Leiterplattentechnisch - Häufig verwendete Analysemodelle für Signalintegrität auf Platinenebene

Um Schaltungssimulation durchzuführen, muss zuerst das Modell der Komponenten erstellt werden, dh für die verschiedenen Komponenten, die vom Schaltungssimulationsprogramm unterstützt werden, müssen entsprechende mathematische Modelle im Simulationsprogramm vorhanden sein, um sie zu beschreiben, dh die Berechnungsformel, die vom Computer bedient werden kann.

Ein ideales Bauteilmodell sollte nicht nur die elektrischen Eigenschaften des Bauteils genau widerspiegeln, sondern auch zur numerischen Lösung am Computer geeignet sein. Generell gilt: Je höher die Genauigkeit des Gerätemodells, desto komplexer ist das Modell selbst und desto größer ist die Anzahl der erforderlichen Modellparameter. Auf diese Weise erhöht sich die Speichermenge, die während der Berechnung belegt wird, und die Rechenzeit erhöht sich. Integrierte Schaltungen enthalten jedoch oft eine große Anzahl von Komponenten, und eine kleine Erhöhung der Komplexität des Gerätemodells verdoppelt die Rechenzeit. Wenn das Modell dagegen zu grob ist, sind die Analyseergebnisse unzuverlässig. Daher sollte die Komplexität des verwendeten Komponentenmodells anhand des tatsächlichen Bedarfs ermittelt werden.

Bei der PCB-Designmethode, die auf der Signalintegritätscomputeranalyse basiert, ist der wichtigste Teil die Etablierung des Signalintegritätsmodells auf Leiterplattenebene, das sich von der traditionellen Designmethode unterscheidet. Die Richtigkeit des SI-Modells bestimmt die Richtigkeit des Entwurfs, und die Baubarkeit des SI-Modells bestimmt die Machbarkeit dieser Entwurfsmethode.

Gegenwärtig gibt es zwei Methoden zum Konstruieren von Gerätemodellen: eine besteht darin, von den elektrischen Betriebseigenschaften der Komponenten auszugehen, die Komponenten wie eine "Black Box" zu behandeln, die elektrischen Eigenschaften ihrer Anschlüsse zu messen und das Gerätemodell zu extrahieren, ohne das Arbeitsprinzip des Geräts einzubeziehen. Das nennt man Verhaltensmodell. Vertreter dieses Modells sind das IBIS-Modell und S-Parameter. Seine Vorteile sind, dass es einfach und bequem zu modellieren und zu verwenden ist, Ressourcen spart und eine breite Palette von Anwendungen hat. Insbesondere bei Hochfrequenz, Nichtlinearität und hoher Leistung ist das Verhaltensmodell fast die einzige Wahl. Der Nachteil ist, dass die Genauigkeit schlecht ist, die Konsistenz nicht garantiert werden kann und es von der Prüftechnologie und Genauigkeit beeinflusst wird. Die andere basiert auf dem Funktionsprinzip des Bauteils. Ausgehend von der mathematischen Gleichung des Bauteils sind das erhaltene Gerätemodell und die Modellparameter eng mit dem physikalischen Funktionsprinzip des Gerätes verknüpft. Das SPICE-Modell ist das am weitesten verbreitete Modell dieses Modells. Sein Vorteil ist eine höhere Genauigkeit, insbesondere mit der Entwicklung von Modellierungsmethoden und den Fortschritten und Spezifikationen der Halbleitertechnologie, konnten Menschen dieses Modell auf mehreren Ebenen zur Verfügung stellen, um verschiedene Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen. Der Nachteil ist, dass das Modell komplex ist und die Berechnungszeit lang ist.

Im Allgemeinen werden die Treiber- und Empfängermodelle vom Gerätehersteller bereitgestellt, und das Übertragungsleitungsmodell wird normalerweise aus dem Feldanalysator extrahiert. Die Gehäuse- und Steckermodelle können vom Feldanalysator extrahiert oder vom Hersteller bereitgestellt werden.

