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Gleichstromwiderstand, parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität des Leiterplattenlayouts
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Gleichstromwiderstand, parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität des Leiterplattenlayouts

Gleichstromwiderstand, parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität des Leiterplattenlayouts

2022-08-08
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Author:pcb

Viele Designer sind es gewohnt, über das Systemverhalten in Bezug auf Leiterplatte Modelle. Diese Modelle und Schaltpläne sind teilweise korrekt, aber ihnen fehlen einige wichtige Informationen, die das Verhalten des Systems bestimmen. Die fehlende Information im Schaltplan ist die Geometrie der tatsächlichen Leiterplatte Layout, das bestimmt, wie die Elemente im System elektrisch und magnetisch miteinander gekoppelt werden. Also, Was verursacht elektromagnetische Feldkopplung zwischen Schaltungselementen, Leiter, Ferrite, und andere komplexe Strukturen in einer realen Leiterplatte oder IC? Dies wird durch die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Feldern und Materie bestimmt, Ein konzeptioneller Weg, das Signalverhalten in komplexen Systemen zusammenzufassen, besteht darin, Kopplung in Bezug auf parasitäre Schaltungselemente zu betrachten., oder Parasiten kurz. Die Einführung von Parasiten in Schaltungsmodelle kann Ihnen helfen, unerwartetes oder unerwünschtes Signal- und Stromversorgungsverhalten in realen Systemen zu erklären, Parasitische Modellierungswerkzeuge sind sehr hilfreich für das Verständnis von Schaltungs- und Produktverhalten.

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Dies liegt daran, dass ein Schaltplan einfach keine wichtige Funktion einer tatsächlichen Leiterplatte, eines IC oder eines anderen elektrischen Systems darstellen kann. Parasiten werden in Schaltplänen als Widerstände, Kondensatoren und Induktoren dargestellt, je nachdem, wie sie sich im Frequenzbereich verhalten. Beachten Sie, dass Parasiten fast ausschließlich in LTI-Schaltungen diskutiert werden, was bedeutet, dass Parasiten auch als linear und zeitlich variierend behandelt werden. Zeitvariable und nichtlineare Parasiten verwenden komplexere Modellierungstechniken, die manuelle Iteration im Zeitbereich beinhalten. Sie können auch sehr empfindlich auf die Ausgangsbedingungen des Systems reagieren, insbesondere in Gegenwart von Feedback. Obwohl die eigentliche Leiterplatte komplex ist, decken LTI-Systeme die überwiegende Mehrheit der praktischen elektrischen Systeme ab. Die Bestimmung parasitärer Effekte ist im Wesentlichen die Bestimmung des Frequenzverhaltens des Systems, da die Wirkung parasitärer Elemente auf das Signal eine Funktion der Frequenz ist. Durch den Vergleich des Frequenzverhaltens des [idealen Systems möglicher Parasiten] mit den [tatsächlichen Systemmessungen] ist es möglich, mögliche Parasiten zu identifizieren, die frequenzabhängiges Verhalten im System erzeugen.


Was bestimmt Parasiten und was wird im Schaltplan nicht berücksichtigt?

Viele Aspekte eines realen Systems können unerwartete Parasiten in einem LeiterplattenLayout, IC oder einem anderen elektrischen System verursachen. Es ist wichtig zu beachten, was im Schaltplan nicht berücksichtigt werden kann, bevor versucht wird, Parasiten mit SPICE Simulation zu extrahieren. Der Abstand zwischen den verschiedenen Leitern, ihre Anordnung auf der Platine und ihre Querschnittsfläche bestimmen den DC-Widerstand, die parasitäre Kapazität und die parasitäre

Induktivität. Dielektrizitätskonstante: Die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums der Leiterplatte ist hoch, was die parasitäre Kapazität zwischen Schaltungselementen bestimmt. Permeabilität: Bei magnetischen Komponenten spielt Permeabilität auch eine Rolle bei der Bestimmung des Signal- und Leistungsverhaltens, da diese Komponenten parasitäre Induktivität erzeugen. Bei hohen Frequenzen können Ferrittransformatoren und andere magnetische Komponenten wie Induktoren oder Heizkörper wirken.

Wanderwellenverhalten. Jedes Signal, das sich in der eigentlichen Leiterplatte und den Verbindungen ausbreitet, ist eine sich ausbreitende Wellenform. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen erzeugt Übertragungsleitungseffekte in Verbindungen, die mit einem einfachen Schaltplan nicht modelliert werden können. Ihre SPICE-Simulation muss modifiziert werden, um die endliche Geschwindigkeit der Wellenform zu berücksichtigen. Dinge wie Faserwebeffekte, insbesondere Phänomene innerhalb eines LeiterplattenSubstrats, lassen sich mit Schaltungsmodellierung oder NachLayoutsimulation nur schwer simulieren, da die beteiligten Schaltungsmodelle knifflig werden können. Die Schaltungssimulation kann Ihnen jedoch helfen, frequenzabhängiges Verhalten in einer Leiterplatte ausführlich zu untersuchen. Andere Parasiten, wie Eingangs-/Ausgangskapazität oder Bonddrahtinduktivität auf integrierten Schaltungen, können leicht bestimmt werden, da die Art des Parasiten und seine Position mit Sicherheit bekannt sind.


