IBIS仿真模型的修正研究(图文)

1、IBIS仿真模型的修正研究(图文)论文导读：在这种情况下，高速PCB设计过程中的仿真变得越来越重要。目前，常用的芯片仿真模型有两种，一种是SPICE模型，另一种是IBIS模型。随着信号上升时间越来越快,在高速PCB设计过程中必须进行信号完整性仿真分析。关键词：高速PCB，IBIS，信号完整性，模型修正1 引 言随着IC制造技术的不断提高，电子系统的也不断的向大规模、小体积、高速度开展。电路的布局布线密度变大,同时信号的频率还在提高,从而使得原本平安合理的设计变得充满错误，如何处理高速信号带来的新问题成为一个设计能否成功的关键。在这种情况下，高速PCB设计过程中的仿真变得越来越重要。目前，常用的

2、芯片仿真模型有两种，一种是SPICE模型，另一种是IBIS模型。免费论文参考网。IBIS模型只描述器件的外部特性，不涉及器件的内部细节，不会泄漏技术机密，因此得到了芯片制造商的支持。从而使IBIS模型得到了广泛的应用。在将IBIS 应用于大规模的系统仿真之前，不仅要保证IBIS模型正确表达了电路，还需要验证其仿真精度能否到达系统仿真的需要。文章针对IBIS模型在仿真中产生的不准确和偏差进行了分析，并提出了修正算法，对影响IBIS模型准确性的局部参数进行修正，以提升仿真效率和仿真准确性，提升单板免测率以及成功率。2 IBIS介绍2.1 概 述IBIS模型采用I/V和V/T表的形式来描述数字集成电

3、路I/O单元和引脚的特性, 现在各主要的IC制造商都能够在提供芯片的同时提供相应的IBIS模型【1】。IBIS模型的分析精度主要取决于I/V和V/T表的数据点数和数据的精确度, 是一个简单的模型,计算量小,速度快,精度高,它用反映芯片驱动和接收电气特性的文件格式来记录驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数,非常适合做振铃和串扰等高频效应的计算与仿真【2】。由于这些优点, IBIS模型得以迅速开展和广泛应用,现在已成为了正式的工业标准(EIA/AN-SI656-A)。免费论文参考网。2.2 IBIS根本组成一个IBIS文件包括了从行为上模拟一个器件的输入、输出和I/O缓冲器所需要的数据，

4、它以ASCII的格式保存。IBIS文件中的数据被用来构成一个模型，这个模型可以用来对印刷电路板进行信号完整性仿真和时序分析。进行这些仿真所需的最根本的信息是一个缓冲器的I/V参数和开关参数(输出电压与时间的关系)。要注意的是，IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一个标准的IBIS文件中如何记录一个芯片的驱动器和接收器的不同参数，但并不说明这些被记录的数据如何使用，这些参数要由使用IBIS模型的工具来读取。IBIS模型是以元件为中心的，也就是说，一个IBIS文件允许模拟整个的一个元件，而不仅仅是一个特定的输入、输出或I/O缓冲器。因而，除了器件缓冲器的电学特性参数以外，IBIS文件还包括了器件

5、的管脚信息以及器件封装的电学参数。从Version 1.1开始，就定义了一个IBIS模型文件的最根本的组成元素为I/V数据表、开关信息和封装信息如图1。图中，模块1 PullDown和模块2 PullUp表现了标准输出缓冲器的上拉和下拉晶体管，用直流I/V数据表来描述它们的行为。模块3中的Power_Clamp和Gnd_Clamp是静电放电或钳位二极管，也是用直流I/V数据表来描述的。模块4在IBIS文件中是Ramp参数，表示输出从一个逻辑状态转换到另一个逻辑状态，用dV/dt来描述某一特定阻性负载下输出波形的上升沿和下降沿。模块5描述的是体电容和封装寄生参数，其中C_comp是硅晶元电容，它

6、是不包括封装参数的总的输出电容;L_pkg、R_pkg和C_pkg分别是由封装带来的寄生电感、寄生电阻和寄生电容。如果描述的仅仅是输入管脚的IBIS模型，那么只由模块3和模块5两局部组成即可。IBIS标准要求的I/V曲线的范围是-Vcc到(2*Vcc)，制定这一电压范围的原因是，由全反射所引起的过冲理论上的最大值是两倍的信号摆幅。Gnd_Clamp的I/V曲线范围定义为-Vcc到Vcc，而Power_Clamp的I/V曲线范围是0到(2*Vcc)。要注意的是，Pullup和Power_Clamp在IBIS文件中的电压Vtable为Vcc-Voutput。3 IBIS模型与SPICE模型的吻合度