Es gibt viele Modelle, die für die Analyse der Signalintegrität auf Leiterplattenebene im elektronischen Design verwendet werden können. Unter ihnen gibt es drei am häufigsten verwendete Modelle, nämlich SPICE, IBIS, Verilog-AMS und VHDL-AMS.

1. SPICE-Modell

Spice ist die Abkürzung für SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis. Es ist ein leistungsstarker universeller analoger Schaltungssimulator mit jahrzehntelanger Geschichte. Das Programm wurde vom Department of Electrical Engineering and Computing Science der University of California, Berkeley entwickelt und wird hauptsächlich für integrierte Schaltkreise verwendet. Im Analyseprogramm ist das Spice Netlist Format zum Standard für die Beschreibung der üblichen analogen Schaltungen und Transistor-Level Schaltungen geworden. Als amerikanischer nationaler industrieller Standard eingestellt, wird er hauptsächlich für die Konstruktion und Simulation elektronischer Systeme wie IC, analoger Schaltung, digital-analoger Hybridschaltung, Stromschaltung usw. verwendet. Da das Spice-Simulationsprogramm eine völlig offene Politik annimmt, können Benutzer es nach ihren eigenen Bedürfnissen modifizieren. Darüber hinaus hat es eine gute Praktikabilität und wird schnell gefördert. Es wurde auf mehrere Betriebssysteme-Plattformen transplantiert.

Seit dem Aufkommen von Spice wurde seine Version kontinuierlich aktualisiert. Es gibt mehrere Versionen wie Spice2 und Spice3. Die neue Version wird hauptsächlich in Bezug auf Schaltungseingabe, Grafik, Datenstruktur und Ausführungseffizienz verbessert. Es wird allgemein angenommen, dass Spice2G5 die erfolgreichste und effektivste ist. Ja, zukünftige Versionen sind nur Teiländerungen.

Gleichzeitig wurden verschiedene kommerzielle Spice-Schaltungssimulationstools mit Berkeleys Spice-Simulationsprogrammalgorithmus als Kern produziert. Sie laufen auf PC- und UNIX-Plattformen. Viele von ihnen basieren auf der ursprünglichen SPICE2G6 Version des Quellcodes. Dies ist eine öffentlich veröffentlichte Version. Versionen, sie haben eine Menge praktische Arbeit auf der Basis von Spice getan. Die gängigere Spice Simulationssoftware umfasst Hspice, Pspice, Spectre, Tspice,

SmartSpcie, IsSpice usw., obwohl ihre Kernalgorithmen gleich sind, sind die Simulationsgeschwindigkeit, Genauigkeit und Konvergenz unterschiedlich. Unter ihnen sind Hspice von Synopsys und Pspice von Cadence die bekanntesten. Hspice ist die de facto Spice Industriestandard Simulationssoftware. Es ist das am weitesten verbreitete in der Industrie. Es hat die Eigenschaften der hohen Genauigkeit und leistungsfähigen Simulationsfunktionen. Es hat jedoch keine Front-End-Eingabeumgebung und muss die Netzlistendatei im Voraus vorbereiten. Es ist nicht für Primärnutzer geeignet. Die Hauptanwendung für den Entwurf integrierter Schaltungen; Pspice ist die beste Wahl für einzelne Benutzer. Es verfügt über eine grafische Front-End-Eingabeumgebung, eine freundliche Benutzeroberfläche und eine hohe Kostenleistung. Es wird hauptsächlich im PCB-Board- und Systemdesign verwendet.

SPICE Simulationssoftware besteht aus zwei Teilen: Modell und Simulator. Da das Modell und der Simulator eng integriert sind, ist es für Benutzer sehr schwierig, neue Modelltypen hinzuzufügen, aber es ist einfach, neue Modelle hinzuzufügen und muss nur neue Parameter für die vorhandenen Modelltypen festlegen.

