Tecnología de PCB - Un modelo común de análisis de la integridad de la señal a nivel de tablero

Para llevar a cabo la simulación de circuitos, primero debemos establecer el modelo de componentes, es decir, para cada tipo de componentes soportados por el programa de simulación de circuitos, debemos tener el modelo matemático correspondiente en el programa de simulación para describirlos, es decir, puede ser operado por el ordenador para expresar su fórmula de cálculo.

El modelo de componentes ideal no sólo debe reflejar con precisión las características eléctricas de los componentes, sino también ser adecuado para la solución numérica en el ordenador. En general, cuanto mayor es la precisión del modelo de equipo, más complejo es el modelo mismo y más parámetros del modelo son necesarios. Por lo tanto, la cantidad de memoria ocupada durante el cálculo aumenta, y el tiempo de cálculo aumenta. Sin embargo, los circuitos integrados suelen contener un gran número de componentes, y el pequeño aumento de la complejidad del modelo de equipo duplicará el tiempo de cálculo. Por el contrario, si el modelo es demasiado áspero, los resultados del análisis no serán fiables. Por lo tanto, la complejidad del modelo de componentes debe determinarse de acuerdo con las necesidades reales.

En Diseño de Placa de circuito impreso Método de análisis informático basado en la integridad de la señal, La parte central es construir Placa de circuito impreso BoardModelo de integridad de la señal de nivel, Esto es diferente de los métodos tradicionales de diseño. La corrección del modelo si determinará la corrección del diseño, La construcción del modelo si determina la viabilidad del método de diseño..

En la actualidad, hay dos métodos para construir el modelo de equipo: uno es considerar el componente como una "caja negra" a partir de las características de trabajo eléctrico del componente, medir las características eléctricas de su puerto, y extraer el modelo de equipo sin involucrar el principio de trabajo del equipo. Se llama modelo de comportamiento. El modelo está representado por el modelo Ibis y los parámetros S. El modelo de utilidad tiene las ventajas de modelado simple y fácil de usar, ahorro de recursos y amplia gama de aplicaciones. Especialmente en alta frecuencia, no linealidad y alta potencia, el modelo de comportamiento es casi la única opción. La desventaja es que la precisión es pobre, la consistencia no puede ser garantizada, y está influenciada por la tecnología de prueba y la precisión. Otro es el principio de funcionamiento basado en componentes. Sobre la base de las ecuaciones matemáticas de los componentes, el modelo de equipo y los parámetros del modelo están estrechamente relacionados con el principio de funcionamiento físico del equipo. El modelo especia es el más ampliamente utilizado en este modelo. Su ventaja es una mayor precisión, especialmente con el desarrollo del método de modelado y el progreso y la especificación de la tecnología de semiconductores, la gente ha sido capaz de proporcionar el modelo en varios niveles para satisfacer diferentes requisitos de precisión. La desventaja es que el modelo es complejo y el tiempo de cálculo es largo.

Por lo general, los modelos de controlador y receptor son proporcionados por el fabricante del dispositivo, y el modelo de línea de transmisión se extrae generalmente del analizador de campo. Los modelos de embalaje y conector pueden ser extraídos por el analizador de campo o suministrados por el fabricante.

Hay muchos modelos disponibles para: Placa de circuito impreso BoardAnálisis de la integridad de la señal de nivel en el diseño electrónico. De los cuales, Hay tres modelos más comunes:, Especias, Egret, Verilog AMS, VHDL - AMS.

1. Modelo Spice

Spice es la abreviatura de un emulador de CI. Es un poderoso simulador de circuitos analógicos de uso general, tiene décadas de historia. El proyecto fue desarrollado por el Departamento de ingeniería eléctrica y Ciencias de la computación de la Universidad de California, Berkeley, y se utiliza principalmente para circuitos integrados. En el programa de análisis, el formato de la tabla de red Spice se ha convertido en el estándar para describir circuitos analógicos y transistores comunes. Establecido como la norma industrial nacional de los Estados Unidos, se utiliza principalmente para el diseño y simulación de CI, circuito analógico, circuito híbrido digital - analógico, circuito de alimentación, Etc.. debido a que el programa de simulación Spice adopta la estrategia de apertura completa, los usuarios pueden modificar de acuerdo a sus propias necesidades. Además, tiene una buena practicidad y una rápida popularización. Ha sido trasplantado a varias plataformas del sistema operativo.

Las versiones de Spice se han actualizado desde su creación. Hay varias versiones, como spice2 y spice3. Las nuevas versiones mejoran principalmente la entrada de circuitos, gráficos, estructuras de datos y eficiencia de ejecución. Se cree ampliamente que spice2g5 es el más exitoso y eficaz.

Al mismo tiempo, se han creado varias herramientas comerciales de simulación de circuitos Spice basadas en el algoritmo de simulación Spice de Berkeley. Se ejecutan en plataformas PC y Unix. Muchos de ellos son versiones originales de spice2g6 basadas en el código fuente. Esta es una versión pública. Versión, han hecho mucho trabajo práctico sobre la base de Spice. Los programas de simulación de especias más comunes incluyen hspice, pspice, Spectre, tspice y pspice.

Smartspcie, isspice, etc., aunque sus algoritmos centrales son los mismos, la velocidad, precisión y convergencia de la simulación son diferentes. Entre ellos, el hspice de Synopsys y el pspice de Cadence son los más famosos. Hspice es de hecho el software de simulación estándar de la industria de fragancias. Se utiliza ampliamente en la industria. Tiene las características de alta precisión y fuerte función de simulación. Sin embargo, no tiene un entorno de entrada frontal y necesita preparar los archivos de la tabla de red con antelación. No se aplica a los usuarios principales. Las principales aplicaciones del diseño de circuitos integrados; Pspice es la mejor opción para los usuarios individuales. Tiene un entorno gráfico de entrada frontal, una interfaz de usuario amigable y una alta relación calidad - precio. Se utiliza principalmente para el diseño de Placa de circuito impreso y nivel de sistema.

