ibis模型仿真培训教材

1、精品文档 要点： 模型的概论 模型的分类 模型的基本理论 模型的检查 连接器和过孔的模型 .模型的概论 仿真的第一步离不开 IBIS 模型的收集，下面是关于模型的一些基本知识: Some Model and Simulation Basics 而 * Extraction: 一 Materials & Geometryrs - Field Solve Models Models: Behavforald RLCG. Z&Td JS-Param f L Simulation: 一 Models & Stimulus 一 Solve Numerically Voltage

2、& Current -Voltage & Current: Time Corrain (TDlar Frequency Domain(F0)IBIS模型培训 记结呼MS 精品文档 模型产生的流程:精品文档 模型的转换工具: 精品文档 Model translation cntP EShric SPICE to SPiCE - Hspice to Spice3 etc IBIS to DML -IMs2signoise ,q QUAD to DML -Quad2sig noise IBIS to SPICE lt3ls2spZ Down(oad an IBIS to Spice

3、conversion utility from Intusoft. Feedback is requested. Intusoft w廿1 upload templates to work with all versions of Spice 上图中的 IBIS to DML 的转换的工具已经整合到 Cade nee 的仿真工具中，DML 是指 DEVICE MODEL Language 模型的精度： 模型是否能够准确反映器件 BUFFER 的工作状态，直接关系到仿真的准确性, 因此模型内部的检查是必须的： 精品文档 F 面是一个模型的 BUFFER 的图与实际测量的结果对比: How pre

4、cise is your model cade - Simulated ! I- 1 KE IE-.- ttTl-j- DICE - （二） 模型的分类: 模型的分类方式有两种：以文本格式的分类和以器件类型的分类 以文本格式的分类： SPICE （典型的晶体管模型） 同类的模型有 PSPICE HSPICE IBIS （行为极的模型） 器件类型分类的模型： DEVICE MODEL IO BUFFER （ Drive receive） Discrete device Boardmodel INTERCONNECT MODEL Tran smissi on line Conn ector Cab

5、le Package Via Measured 1- 精品文档 IBIS 模型的作用: What can IBIS do? 匝珏“e System Simulation analysis -Board level system -Signal Integrity -Power Integrity -EMI -Mtiboard level system Coupled lines analysisIBIS 模型的定义: 精品文档 SPICE 模型与 SPICE 模型的比较: SPICE VS IBIS 3den空 SPICE 1 IBIS ACCURACY GOOD 1GOOD FREQUENC

6、Y TO MULTI TENG切名 w Series Elements and Series Switches z Specification Enhancements(Typt Min, Max Values. Hysteresis, Overshoots, Immunities) * Submadels(Dynamic Clamps, Bus Hold) / Package Mcde1s(Line&: Sections, Discrete Elements) z Electrical Board Description (For SIMMs, Boards) 模型 3。2 版本主要

7、增加的是 FBGA 的 PIN 模型选择，及多级驱动和动态箝位 （所以特别注意的是当你拿到厂家给你的模型，首先要检查模型的版本信息，当 然观察模型的曲线，版本越高级，曲线的精度越高，但是可能有些芯片的 IBIS 模型版本没有升级到那麽高，但是也要看是否可用，比如我这次有一个器件的模 型中Buffer 的类型是差分 I/O，但是供应商给的版本是 V2.0，模型中没有定义差 分的关键字，由于差分模型是在 V2.1 以上版本才有，所以就必须和厂家联系重 新给你更新版本的 IBIS 模型。还有如果板上有 FBGA 器件也应该使用 V3.2 版本 的 IBIS 模型，因为只有这个版本的模型才有 FBGA

8、 的 PIN 模型的选择。E0 所以 了解器件的特性，才能一开始就向厂家素要正确版本 IBIS 模型。，由于器件的特 性，并不是个版本的模型所增加的内容，都得到体现 ） 拿到模型后，预先要熟悉的信息: 文件头 文件头包含有关于 IBIS 版本、文件名以及资料来源、修订等信息。下面是文件头 的例子。图 2-2 是文件头的示例。 IBIS Ver 3.2 File Name file name.ibs File Rev 1.0 Date 10/24/00 Source xyz datebook IBIS 文件头需要下列关键字： 6&P 精品文档 IBIS Ver 本文件的 IBIS 版本。