Das SPICE-Modell besteht aus zwei Teilen: Modellgleichungen (ModelEquations) und Modellparameter (ModelParameters). Da die Modellgleichung bereitgestellt wird, kann das SPICE-Modell eng mit dem Algorithmus des Simulators verbunden werden, und bessere Analyseeffizienz und Analyseergebnisse können erzielt werden.

Jetzt ist SPICE-Modell weit verbreitet im elektronischen Design, das nichtlineare DC-Analyse, nichtlineare transiente Analyse und lineare AC-Analyse von Schaltungen durchführen kann. Die Komponenten in der analysierten Schaltung können Widerstand, Kapazität, Induktivität, gegenseitige Induktivität, unabhängige Spannungsquellen, unabhängige Stromquellen, verschiedene linear gesteuerte Quellen, Übertragungsleitungen und aktive Halbleiterbauelemente umfassen. SPICE verfügt über integrierte Halbleiter-Gerätemodelle, Benutzer müssen nur die Modellebene auswählen und entsprechende Parameter angeben.

Wenn das SPICE-Modell verwendet wird, um SI-Analysen auf Leiterplattenebene durchzuführen, ist es notwendig, dass der IC-Designer und Hersteller eine detaillierte und genaue Beschreibung des SPICE-Modells der integrierten Schaltungs-I/O-Einheit-Teilschaltung und der Herstellungsparameter der Halbleitereigenschaften zur Verfügung stellt. Da diese Materialien in der Regel zum geistigen Eigentum und zur Vertraulichkeit von Designern und Herstellern gehören, werden nur wenige Halbleiterhersteller entsprechende SPICE-Modelle zur Verfügung stellen und Chipprodukte bereitstellen.

Die Analysegenauigkeit des SPICE-Modells hängt hauptsächlich von der Quelle der Modellparameter (d.h. der Genauigkeit der Daten) und dem anwendbaren Umfang der Modellgleichungen ab. Die Kombination von Modellgleichungen mit verschiedenen digitalen Simulatoren kann auch die Genauigkeit der Analyse beeinflussen. Darüber hinaus verfügt das SPICE-Modell auf Leiterplattenebene über eine große Menge an Simulationsberechnung, und die Analyse ist relativ zeitaufwendig.

Zwei, IBIS-Modell

IBIS ist die Abkürzung für I/OBufferInformationsSpecification. Es ist eine Methode zur schnellen und genauen Modellierung von I/OBUFFER auf Basis von I/V-Kurve. Es ist ein internationaler Standard, der die elektrischen Eigenschaften des Chipantriebs und -empfangs widerspiegelt. Es bietet ein Standarddateiformat zur Aufzeichnung von Parametern wie Ausgangsimpedanz der Antriebsquelle, Steig-/Fallzeit und Eingangslast, das sich sehr gut für Berechnung und Simulation im Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign wie Schwingung und Übersprechen eignet.

Um ein einheitliches IBIS-Format zu formulieren, gründeten EDA-Unternehmen, IC-Lieferanten und Endanwender ein IBIS-Formatentwicklungskomitee und das IBIS Open Forum wurde geboren. Es besteht aus einer Reihe von EDA-Herstellern, Computerherstellern, Halbleiterherstellern und Universitäten.

Im 1993 startete das Formatentwicklungskomitee die erste Standardversion 1.0 von IBIS und wurde kontinuierlich überarbeitet. Die neueste offizielle Version ist Version 4.1 veröffentlicht in 2004. V4.1 ergänzt hauptsächlich das mehrsprachige Modell. Unterstützt BerkeleySPICE, VHDL-AMS und Verilog-AMS, das IBIS-Modell hat die Fähigkeit, das gesamte System zu modellieren, und das Spektrum der Modellanwendungen wurde stark erweitert, erfordert jedoch eine hybride Simulations-Engine, die diese Modelle gleichzeitig unterstützt. Simulation, so dass die großflächige Anwendung von Modellsoftware Zeit in Anspruch nimmt. Der IBIS-Standard wurde von der EIA anerkannt und ist als ANSI/EIA-656-A-Standard definiert. Jede neue Version wird einige neue Inhalte hinzufügen, aber diese neuen Inhalte sind nur optionale Elemente in einer IBIS-Modelldatei anstatt notwendiger Elemente, was die Rückwärtskompatibilität des IBIS-Modells gewährleistet.