Der folgende Beispielschema zeigt ein typisches Schaltungsmodell zur Untersuchung und Erklärung von Masseeprallen in einer integrierten Schaltung. Dieser Effekt tritt aufgrund der parasitären Induktivität im Erdungskabel auf (im Schaltplan mit L markiert). Es gibt jedoch andere Faktoren in der Schaltung, die das Verhalten der Schaltung in Gegenwart von Ground Bounce beeinflussen. Zwei Kondensatoren am Treiberausgang und am Lasteingang simulieren parasitäre Kapazitäten durch Pins am IC. Widerstände an den I/O-Leitungen simulieren ihren parasitären DC-Widerstand. Ziel der parasitären Extraktion ist es in der Regel, das frequenzabhängige Verhalten eines Systems abzuschätzen, um das System über bestimmte Frequenzbereiche als kapazitiv oder induktiv zu beschreiben. Mit dem oben gezeigten Schema können Sie parasitäre Effekte extrahieren, indem Sie Simulationsergebnisse mit experimentellen Messungen vergleichen. Verwenden Sie einfach Frequenzsweeps, um Schaltungen zu simulieren, oder Impulse, um transiente Analysen von Schaltungen bereitzustellen. Anschließend müssen Sie die Ergebnisse mit den Messdaten vergleichen, um Parasiten im System zu identifizieren.


Es gibt zwei Möglichkeiten, Parasiten in SPICE zu extrahieren. Beides erfordert ein Verständnis der Parasiten, die im System vorhanden sein können oder mit Messungen des fertigen Leiterplattenlayouts verglichen werden müssen:

1) Analytische Methoden beinhalten die Verwendung analytischer Gleichungen zur Berechnung des frequenzabhängigen Verhaltens trivialer oder nicht-trivialer Schaltungsmodelle. Komponentenwerte werden in der Regel aus Datenblättern oder Erfahrungen abgeleitet.

2) Das Regressionsverfahren, das verwendet wird, wenn die Äquivalentwerte der parasitären Schaltungselemente nicht bekannt sind, obwohl ein allgemeines Modell bekannt ist, das die Beziehung zwischen dem parasitären Schaltkreis und dem Messwert beschreibt. Standardregressionsmethoden können verwendet werden, um die Übereinstimmung zwischen dem Modell und den Daten zu bestimmen.

In den kommenden Beispielen werden wir prüfen, wie die PSpice-Simulation für beide Methoden durchgeführt werden kann. Anstatt einen einzigen Wert für verschiedene Parasiten anzunehmen, werden wir verschiedene mögliche Werte annehmen und den Frequenzgang mittels SPICE Simulation untersuchen. Die Ergebnisse können verwendet werden, um ein Modell zu erstellen, das beschreibt, wie der Frequenzgang der Schaltung von bestimmten Falschwerten abhängt, die dann verwendet werden können, um Falschwerte aus Messdaten zu berechnen.


Als Beispiel sehen wir uns an, wie man die parasitäre Kapazität in einem Kondensator extrahiert, indem man seine selbstresonante Frequenz identifiziert. Selbstresonanz ist ein bekanntes Phänomen in Hochfrequenzkondensatoren aufgrund des parasitären Reihenwiderstands und der Induktivität. Im Schema unten haben wir einen Kondensator mit 4,7pF Nennwert, und wir wollen die parasitäre Induktivität und den Widerstand extrahieren. Hier fegen wir die Frequenz der Quelle und fegen auch die falschen Werte. Dies geschieht durch Sweep der Parameter im Frequenzbereich, was uns eine Reihe von Kurven für unsere aktuellen Messungen liefert. Sie können dann verwendet werden, um die Selbstresonanzfrequenz und den ESL-Wert zu extrahieren. Dazu müssen Sie für jeden Komponentenwert, den Sie scannen möchten, einen globalen Parameter festlegen. Dazu fügen Sie das PARAM-Teil zum Schaltplan hinzu und geben dann den Parameternamen in den Komponentenwert ein. Daten aus SPICE-Simulationen können in analytischen Methoden oder Regressionsmethoden verwendet werden. Im analytischen Ansatz können die parasitären Werte direkt aus dem simulierten Ansprechverhalten berechnet werden, solange es ein Modell des Frequenzgangs als Funktion des parasitären Werts (in diesem Fall die Kondensator-Selbstresonanzfrequenz) gibt. Im obigen Beispiel wollen wir die gemessene Impedanz oder Selbstresonanz mit dem simulierten Wert vergleichen, um den genauen Wert für den Parasiten zu bestimmen. Sind die simulierten und gemessenen Kurven sehr ähnlich, kann das Modell das Verhalten der Schaltung mit hoher Genauigkeit beschreiben. In der Praxis werden Sie keine so perfekte Übereinstimmung haben, so dass Sie die simulierten Daten (in diesem Fall selbstresonante Frequenz) an ein Modell anpassen müssen (normalerweise linear oder leistungsgesetz). Anschließend können Sie die Beobachtungen aus den Messdaten in das Modell einbinden, um Werte für den zugehörigen Parasiten zu berechnen. Ähnliche Techniken können für andere Tests und Umgebungen verwendet werden.


Wann zum Layout zurückzukehren

Irgendwann, die tatsächliche Leiterplatte Das Layout wird so komplex, dass der Versuch, Parasiten durch Anpassen eines äquivalenten Schaltungsmodells zu extrahieren, schwierig wird.. Technisch gesehen, Sie könnten ein Programm schreiben, das wiederholt die Daten anpasst und einige vordefinierte experimentelle Modelle, but your program would still have to guess exactly what the parasite was and its equivalent circuit arrangement (parallel, Serie, or non-trivial ) produces signaling behavior. An diesem Punkt, Die Alternative ist, zum Feldlöser zurückzukehren, um Parasiten aus dem Leiterplatte layout. Das Extrahieren von Parasiten in der Layoutrückansicht ist sehr einfach. Wählen Sie einfach die Verbindungen aus, um das automatische Extraktionswerkzeug zu analysieren und auszuführen. Der integrierte Feldlöser berechnet die äquivalenten Parasiten im Leiterplatte Layout direkt aus Maxwells Gleichungen.