Feld-Solver

Feld-Solver sind unverzichtbare Werkzeuge für Konstrukteure integrierter Schaltkreise und Leiterplatten, um die elektrische Leistung ihrer Konstruktionen zu analysieren und zu optimieren.

Was ist ein Feld-Solver?

Ein Feld-Solver ist eine elektromagnetische Simulationssoftware, die die Maxwell-Gleichungen löst. Er kann die vollständigen Maxwell-Gleichungen lösen (Vollwellen-Solver) oder einen Teilsatz wie parasitäre Kapazitäts- oder Induktivitätsextraktion.

Die elektromagnetische Simulationssoftware hilft bei der Simulation elektromagnetischer Felder und der Lösung komplexer Gleichungen, um die Funktionalität und Zuverlässigkeit des Endprodukts zu gewährleisten. Eine gängige Unterscheidung bei Feld-Solvern ist die zwischen differentiellen und integralen Solvern, die jeweils ihre eigenen Stärken und Anwendungen haben.

Die Vorteile verstehen

Was sind die Vorteile der Verwendung eines Feld-Solvers im Vergleich zur Verwendung eines Standardtools für parasitäre Extraktion?

Die Leistung der Schaltung verbessern

Erzielen Sie eine beispiellose Genauigkeit bei der Berechnung parasitärer Kapazitäten, um eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit integrierter Schaltkreise zu gewährleisten.

Konstruktionseffizienz verbessern

Identifizieren und beheben Sie potenzielle Probleme schnell in einem frühen Stadium des Konstruktionsprozesses, wodurch Entwicklungszeit und -kosten erheblich reduziert werden.

Produktintegrität sicherstellen

Durch die genaue Simulation elektromagnetischer Wechselwirkungen können Sie die Integrität und Funktionalität Ihrer Konstruktionen unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen sicherstellen.

Differentielle Feld-Solver

Differentielle Feld-Solver funktionieren, indem sie die Maxwell-Gleichungen mit Hilfe von Finite-Differenzen-Methoden lösen. Diese Methoden diskretisieren den Raum in ein geradliniges Gitter, in dem die elektrischen und magnetischen Felder an jedem Punkt berechnet werden. Dieser Ansatz eignet sich gut für die Analyse von hochfrequenten Effekten und scharfen Übergängen wie z. B. Signalspuren auf einer Leiterplatte oder Verbindungen auf einem Chip. Die Genauigkeit eines differenziellen Solvers hängt von der Größe der Gitterzellen ab, die zur Diskretisierung des Raums verwendet werden, wobei kleinere Zellen zu genaueren Ergebnissen führen, aber mehr Rechenressourcen erfordern.

Finite-Differenzen- (FD) und Finite-Elemente-Methoden (FEM)

Die differentielle Form des Feldes gibt es in zwei verschiedenen Varianten: Finite-Differenzen-Methode (FD) und Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Finite-Differenzen-Methode bietet hervorragende Konvergenzeigenschaften. Durch die richtige Abstimmung der Gitterauflösung und der numerischen Schemata können Entwickler mit minimalem Rechenaufwand hochgenaue Lösungen für Feldgleichungen erzielen. Dies macht es zu einer attraktiven Wahl für zeitkritische Anwendungen für die Konstruktion integrierter Schaltkreise, bei denen schnelle Durchlaufzeiten unerlässlich sind.

Integrale Feld-Solver

Integrale Feld-Solver nutzen hingegen numerische Integrationstechniken, um die Maxwell-Gleichungen über Flächen oder Volumina in einer Konstruktion zu lösen. Integrale Solver beruhen auf der Diskretisierung elektromagnetischer Feldquellen, wie z. B. der Oberflächenladungsdichte, um die Kapazität zu lösen. Zu den gängigen Algorithmen gehören die Randelementmethode (BEM) und die Momentenmethode (MoM).

Floating-Random-Walk-Solver (FRW)

Der Floating-Random-Walk-Algorithmus (FRW) wird in der Regel auch mit Feld-Solvern gruppiert, wobei es sich offiziell nicht um echte Feldlöser handelt, da nicht nach Feldern im Allgemeinen aufgelöst wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Feldl-Solvern, die deterministische Methoden zum Lösen von Gleichungen verwenden, führt der FRW-Algorithmus ein stochastisches Element ein, indem er Random Walks in die Simulation integriert. Diese Zufälligkeit ermöglicht eine realistischere Darstellung der Partikelbewegung in komplexen Umgebungen. Einer der Hauptnachteile von FRW ist die zeitaufwändige Natur des Algorithmus. Es ist eine große Anzahl von Iterationen erforderlich, um genaue Ergebnisse zu erhalten, was die Simulationszeit erheblich verlängern kann.

Drei differenzielle und integrale Solver

Von links nach rechts: Darstellungen von differenziellen Feld-Solvern, integralen Feld-Solvern und Floating Random Walk. Mit differenziellen Feld-Solvern (Finite-Differenzen-Methode FDM und Finite-Elemente-Methode FEM) wird der Chip mit einem geradlinigen Gitter dargestellt. Bei integralen Feld-Solvern (Boundary Element Method BEM und Method of Moments MoM) wird nur die Berandung diskretisiert. Mit dem Floating Random Walk, der offiziell kein Feld-Solver ist, da er nicht nach Feldern auflöst, werden zufällige Pfade von Teilchen zwischen zwei Leitern simuliert.