Jetzt sind Dutzende von EDA-Unternehmen Mitglieder des IBIS Open Forums geworden. EDA-Unternehmen, die IBIS unterstützen, bieten IBIS-Modelle und Software-Simulationstools für verschiedene Geräte an. Immer mehr Halbleiterhersteller haben begonnen, IBIS-Modelle ihrer Produkte anzubieten. Da das IBIS-Modell das interne Design der I/O-Einheit und der Transistor-Fertigungsparameter nicht beschreiben muss, wurde es von Halbleiterherstellern begrüßt und unterstützt. Jetzt können alle großen Hersteller digitaler integrierter Schaltungen entsprechende IBIS-Modelle zur Verfügung stellen und Chips bereitstellen.

Die IBIS-Spezifikation selbst ist nur ein Dateiformat. Es wird erklärt, wie man die verschiedenen Parameter von Treiber und Empfänger eines Chips in einer Standard-IBIS-Datei aufzeichnet, aber es wird nicht erklärt, wie diese aufgezeichneten Parameter verwendet werden. Diese Parameter müssen vom IBIS-Modell verwendet werden. Das Simulationswerkzeug zu lesen.

Das IBIS-Modell liefert nur eine Beschreibung des Verhaltens des Treibers und Empfängers, aber nicht die geistigen Eigentumsdetails der internen Struktur der Schaltung. Mit anderen Worten, Verkäufer können das IBIS-Modell nutzen, um ihre neuesten Entwurfsarbeiten auf Türebene zu veranschaulichen, ohne ihren Wettbewerbern zu viele Produktinformationen preiszugeben. Da IBIS ein einfaches Modell ist, verwendet die Simulation auf Leiterplattenebene Tabellenrechnungen, so dass die Berechnungsmenge klein ist, was 10-15-mal den Berechnungsbetrag im Vergleich zur entsprechenden vollständigen Spice-Triodenmodellsimulation spart.

IBIS stellt zwei vollständige I/V-Kurven zur Verfügung, die den High-Level- und Low-Level-Zustand des Fahrers sowie die Zustandsübergangskurven bei einer bestimmten Umrechnungsgeschwindigkeit darstellen. Die Funktion der I/V-Kurve besteht darin, IBIS die Möglichkeit zu geben, nichtlineare Effekte wie Schutzdioden, TTL-Totempolantriebsquellen und Emitterfolgerausgang zu modellieren. Die Analysegenauigkeit des IBIS-Modells hängt hauptsächlich von der Anzahl der Datenpunkte in den I/V- und V/T-Tabellen und der Genauigkeit der Daten ab.

Im Vergleich zum Spice-Modell lassen sich die Vorteile des IBIS-Modells wie folgt zusammenfassen:

Es kann genaue Modelle in Bezug auf I/O-Nichtlinearität liefern, unter Berücksichtigung der parasitären Parameter des Pakets und der ESD-Struktur;

Schnellere Simulationsgeschwindigkeit als strukturierte Methode; v

Es kann für die Analyse und Simulation der Signalintegrität auf Systemplatinenebene oder auf mehreren Platinen verwendet werden. Die Signalintegritätsprobleme, die mit dem IBIS-Modell analysiert werden können, umfassen: Übersprechen, Reflexion, Oszillation, Überschwingen, Unterschwingen, Fehlimpedanz, Übertragungsleitungsanalyse und Topologieanalyse. IBIS ist besonders in der Lage, Hochgeschwindigkeits-Schwingungen und Übersprechen präzise und präzise zu simulieren. Es kann verwendet werden, um das Worst-Case-Signalverhalten unter Anstiegszeitbedingungen und einigen Situationen zu erkennen, die nicht durch physikalische Tests gelöst werden können; v