7、验证3.1波形比拟算法分析为了对IBIS模型的仿真结果与SPICE模型的仿真结果进行验证，必须能够对波形数据进行定量计算，得出波形吻合度的具体数值。根据IBIS委员会关于模型质量度量的文档中提出的重叠比拟法Overlay Metric，可以非常方便的实现波形的验证，其核心是三个计算公式。-(3-1)-(3-2)-(3-3)fom1first figure of merit计算相对偏差的累积平均，fom2计算最大的相对偏差，fom3那么计算偏差的最大值。3.2算法处理步骤Step1.导入待比拟的原始数据；Step2.设置阈值电压值，找出阈值电压与波形的交叉点，一般为与第一个上升沿的交叉点；Ste

8、p3.以此交叉点为基准，进行波形的移位，使它们根本对齐；Step4 选中一局部时间段内的数据进行计算，截去不必要的数据；Step5.最后将这些处理后的数据送入到三个公式中进行计算，得到结果。4 IBIS修正算法4.1传统算法对于一个IBIS模型需要4个I/V曲线来表征其特性，。其相应的4个关键词分别是：、以及。4个曲线分别是：Pullup晶体管工作输出为高电平、Pulldown晶体管工作输出为低电平还有两个输出为高阻状态时的曲线。输出状态为高时，得到的数据那么是形成的列表；在输出状态为低时，所得到的数据是用来形成列表的数据。具体的信息如下表41所示。表41 I/O 缓冲器的特性曲线 关键词 特

9、性曲线 备注 Pullup 输出状态为高时的Pullup曲线 Buffer的上拉晶体管导通，电压范围为V到2*V的数据。其中VVV Pulldown 输出状态为低时的Pulldown曲线 Buffer的上拉晶体管导通，电压范围为V到2*V的数据。其中VVV GND Clamp 输出为高阻的曲线 在输出电压的数值小于GND的电压值时的I/V曲线。 POWER Clamp 输出为高阻的曲线 在输出电压的数值大于V的电压值时I/V的曲线。 这样我们可以细化瞬态电流调制参数，对于每一组的负载情况，都有一组上拉下拉瞬态电流调制参数对应，我们用Ki，Itable-i，Vtable-i来表示相应的参数。那么

10、可以写方程如下：其中等式右边Vtable-i是输出端加在负载电阻上的电压值，这个电压与负载电阻的比值即是流出输出端点的电流。此电流为上拉器件和下拉器件的瞬态电流之和，等于当前输出电压下的稳态电流Itable-i，与调制系数Ki的乘积。从而我们根据方程求出四个调制参数，根据不同的起始鼓励情况，触发相应的调制参数工作，即去乘上拉下拉稳态曲线，得到最终的仿真结果。4.2算法改良与结果比拟注意到 IBIS 中C_comp 的生成方法，它是在当前负载下，流过负载的电流除以输出瞬态响应曲线的平均斜率。C_comp 主要影响两个方面，一方面是输出端的阻抗匹配，另外一个方面，它调制着输出波形的斜率。在 IBI

11、S 中生成瞬态响应曲线时，输出缓冲器连接上负载，做瞬态响应，并测量负载处的电压随时间变化的值，显然，C_comp 的作用此时被包括在了输出缓冲器内部，即在图3中的measure point。免费论文参考网。从而Rising waveform 和 Falling waveform 是包含了流过C_comp 电流的结果。在仿真实现时，C_comp 被作为负载又一次的被参加了电路，即在图2中的simulation point，这就两次引入了C_comp 的影响。C_comp 作为输出负载的作用必须被保存，但是必须去除被重复计算的C_comp 带来的影响，对于上图，我们需要去除measure poin

12、t 处的C_comp，而保存在simulation point 处的C_comp 带来的影响【3】。因此可以将公式修改如下：-(4-1)注意到，在计算流过电容的电流时，需要用对电压微分，对于离散的点而言，可以用相邻时间点上的差分来代替电压的微分，即在t 时刻的电压微分可以表示为：-(4-2)图3 原方法仿真结果比拟 图4 消除电容重复计算后仿真结果比拟 表4-2 传统算法与改良算法的仿真结果比拟 比拟模型 10%Vcc 90%Vcc 阈值点电压 Spice 2.948ns 6.113ns 4.129ns 传统算法 3.307ns 6.408ns 4.401ns 改良算法 2.976ns 6.0

13、52ns 4.199ns 分别对改良前和改良后的IBIS模型进行仿真，驱动器的负载是50 欧姆。如上表和仿真图所示，与SPICE 仿真相比拟，改良前的误差分别为0.359ns，0.295ns，0.272ns，改良后的误差为0.028ns，0.061ns，0.070ns。改良后的方法极大的降低了重复计算伴随电容带来的误差。5 结论随着信号上升时间越来越快,在高速PCB设计过程中必须进行信号完整性仿真分析。利用IBIS模型进行信号完整性分析方便易行。然而，不管选择何种模型和仿真工具，所使用的方法首先必须是有效的。至少，模型的准确性、完整性必需得到保证。文章在遵守现有IBIS标准的前提下，从去除重复电容计算的角度，提