parasitäres Element
Englisch: parasitic
Eine Schaltungskomponente, die nicht im Schaltplan dargestellt ist, sich aber auf das Verhalten der Schaltung auswirkt.
Parasitär: unerwünschtes Schaltungsverhalten mit Konsequenzen
Ein Parasit ist eine elektrische Eigenschaft oder Komponente, die in einer echten Schaltung vorhanden ist, aber nicht im Schaltplan auftaucht. Sie entsteht aus der physikalischen Realität von Leitern, Isolatoren und Geometrie. Wenn man einen Draht als einfache Linie zeichnet, ignoriert man seinen tatsächlichen Widerstand, seine Induktivität und Kapazität. Wenn man einen Transistor zeichnet, ignoriert man die Kapazität zwischen seinen Anschlüssen und dem Substrat. Diese ignorierten Eigenschaften spielen oft eine enorme Rolle bei hohen Frequenzen, hohen Strömen oder hohen Schaltgeschwindigkeiten, wo sie die Leistung verschlechtern, Rauschen verursachen, Übersprechungen auslösen oder Oszillationen hervorrufen.
Die drei wichtigsten parasitären Familien sind Widerstand, Induktivität und Kapazität. Parasitärer Widerstand tritt in Verdrahtungen, Bonddraht und Via-Strukturen auf; er verbraucht Leistung und erhöht das Rauschpegel. Parasitäre Induktivität, gemessen in Nanohenry pro Millimeter Leiterlänge, ist das Hauptproblem in Schaltnetzteilen und hochfrequenten Digitalschaltungen; sie verursacht Spannungsüberschwinger, Schwingungen und elektromagnetische Störungen. Parasitäre Kapazität tritt zwischen zwei beliebigen Leitern auf, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, einschließlich benachbarter Leiterbahnen auf einer Leiterplatte, Bauteilbeine und Bereiche auf einem Siliziumchip. Bei niedriger Frequenz ist sie unmerklich; bei Gigahertz-Frequenzen koppelt sie Signale, belastet die Verstärkerausgänge und dominiert die Impedanz.
Extraktion und Management
Der moderne integrierte Schaltungsentwurf beinhaltet parasitäre Extraktion, einen Berechnungsschritt, der die tatsächliche Geometrie des Layouts simuliert, alle parasitären Elemente numerisch berechnet und das Schaltungsmodell vor der Simulation aktualisiert. Die extrahierte Netzliste enthält Widerstände (Milliohm bis Ohm), Induktivitäten (Pikohenry bis Nanohenry) und Kapazitäten (Femtofarad bis Pikofarad) an jedem Knoten. Ohne Extraktion sagt die Simulation ein Verhalten vorher, das der gefertigte Chip nicht zeigt.
Beim Design auf Boardebene beginnt das parasitäre Management mit Schichtaufbau, Leiterbahnrouting und Via-Platzierung. Ein Stromverteilungsnetz mit schlechter Induktivität wird schwingen, wenn die Last schaltet; ein Differenzpaar mit unkontrolliertem Abstand und Routing wird Übersprechen in benachbarte Signale einführen. Messtechniken wie Netzwerkanalysatoren und Zeitbereichs-Reflexiometrie zeigen parasitäre Effekte in montierten Boards. Hochfrequenz-Designer simulieren routinemäßig den Frequenzgang von Leiterbahnen, berechnen Einfügungsdämpfung und modellieren Stub-Effekte durch unterbrechungsfreie Vias.
Der Begriff parasitär ist aus der Biologie entlehnt: Wie ein Parasit erscheinen diese Effekte nicht im idealisierten Schaltplan, sondern zehren von der Energie und Bandbreite der Schaltung und verschlechtern ihre beabsichtigte Funktion. Parasitäre Effekte zu ignorieren ist eine häufige Ursache für Ausfälle bei Designs, die in der Simulation funktionieren, aber auf der Werkbank ausfallen.