Modelle können kostenlos von Halbleiterherstellern bezogen werden, und Benutzer müssen nicht extra für Modelle bezahlen; v

Fast alle Signalintegritätsanalysetools sind mit einer Vielzahl von Simulationsplattformen in der Industrie kompatibel und akzeptieren IBIS-Modelle. v

Natürlich ist IBIS nicht perfekt, es hat auch folgende Mängel:

Viele Chiphersteller haben keine Unterstützung für das IBIS-Modell. v

Ohne das IBIS-Modell können IBIS-Werkzeuge nicht funktionieren. Obwohl IBIS-Dateien manuell erstellt oder automatisch über Spice-Modelle konvertiert werden können, kann kein Konvertierungstool etwas tun, wenn die minimalen Anstiegszeitparameter vom Hersteller nicht abgerufen werden können.

IBIS kann nicht ideal Treiberschaltungen mit kontrollierter Anstiegszeit handhaben, insbesondere solche, die komplexe Rückmeldungen enthalten;

IBIS ist nicht in der Lage, Bodenbombengeräusche zu modellieren. Version 2.1 des IBIS-Modells enthält die gegenseitige Induktivität, die verschiedene Pin-Kombinationen beschreibt, aus denen einige sehr nützliche Ground Bounce Informationen extrahiert werden können. Der Grund, warum es nicht funktioniert, ist die Modellierungsmethode. Wenn der Ausgang von hohem zu niedrigem Niveau springt, kann die große Masse-Bounce-Spannung das Verhalten des Ausgangstreibers ändern. v

Drei, Verilog-AMS Modell und VHDL-AMS Modell

Verglichen mit dem Spice-Modell und dem IBIS-Modell erscheinen die Verilog-AMS- und VHDL-AMS-Modelle später und sind eine Verhaltensmodellsprache. Als Modellierungssprachen auf Hardwareverhaltensebene sind Verilog-AMS und VHDL-AMS Supersets von Verilog bzw. VHDL, während Verilog-A eine Teilmenge von Verilog-AMS ist.

In der AMS-Sprache (Analog/Mixed Signal) ist es im Gegensatz zu den SPICE- und IBIS-Modellen Aufgabe des Benutzers, Gleichungen zu schreiben, die das Verhalten der Komponenten beschreiben. Ähnlich wie das IBIS-Modell ist die AMS-Modellierungssprache ein unabhängiges Modellformat, das in vielen verschiedenen Arten von Simulationswerkzeugen verwendet werden kann. AMS-Gleichungen können auch auf vielen verschiedenen Ebenen geschrieben werden: Transistor-Ebene, I/O-Unit-Ebene, I/O-Unit-Gruppe usw. Die einzige Anforderung ist, dass der Hersteller eine Gleichung schreiben kann, die die Port-Input-Output-Beziehung beschreibt.

Tatsächlich kann das AMS-Modell auch für nichtelektrische Systemkomponenten verwendet werden. Generell kann das Modell einfacher geschrieben werden, um die Simulation zu beschleunigen. Ein detaillierteres Modell benötigt oft mehr Zeit für die Simulation. In einigen Fällen ist ein relativ einfaches Verhaltensmodell genauer als das Spice-Modell.

Da Verilog-AMS und VHDL-AMS beide neue Standards sind, wurden sie erst in den letzten fünf Jahren übernommen. Bisher können nur wenige Halbleiterhersteller AMS-Modelle anbieten. Simulatoren, die AMS unterstützen können, sind besser als SPICE und IBIS. Weniger. Die Machbarkeit und Berechnungsgenauigkeit des AMS-Modells in der Analyse der Signalintegrität auf Leiterplattenebene stehen den SPICE- und IBIS-Modellen jedoch nicht nach.