9、 File Name IBIS 的文件名（文件名不多于 80 个字母，包括注释在内） File Rev IBIS 文件或模型的修订级别。 F 列关键字在 IBIS 头部分为可选项： Comment Char - 用于改变注释符。默认的注释符为管状线（ |）。 Date 文件创建日期。 Source 模型数据的来源。 Note涉及到文件及元件的相关信息。 Disclaimer - 任何法律的放弃。 Copyright - 任何版权信息。 元件描述 在 IBIS 文件元件描述包含有从数据手册中得到的元件引脚、封装电特性等信 息。在此部分中可定义管脚到缓冲器（模型）的映射。 Comp onent 2

10、56Kx16_4M Ma nu factuer Motorola Package | typ min max R_pkg 100m 40m 200m L_pkg 5.0 nH 2.5 nH 7.0 nH C_pkg 1.5pF 2.5pF 7.0pF 1 Pin signal_name R_pin L_pi n C_pin 1 DQ/ io_ex NA NA NA 2 DQ io_ex NA NA NA 44 A NC NA NA NA 图 2-3 :元件描述部分 在元件描述中 IBIS 需要下列部分关键字 Compoe nt - 标志元件描述的开始，为元件定义一个唯一的名字。一般推荐使用 标

11、准名称作为元件名。 Manu facture - 声明元件生产商的名称。 Package 包括组件导线电阻、电感、电容的变化范围，有典型值、最小值、 最大值。IBIS需要典型值，它必须在最小值和最大值前说明。 Pin将引脚号映射到信号名和模型名上。 IBIS 需要信号精品文档 注意的是：File Name filename.ibs 和Compoent的名字可以不一样的，但是 File Name 后的文件名必须是小写，而且必须与 IBIS 模型的名字完全相同。 模型描述中关注的参数： 注意的是 Tco 的测量是时序测量的条件： Cref ,Rref,Vref,是芯片内部的负载，我们在仿真 参数的

12、选择的时候，如下图： From Library 的选择是考虑到了芯片的负载上的传输延迟， 而 ON the delay 是没有考虑芯片 精品文档 内的负载的。而我们在计算 SWICH DELAY 和 settledelay 的时候，必须考虑芯片的负载。 模型的内部电路 9 上图中，左边的电路为 INPUT 电路，后边为驱动电路，其中的驱动电路中，PULLUP 及PULLDOWN 的结型场效应管，不同的电路模型中，可以有不同，可以是上面为 P 型 MOS，下面是 N 型 MOS，也可以反之。所以不同的 PULLUP 及 PULLDOWN 的电路波形 可能是反向的。典型的三态电路如下 上图是一个

13、I/O模型，通过 In put 及 En able 电平变化来实现两个 MOS 管的导通和 截止，输出不同电平测量 V-I曲线，三态时，IBIS 仅需要四个设定的 I-V 关系曲线，一个 是下拉接通（输出为低）的关系曲线，另一个是上拉接通（输出为高）的关系曲线。下拉 的 I-V 关系数据以地为参考源定义为 Pulldown，上拉的 I-V 关系数据以器件供给正电源 为参考源定义为 Pullup 。 当不使能时， 两管截止测量二极管的箝位特性， 可以使用 POWER Clamp和GND Clamp说明二极管的钳位特性。 当信号电压高于器件的电源电压 时为电源钳位POWER Clamp，信号电压低

14、于参考地时为地钳位 GND Clamp。而对于这 四个设定 I/V 曲线有分别在 MIN,MAX,TYP 测量情况，因此 3-states 有 12 条 I/V 曲线 设置。 Output On lly Buffer 在这种模型中，IEIS仅需要两个设定的 I-V 关系曲线，即上拉 MOS 管导通，或 下拉 MOS 管导通时， 测量的 Pull-down和 Pull-up 的 I -V 曲线， 同样它们也 MIN,MAX,TYP 测量情况，精品文档 因此 O utput 的模型应该有 6 条 I/V 曲线设置。这种模型需要使用 C_comp 说 明驱动器的管芯电容。 Output 模型中逻辑状

