędzia wymagają mniejszej mocy obliczeniowej i mogą szybko przetwarzać dane dużych obwodów, dzięki czemu idealnie nadają się do wstępnych kontroli i tworzenia mniej złożonych projektów. Narzędzia oparte na regułach zwykle nie zapewniają wystarczającej dokładności w przypadku projektów półprzewodników o wysokiej częstotliwości lub bardzo zaawansowanych, w których nieidealne zachowania mają większe znaczenie. Lepiej sprawdzają się na wczesnych etapach projektowania lub w mniej newralgicznych zastosowaniach, gdzie priorytetem jest szybkość i niższe koszty obliczeniowe kosztem mniejszej dokładności.

Przykładowe narzędzia: Calibre xRC i Calibre xACT firmy Siemens.

Narzędzia ekstrakcji pasożytniczej solwera pola

Narzędzia oparte na solwerach pól wykorzystują rozwiązywanie równań Maxwella do symulowania pól elektromagnetycznych i wyprowadzania dokładnych wartości pasożytniczych. Te solwery uwzględniają strukturę 3D układu i jego właściwości materiałowe. Zazwyczaj wykorzystują metody numeryczne, takie jak metoda elementów skończonych (MES), metoda elementów brzegowych lub metoda różnic skończonych, aby uzyskać bardzo dokładne oszacowania elementów pasożytniczych. Takie narzędzia odznaczają się wysoką dokładnością, co ma szczególne znaczenie w przypadku projektów o wysokiej częstotliwości i złożonych geometriach, w których efekty pasożytnicze mają duże znaczenie. Odbywa się to jednak kosztem wysokich kosztów obliczeniowych, które wraz z czasem obliczeń stanowią główne ograniczenia mogące spowalniać niektóre procesy projektowania. Są niezbędne w zaawansowanych zastosowaniach (takich jak projekty układów RF, analogowych i sygnałów mieszanych), gdzie dokładne i szczegółowe oznaczenie efektów pasożytniczych mają kluczowe znaczenie, mimo wyższych kosztów obliczeniowych.

Przykładowe narzędzia: Calibre xL i Calibre xACT 3D firmy Siemens.