3.21999

4.12004VHDL-AMS1999

Verilog-AMS1998

4 Modellprüfung

Egal für welches Modell und welches Simulationswerkzeug Sie sich entscheiden, die Methode muss effektiv sein. Zumindest muss die Genauigkeit und Vollständigkeit des Modells gewährleistet werden. Beispielsweise muss das IBIS-Modell eines Empfängers die Werte Vinl und Vinh enthalten, und das IBIS-Modell des Treibers muss den Wert Vmeas enthalten. Das Datenblatt des IBIS-Modells kann mit grafischen Darstellungswerkzeugen, wie dem VisualIBISeditor von Mentor oder dem ModelIntegrity-Tool von Cadence, überprüft werden.

Gleichzeitig muss das Modell in der Lage sein, den Test des Simulators zu bestehen. Eine einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung kann verwendet werden, um das Modell zu überprüfen, z. B. festzustellen, ob Konvergenzprobleme vorliegen. Beachten Sie, dass die Verbindung mindestens einen Abschnitt der Übertragungsleitung umfassen muss, damit sie beobachtet werden kann. Die Spanneigenschaften von Reflexions-, Überschuss- und Klemmdioden.

Am Ende muss das Modell noch einmal durch eigentliche Hardwaretests überprüft werden. Natürlich können die tatsächlichen Arbeitsbedingungen des Geräts nicht vollständig mit den Simulationsparametern übereinstimmen, und die erhaltenen Messdaten können nicht vollständig mit den Simulationsergebnissen übereinstimmen, aber die reflektierten Geräteeigenschaften sollten konsistent sein, wie die Neigung der Kante und der Überschuss unter der gleichen Belastungszustand. Die Amplitude, die Form der Signalkurve usw. sollte ähnlich sein.

5 Modellauswahl

Da es kein einheitliches Modell gibt, um alle Signalintegritätsanalysen auf Leiterplattenebene abzuschließen, ist es beim Design von Hochgeschwindigkeits-digitalen Leiterplatten notwendig, die oben genannten Modelle zu mischen, um das Übertragungsmodell von Schlüsselsignalen und empfindlichen Signalen im größten Umfang zu etablieren.

Für diskrete passive Komponenten können Sie SPICE-Modelle von Herstellern suchen, vereinfachte SPICE-Modelle direkt durch experimentelle Messungen erstellen und verwenden oder spezielle Modellierungswerkzeuge (wie 3D- und 2D-Software zur Extraktion elektromagnetischer Feldmodelle) zum Modellieren verwenden.

Für wichtige digitale integrierte Schaltungen müssen Sie Modelle suchen, die von Herstellern bereitgestellt werden, wie IBIS-Modelle oder Spice. Derzeit können die meisten Entwickler und Hersteller integrierter Schaltungen die erforderlichen IBIS-Modelle bereitstellen und Chips über Websites oder andere Methoden bereitstellen. IBIS-Modelle werden in der Regel nicht bereitgestellt. Bei Bedarf können sie von Herstellern bezogen werden.

Bei nicht kritischen integrierten Schaltungen, wenn das IBIS-Modell des Herstellers nicht verfügbar ist, kann je nach Funktion der Chippins auch ein ähnliches oder standardmäßiges IBIS-Modell ausgewählt werden. Natürlich kann ein vereinfachtes IBIS-Modell auch durch experimentelle Messungen etabliert werden.

Für die Übertragungsleitung auf der Leiterplatte kann das vereinfachte Übertragungsleitung SPICE-Modell in der Voranalyse der Signalintegrität und der raumlösenden Analyse verwendet werden, und das komplette Übertragungsleitung SPICE-Modell muss in der Analyse nach der Verdrahtung entsprechend dem tatsächlichen Layoutentwurf verwendet werden. Wenn eine genauere Analyse erforderlich ist und eine genaue Modellierung der Übertragungsleitung erforderlich ist, können zwei- oder dreidimensionale Modellextraktionswerkzeuge verwendet werden.