15、态的转换(低到高或高到低)与下图所示的线性斜率近似。斜 率不包括封装影响，只包括驱动电容的影响。 Ramp描述了两个参数，dV/dt_r 说明上升 时间，dV/dt_f 说明下降时间。 dV/dt_r -dV 是信号上升沿由 20%至 80%的幅度范围，dt_r 是指此上升范围所用的时 间。 dV/dt_f -dV 是信号下降沿由 80%至 20%的幅度范围，dt_f 是指此下降范围所用的时 间。 R_load -确定斜率的测试负载。 Timo 对于上面的 V/T曲线只有 I/O,三态和 Output 的模型才有，而斜率的测试负载 R_load 一般是 5 0 om,如果驱动能力差，那麽 5

16、0 欧姆可能不满足要求，那麽会加入更 大一些的电阻，来提高驱动能力。而对于后面提到的 Open Drain 或是 ECL 类型的 Buffers, 负载电阻和电压是特定的。 In put Buffers 一个 In put 模型与其它基本 IBIS 模型的区别仅在模型部分不同。 In put 有两个 I-V 关系 曲线的集合，一个是地钳位，一个是电源钳位。汇集的地钳位数据 指信号电压相对于参考源地的电压电流关系数据； 汇集的电源钳位数据指信号电压相对于参 考源供电电源的电压电流关系数据。仅在器件中有钳位特性时， IBIS 需要电流输入表建模。 IBIS 需要 C_comp 参数描述接收器的管芯

17、电容。 对于所有的 In put 模型，IBIS 需要 Vin1 和 Vin2参数，这两个参数描述了缓冲器的开关阀值电压。同 Output Buffer 模型一样也 6 条 I/V 曲线设置。 Ope n Drain Buffers 一个 Open Drain 模型有三个 I-V 关系曲线的集合，一个是一个是下拉接通 (输出为低) 的关系曲线(Pull-down ), 个是地钳位(Gnd clamp), 一个是电源钳位(Power clamp),由 于 Open Drain Buffers 没有接上拉 MOS 管，所以没有 Pull-up 的 I/V 曲线，同样它们也有在 MIN,MAX,TY

18、P 测量情况，所以共有 9 条 N曲线设置。 上面所描述的模型都是 TTL 类型的，它们的驱动方式是行为极， 主要通过 CMOS 的导 通和关断方式来完成。而这种模型的扫描电压范围是V cc 至 U 2*Vcc.但是对于 Open Drain Buffers 的扫描电压范围不是由内部的工作电压决定的， 而是由外加的上拉电阻的电压 决定，所以它的扫描电压范围是 V-ref 到 2Vref 对于 Pull-up 和 Power clamp 的数据是与内部工作电压 Vcc 相关的 ,当 Vcc 变化时，扫描 范围也是随 Vcc 变化的。如下数据是很多 IEIS模型中经常可见的，如一个器件的工作 电压

19、为 3.3v+/-10%, 因此扫描的范围是 typ min max 精品文档 -3.3v to 6.6v -3.6v to 6.3v -3.0v to 6.9v 一般情况下，扫描电压的范围在 Vcc 到 2*Vcc. 但是在混合电压的情况下，我们应该 使用大的电压值做为扫描范围。如一个电压为 3.3v 容余最大值为 5v 的 Buffer ，那它的扫描 范围在 5v to +10v. Open Drain 器件的扫描范围是由外接上拉电阻的电压决定的，与内部的工作电压 Vcc 无关， 扫描电压的范围在 Vpullup to 2*Vpullup. 同时还要注意的模型中的 Pullup 和 POW

20、ER Clamp中的电压值Pullup和POWER Clamp中的电压值 V 是相对于电源的，即 V =VDD-V Output；而Pulldown和GND Clamp中的电压值 V 是相对于地的，即 V = Voutput。图 表中电流I table的方向，规定流入器件的方向为正，流出为负。 终上所述模型的定义有模型名、模型类型、 C_comp、DC 参数或时序参数、 V/I 数据表 （包括 Pullup、Pulldown 、POWER Clamp 和 GND Clamp）、Ramp 数据表（包括测试的温度 范围、电压范围、dV/dt，以及参考负载 R_load ）和 V/t 数据表（通常给

