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Resistenza DC, capacità parassitaria e induttanza parassitaria del layout della scheda PCB
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Resistenza DC, capacità parassitaria e induttanza parassitaria del layout della scheda PCB

Resistenza DC, capacità parassitaria e induttanza parassitaria del layout della scheda PCB

2022-08-08
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Author:pcb

Molti progettisti sono abituati a pensare al comportamento del sistema in termini di Scheda PCB modelli. Questi modelli e schemi di circuito sono corretti in una certa misura, ma mancano alcune informazioni importanti che determinano il comportamento del sistema. Le informazioni mancanti nel diagramma del circuito sono la geometria del reale Scheda PCB layout, che determina come gli elementi del sistema sono accoppiati elettricamente e magneticamente tra loro. Quindi, cosa provoca l'accoppiamento del campo elettromagnetico tra gli elementi del circuito, conduttori, ferriti, e altre strutture complesse in un reale Scheda PCB o IC? Ciò è determinato dall'interazione tra campi elettromagnetici e materia, ma un modo concettuale per riassumere il comportamento del segnale in sistemi complessi è quello di considerare l'accoppiamento in termini di elementi del circuito parassitario, o parassiti in breve. L'introduzione di parassiti nei modelli di circuito può aiutare a spiegare il comportamento inaspettato o indesiderato del segnale e dell'alimentazione elettrica nei sistemi reali, rendere gli strumenti di modellazione parassitaria molto utili per comprendere il comportamento del circuito e del prodotto.

Scheda PCB

Questo perché un diagramma del circuito semplicemente non può illustrare qualche funzione importante di una scheda PCB effettiva, IC o qualsiasi altro sistema elettrico. Le parassite sono rappresentate nei diagrammi di circuito come resistenze, condensatori e induttori, a seconda di come si comportano nel dominio di frequenza. Si noti che i parassiti sono discussi quasi interamente in termini di circuiti LTI, il che significa che i parassiti sono trattati anche come lineari e variabili nel tempo. Parassiti variabili nel tempo e non lineari impiegano tecniche di modellazione più sofisticate che coinvolgono l'iterazione manuale nel dominio del tempo. Possono anche essere molto sensibili alle condizioni iniziali del sistema, soprattutto in presenza di feedback. Sebbene la scheda PCB effettiva sia complessa, i sistemi LTI coprono la stragrande maggioranza dei sistemi elettrici pratici. Determinare gli effetti parassitari sta essenzialmente determinando il comportamento in frequenza del sistema poiché l'effetto degli elementi parassitari sul segnale è una funzione della frequenza. Confrontando il comportamento di frequenza del [sistema ideale + possibili parassiti] con le [misure effettive del sistema], è possibile identificare possibili parassiti che producono comportamento dipendente dalla frequenza nel sistema.


Cosa determina i parassiti e cosa non è considerato nel diagramma del circuito?

Molti aspetti di un sistema reale possono creare parassiti inaspettati in un layout di scheda PCB, IC o qualsiasi altro sistema elettrico. È importante notare ciò che non può essere considerato nel diagramma del circuito prima di tentare di estrarre parassiti utilizzando la simulazione SPICE. La distanza tra i vari conduttori, la loro disposizione sul bordo e la loro area trasversale determineranno la resistenza DC, la capacità parassitaria e parassitaria

induttanza. Costante dielettrica: La costante dielettrica del dielettrico della scheda PCB è alta, che determina la capacità parassitaria tra gli elementi del circuito. Permeabilità: Per i componenti magnetici, la permeabilità svolge anche un ruolo nel determinare il comportamento del segnale e della potenza, poiché questi componenti creano induttanza parassitaria. Quando operano ad alte frequenze, trasformatori in ferrite e altri componenti magnetici possono agire come induttori o radiatori.

Comportamento delle onde viaggianti. Qualsiasi segnale che si propaga nella scheda PCB effettiva e nelle interconnessioni è una forma d'onda propagante. La propagazione delle onde elettromagnetiche crea effetti di linea di trasmissione in interconnessioni che non possono essere modellati con un semplice diagramma di circuito. La simulazione SPICE dovrà essere modificata per tenere conto della velocità finita della forma d'onda. Cose come gli effetti di tessitura della fibra, in particolare fenomeni all'interno di un substrato di scheda PCB, sono difficili da simulare facilmente con la modellazione del circuito o la simulazione post-layout, in quanto i modelli di circuito coinvolti possono diventare difficili. Tuttavia, la simulazione del circuito può aiutare a esaminare ampiamente il comportamento dipendente dalla frequenza in una scheda PCB. Altri parassiti, come la capacità di ingresso/uscita o l'induttanza del filo di legame sui circuiti integrati, possono essere facilmente determinati perché il tipo di parassita e la sua posizione possono essere conosciuti con certezza.


