JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

In this master’s thesis parasitic extraction of a power management integrated circuit was established and evaluated using Ansys Q3D. From PCB the S21 parameter was extracted between two nodes from output and input to efficiently show the parasitic properties of the PCB. Extraction was done over frequencies from 100 kHz to 100 MHz. This was done using multiple different settings for the extraction to find out the optimal settings in terms of accuracy and time to solution.

An evaluation module PCB was designed for the power management integrated circuit using Altium. In this design the best practices for PCB layout design were utilized to get the performance as good as possible. Some of the PCB design choices were evaluated with Ansys Q3D to make an informed decision of the better design choice.

A measurement setup was established and validated by using a known component to ensure the setup is working as expected. The PCB was measured without components except the ones needed for the experiment. Measurements were taken with S21 shunt-through method with spectrum analyser with built-in network option, external vector signal generator and external pre-amplifier to get more dynamic range.

The output and input were evaluated with and without a capacitor to get a broader understanding of the modelling accuracy. A case with two capacitors was tested. These models were compared with a measurement result to evaluate the accuracy of the tools and methods. It was noticed that with simple geometries the different extraction options do not significantly affect the extraction accuracy. At the same time, the time to solution varies greatly which leads to the use of the simpler extraction settings to save time. When comparing the simulation with measurement the best average error was 3.3 % and the worst 34.3 %. The simulations matched the measurements best when a capacitor was placed and worst with open termination with no components. The model accuracies obtained in this thesis reflect what has been seen in previous studies in terms of frequency range and deviation from measured results.

Parasiittisten ominaisuuksien ekstraktointi tehonhallinta piirilevyltä

Tiivistelmä

Tässä diplomityössä parasiittisten ominaisuuksien ekstraktointityövaihe luotiin, sekä sen suorituskyky arvioitiin käyttäen Ansys Q3D ohjelmaa. Piirilevyltä ekstraktoitiin S21 parametri kahden solmun väliltä tulo- ja lähtöpuolelta käyttäen 100 kHz–100 MHz taajuusaluetta. Tällä tavoin saatiin tehokkaasti esitettyä piirilevyn parasiittisten ominaisuuksien muodostama impedanssi. Tämä tehtiin käyttäen useita eri asetuksia, joita on saatavilla ohjelmistossa. Nämä asetukset vaikuttavat eri tavoilla ekstraktoinnin tarkkuuteen. Näitä tuloksia vertailemalla löydettiin tarkkuuden ja simulointiajan suhteen optimaaliset asetukset, joilla tehdä ekstraktointi.

Työtä varten suunniteltiin piirilevy tehonhallinta integroidulle piirille käyttäen Altium ohjelmaa. Tässä suunnittelussa käytettiin hyviä käytänteitä, jotta piirilevyn suorituskyvystä saataisiin mahdollisimman hyvä. Jotkin suunnitteluvalinnoista perustuvat Q3D:llä saatuihin tuloksiin, jotta voitiin valita useista vaihtoehdoista paras.

Mittauksia varten suunniteltiin ja toteutettiin mittausjärjestelmä, jonka toiminta varmennettiin mittaamalla tunnetun komponentin impedanssi ja vertaamalla sitä valmistajan antamaan dataan. Valmistetulta piirilevyltä mitattiin käyttäen vain niitä komponentteja, jotka olivat merkittäviä tutkimukselle. Mittaukset tehtiin käyttäen S21 shunt-through menetelmää käyttämällä spektrianalysaattoria, jossa on sisäänrakennettu verkkoanalysointioptio. Tämän kanssa käytettiin ulkoista vektorisignaaligeneraattoria ja ulkoista esivahvistinta, jotta saataisiin enemmän dynaamista aluetta.

Vertailuun valittiin piirin ulos- ja sisääntuloverkot kondensaattorilla ja ilman, jotta saataisiin laajempi käsitys mallinnuksen tarkkuudesta. Myös kahden kondensaattorin tapaus käsiteltiin. Näitä mallinnuksella saatuja tuloksia verrattiin mittaamalla saatuihin tuloksiin. Työssä huomattiin, että tässä sovelluksessa, jossa on yksinkertaisia geometrioita, eri ekstraktointi vaihtoehdot eivät vaikuttaneet tarkkuuteen huomattavasti. Ekstraktointiin kulunut aika vaihteli huomattavasti joidenkin vaihtoehtojen välillä, jonka takia valittiin yksinkertaisempi mallinnustapa, jotta säästettäisiin aikaa. Verrattaessa simuloituja ja mitattuja tuloksia, huomattiin että paras keskiarvoinen virhe oli 3,3 % ja huonoin 34,3 %. Simuloinnit vastasivat mittauksia parhaiten, kun tarkasteltiin tapauksia, joissa oli käytössä yksi kondensaattori ja huonoin, kun käytettiin avointa terminointia. Tässä työssä saadut tulokset vastaavat hyvin aikaisemmissa tutkimuksissa saatuja tuloksia sekä taajuusalueen puolesta, että eron mittauksen ja simuloinnin välillä.