21、出 4 个 Waveform 数 据表，即参考电压为供电电源时的 Rising Waveform 和 falling Waveform 数据，以及参考电 压为地电平时地 Rising Waveform 和 falling Wavefor ，同时每个数据表还常常给出了参考负载 R_fixture 5）等信息。模型类型可以是 Output， Input， 3-state， Output-Ecl 以及 Open-drain 等 I/O 属性。 模型类型的 I/O 属性不同， 对 DC 参数或时序参数以及数据表要求的内容也不 同。以模型类型是 Input 为列，只需要 DC 参数 Vinh 和 Vin

22、l 值，以及 V/I 数据表的 POWER Clamp 和 GND Clamp 数据。而模型 I/O 类型，除 DC 参数 Vinh 和 Vinl ，还需要时序参数 Vmeas, Rref, Cref 和 Vref,以及完整的 V/I数据表、Ramp 数据和 V/t 数据表等信息。 需要说明的是，对于 Output 类型的模型，该部分中时序参数 Vmeas, Rref, Cref 和 Vref 是必须的,而 Vinh 和 Vinl 不要求。 我们可以举列对上面的模型电路进行进一步解释： 下面模型的波形是上研所提供, 模型 文件名为 ca91l862a.ibs 如图所示精品文档 需7霊LBjLB

23、jIr我黑TnTn- -lulu. . 30 00口 D | IBIS File Qpjm.ibs createdi by s2ibi&2 uersiQin 2.1 塁* * * * * 4C 4 * M 4 *V H * 4C 吕* 址里 4f H * 4C么里 W M * !峑* 星 F1U HCU i IM te LHates Blwldliwr P.1 ujQIIS42jAbs 1.H 旳 03- 2 00 Thp data is simulatinn haspd This Is for RBdallLnq purposes Ohly. History : ff3&9l

24、862.m U91.01 - Pin List carrectians, 43&91862.MlBB1.82 - HEui5Ed Power Pin$* Tbi is the Tundra Qpan H ECAAl-軸M-碍E= TBTS MOtEL fur d 3 U PCI blynfiling etiulrdrirtEtil x I nW is 1 undr J Document nabViH6.MUUKd M-W-HWKmfMWM WK mtNWKhUrNWN WW M-W-NWKi41fNWM WK M-W-MWKailfMW CaiipQnvni QSPflH *莫 M 昱

25、莫 M W 墓*莫M f 墓昱莫=M昱莫 M ； Copponent HanuFdctuner j LFacHaqel | variable 5。 5 勺 C pkQ Tundrd Seiiicundu匚I:口厂 Carpcrdtinn tUP 怖 ?.5nH 1l-3pF mni ；? I.InH 1-2pF RSK 75n U.3nH UJpF Pin signal name mcdpl_namp G?E1 AB IQA Cl? Al ton R2U fl2 iUA 19 A3 fOA F7 0 TDA G17 A5 IDA G17 R6 ion F117 fl? TflA AIS BIO

26、 C16 C11| Rlli tm C13 胭 A? AID A11 Al? A13 R1J| ID白 IOA lUfl IDA IDA IDA IDR ，分别抽取的模型名为输出模型 OUTB，和输入模型输入 ING PULLUP波形如下： 精品文档 F:OUTB.sim Sut-Tide OUTBMiZ PuILp 0U7B Typ 就却 OUTB Miij Pdlikj PULLUP和POWER GLAMP时，记住在分析电路的驱动电压时， Vout=Vcc-Vtable,所以上 图对应的-3。3V，在实际电路中，应为 6。6V 左右，电压应反向分析。而且模型中一定会 提供电源电压 Vcc,

27、的值， 理论上PULLUP的扫描电压应是-Vcc 到 2Vcc,但不排除，有些 模型的电压范围没有完全包涵， 或超过扫描范围。上面的就是电压范围不够。但是在这个范 围内取样点足够也是可以的。上面的曲线，我们可以看出在对应的 6.6V 时，电流最大，当 正向电压逐渐降低时，电流减小，所以可以判定，上拉的 MOS 管为典型 N 型 MOS 管正向 电压导通。电流为正。 下 面 是 对 应 的 PULL DOWN 的 波 形： 三uti rule VFgn W. 匚i5且 IVtoM FullxlaWfli Ol_Tre Typ FixJdc wi OLJTB Kim FuEtlawft 从上面的波