L'esempio schematico qui sotto mostra un tipico modello di circuito per esaminare e spiegare il rimbalzo al suolo in un circuito integrato. Questo effetto si verifica a causa dell'induttanza parassitaria nel filo di terra (etichettato L nello schema). Tuttavia, ci sono altri fattori nel circuito che influenzano il comportamento del circuito in presenza di rimbalzo a terra. Due condensatori all'uscita del driver e all'ingresso del carico simulano la capacità parassitaria dovuta ai pin sul IC. Le resistenze sulle linee I/O simulano la loro resistenza parassitaria DC. L'obiettivo dell'estrazione parassitaria è solitamente quello di stimare il comportamento dipendente dalla frequenza di un sistema al fine di descrivere ampiamente il sistema come capacitivo o induttivo su determinati intervalli di frequenza. Utilizzando il tipo di schema mostrato sopra, è possibile estrarre effetti parassitari confrontando i risultati della simulazione con le misurazioni sperimentali. Basta utilizzare le scansioni di frequenza per simulare i circuiti, o gli impulsi per fornire analisi transitorie dei circuiti. Quindi, è necessario confrontare i risultati con i dati di misura per identificare i parassiti nel sistema.


Ci sono due modi per estrarre i parassiti in SPICE. Entrambi richiedono una comprensione dei parassiti che possono essere presenti nel sistema o devono essere confrontati con le misure del layout finito della scheda PCB:

1) Metodi analitici, implicano l'uso di equazioni analitiche per calcolare il comportamento dipendente dalla frequenza di modelli di circuito banali o non banali. I valori dei componenti sono di solito derivati da schede tecniche o da precedenti esperienze.

2) Il metodo di regressione, che viene utilizzato quando i valori equivalenti degli elementi del circuito parassitario non sono noti, sebbene sia noto un modello generale che descrive la relazione tra il circuito parassitario e il valore misurato. I metodi di regressione standard possono essere utilizzati per determinare l'accordo tra il modello e i dati.

Nei prossimi esempi, prenderemo in considerazione come eseguire la simulazione PSpice necessaria per entrambi i metodi. Invece di assumere un unico valore per vari parassiti, assumeremo vari valori possibili ed esamineremo la risposta in frequenza utilizzando la simulazione SPICE. I risultati possono essere utilizzati per costruire un modello che descrive come la risposta in frequenza del circuito dipenda da determinati valori falsi, che possono poi essere utilizzati per calcolare valori falsi dai dati di misura.


Ad esempio, vediamo come estrarre la capacità parassitaria in un condensatore identificando la sua frequenza autoresonante. L'auto-risonanza è un fenomeno ben noto nei condensatori ad alta frequenza a causa della resistenza e dell'induttanza di serie parassitarie. Nello schema sottostante, abbiamo un condensatore valutato a 4.7pF, e vogliamo estrarre l'induttanza parassitaria e la resistenza. Qui, stiamo spazzando la frequenza della fonte e anche spazzando i valori falsi. Questo viene fatto spazzando i parametri nel dominio della frequenza, che ci darà un insieme di curve per le nostre misurazioni attuali. Possono quindi essere utilizzati per estrarre la frequenza autoresonante e il valore ESL. Per fare ciò, è necessario impostare un parametro globale per ogni valore di componente che si desidera eseguire la scansione. Questo viene fatto aggiungendo la parte PARAM allo schema e quindi inserendo il nome del parametro nel valore del componente. I dati estratti dalle simulazioni SPICE possono essere utilizzati in metodi analitici o metodi di regressione. Nell'approccio analitico, i valori parassitari possono essere calcolati direttamente dalla risposta simulata purché esista un modello della risposta in frequenza in funzione del valore parassitario (in questo caso la frequenza autoresonante del condensatore). Nell'esempio precedente, vogliamo confrontare l'impedenza misurata o l'auto-risonanza con il valore simulato per determinare il valore esatto per il parassita. Se le curve simulate e misurate sono molto simili, il modello può descrivere il comportamento del circuito con alta precisione. In pratica non avrai una corrispondenza così perfetta, quindi devi adattare i dati simulati (frequenza autoresonante in questo caso) ad un modello (solitamente lineare o legge di potenza). È quindi possibile inserire le osservazioni dai dati di misura nel modello per calcolare i valori per il parassita associato. Tecniche simili possono essere utilizzate per altri test e ambienti.


Quando tornare al layout

Ad un certo punto, il reale Scheda PCB Il layout diventa così complesso che cercare di estrarre parassiti installando un modello di circuito equivalente diventa difficile. Tecnicamente, si potrebbe scrivere un programma per adattarsi ripetutamente ai dati e qualche modello sperimentale predefinito, 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. A questo punto, L'alternativa è quella di tornare al solutore di campo per estrarre parassiti dal Scheda PCB layout. Estrarre parassiti nella vista posteriore del layout è molto semplice. Basta selezionare le interconnessioni per analizzare ed eseguire lo strumento di estrazione automatica. Il solutore di campo integrato calcolerà i parassiti equivalenti nel Scheda PCB layout direttamente dalle equazioni di Maxwell.