28、形，我们可以看到，导通后，当电压为 -3。3v时，对应的电流为最大，当精品文档 负向电压减小时，电流值减小，所以是很明显的 P 型 MOS 管福向电压导通，电流方向为负。 PULL UP及PULL DOWN对应的波形状况， 取决于不同类型的 MOS 管，这里没有一 个固定的规律可寻。 下面是输入模型对应的 POWER GLAMP和GND GLAMP POWER GLAMP Vo：tflEC V peci_pon uMaz PWH. - f ed_part in JJrr. FWR pec_|)ort_jrZfi ahF 4TJP I引 aril irjhi?J3 側 4 MIL 51L J5

29、IR 引同 MT 斗 NIL 511 J5丨底酗评 D4 血TVE Hpreiop t m J MJL 非?J3 ohm Fl阳 I MIL SIL 吗 lit OJH 何上NJL .js IR 图 12： MPC860 的时钟网络拓扑 图 13：不收敛错误报告 精品文档 Time ns 图 14:原 860CLK 的上升沿 V/T 曲线 Time ns 图 15： 原 860CLK 下降沿 V/T 曲线 从图 14、图 15 显而易见原 860CLK 的上升沿和下降沿 V/T 曲线存在问题。 由于无法 获得更准确的模型。我们采取将上升沿和下降沿 V/T 曲线屏蔽掉的措施。得到 50MHZ 时

30、钟 的仿真结果如图 16。 3 2 精品文档 图 16:仿真结果 使用 TEK TDS3032 300M 2.5GS/S 示波器在实际在 PCB 板上测得的波形读入仿真的 SigWave中的效果见图 17。 将仿真波形与实测的波形叠加比较效果见图 18。由图可见，定性的来说，仿真波形与 实测波形比较接近，仿真结果具有参考价值。两种结果存在一些偏差， 造成偏差的原因可 能来自三个方面： 一是，模型本身的准确度不够，模型的上升沿和下降沿 V/T 曲线被屏蔽 掉，影响仿真结果。 二是，示波器的带宽不够，存在测量误差。三是，示波器的探头阻抗 失配，造成测量误差。 10 刘 3D 40 0 so 03.

31、21 mV - PO 100 110 120 Time ns 2.00 V 精品文档 Time ns 图 17：实测的波形读入仿真的 SigWave 中的效果精品文档 3 3 I 20 3C 40 Time ns 图 18:将仿真波形与实测的波形叠加比较效果 五.连接器与过孔的模型 2 2 精品文档 F面是连接器模型的等效电路图：精品文档 连接器的单线模型等效电路: Connector Model Single Line Model charactrize by Z and Tpd cowLrrus 1 1 -+H r i bA-a i 斗 . I A Single Line model us

32、ed in anaFysis at: Propagation Delay Attenuation Reflections Tinning Impedance 连接器的多线等效电路: Connect Model Mutil-Line Model Mutil-hne model are used for analysis of: Propegation Delay Attenuation Reflections Timing impedance Characteraze by RLC cade 精品文档 Crosstalk EM-Coupling The fundaiDGntai of MutJI

33、-Line mode structure精品文档 如何从连接器的 SPICE CONNETOR 模型产生 DML 文件： 1改变和编辑 SPICE 模型 2从 SQ/SIGXP 中增加一个新的库 3 .从一个已经存在的 E-SPICE 模型中 CLONG 个 SPICE 模型 4编辑这个库文件的 DML 文件 5. 改变一些文件的属性：模型的名字， PIN 的连接关系，去掉子电路中多 余的 ENDS 6. 在 SQ/SIGXP 中检测这个 ESPICE 模型。 仿真实例分析 1. LVDS 差分线和单端匹配的分析 2. 系统仿真的分析 3. 同步时序的分析 LVDS 差分线的分析 LVDS 基本知识 LVDS 是 Low Voltage Differential Signal 的缩写，即用非常低的电压摆幅在两 条 PCB 线或平衡电缆上通过差分传送数据。不同的芯片其电压摆幅大小可能会 有些微小差别，但其电压摆幅可根据资料提供的终端匹配电阻乘以驱