El software de simulación Spice incluye dos partes: modelo y simulador. Debido a la estrecha integración del modelo y el simulador, es difícil para los usuarios a ñadir nuevos tipos de modelos, pero es fácil añadir nuevos modelos simplemente estableciendo nuevos parámetros para los tipos de modelos existentes.

El modelo Spice consta de dos partes: la ecuación del modelo (ecuación del modelo) y los parámetros del modelo (parámetro del modelo). Dado que se proporcionan las ecuaciones del modelo, el modelo Spice puede estar estrechamente relacionado con el algoritmo del simulador, por lo que se puede obtener una mejor eficiencia y resultados analíticos.

En la actualidad, el modelo Spice se ha utilizado ampliamente en el diseño electrónico, que puede realizar análisis no lineales de corriente continua, análisis transitorio no lineal y análisis de corriente alterna lineal. Los componentes del circuito analítico pueden incluir resistencia, Capacitancia, Inductancia, Inductancia mutua, fuente de tensión independiente, fuente de corriente independiente, varias fuentes de control lineales, líneas de transmisión y dispositivos semiconductores activos. Spice tiene un modelo integrado de dispositivos semiconductores que permite al usuario seleccionar el nivel del modelo y proporcionar los parámetros apropiados.

Cuando se utiliza el modelo Especia para el análisis si Placa de circuito impreso Board Cantidad, Es necesario que los diseñadores y fabricantes de CI proporcionen descripciones detalladas y precisas del modelo Spice para circuitos integrados/Parámetros de fabricación de subcircuitos de células o y características de semiconductores. Dado que estos materiales suelen ser propiedad intelectual y confidencial de diseñadores y fabricantes, Sólo unos pocos fabricantes de semiconductores proporcionan el modelo Spice correspondiente cuando proporcionan productos de chips.

La precisión del análisis del modelo Spice depende principalmente de la fuente de los parámetros del modelo (es decir, la precisión de los datos) y del ámbito de aplicación de la ecuación del modelo. La combinación de ecuaciones modelo y varios simuladores digitales también puede afectar la precisión del análisis. Además, el modelo Spice a nivel de placa de Placa de circuito impreso tiene un gran número de cálculos de simulación, y el análisis consume relativamente tiempo.

Modelo Ibis

Ibis es la abreviatura de especificación de información de E / B. Este es un método rápido y preciso de modelado de Buffer de E / s basado en la curva de E / V. Es una norma internacional que refleja las características eléctricas de la conducción y recepción de chips. Proporciona un formato de archivo estándar para registrar la Impedancia de salida de la fuente de conducción, el tiempo de subida / caída y la carga de entrada. Es muy adecuado para el cálculo y la simulación en el diseño de circuitos de alta velocidad, como la oscilación y la conversación cruzada.

Con el fin de desarrollar un formato uniforme de Ibis, EDA, proveedores de CI y usuarios finales establecieron el Comité de desarrollo de formatos de Ibis, y nació el foro abierto de Ibis. Está compuesto por muchos fabricantes de Eda, fabricantes de computadoras, fabricantes de semiconductores y universidades.

En 1993, el Comité de desarrollo de formatos introdujo la primera versión estándar 1.0 del Ibis y la revisó continuamente. La última versión oficial es la versión 4.1, publicada en 2004. V4.1 se añade principalmente al modelo multilingüe. Soporta Berkeley Spice, VHDL - AMS y verilog AMS, el modelo IBIS tiene la capacidad de modelar todo el sistema, y el alcance de la aplicación del modelo se ha ampliado en gran medida, pero necesita apoyar el motor de simulación híbrido de estos modelos al mismo tiempo. Por lo tanto, la aplicación a gran escala del software modelo llevará tiempo. El estándar Ibis ha sido aprobado por la EIA y definido como ANSI / EIA - 656 - A. Cada nueva versión añade algo nuevo, pero es sólo opcional en el archivo de modelo Ibis, no necesario, lo que garantiza la compatibilidad hacia atrás del modelo Ibis.

Hoy en día, docenas de empresas EDA se han convertido en miembros del foro abierto Ibis. Eda, que soporta Ibis, proporciona modelos Ibis y herramientas de simulación de software para diferentes dispositivos. Cada vez más fabricantes de semiconductores están empezando a ofrecer modelos Ibis para sus productos. Debido a que el modelo Ibis no necesita describir el diseño interno de las células de E / S y los parámetros de fabricación de transistores, es bien recibido y apoyado por los fabricantes de semiconductores. Hoy en día, todos los principales fabricantes de circuitos integrados digitales pueden proporcionar los modelos Ibis correspondientes junto con los chips.

La especificación Ibis en sí es sólo un formato de archivo. Explica cómo se registran los diferentes parámetros del controlador y receptor del CHIP en un archivo Ibis estándar, pero no explica cómo se utilizan los parámetros de estos registros. Estos parámetros son necesarios para el modelo Ibis. La herramienta de simulación a leer.

El modelo Ibis sólo proporciona una descripción del comportamiento del conductor y del receptor, pero no revela detalles de propiedad intelectual sobre la estructura interna del circuito. En otras palabras, los vendedores pueden utilizar el modelo Ibis para ilustrar su último trabajo de diseño a nivel de puerta sin revelar demasiada información sobre el producto a los competidores. Además, debido a que el ibis es un modelo simple, la simulación a nivel de tablero de Placa de circuito impreso utiliza el cálculo de la tabla de búsqueda, por lo que la cantidad de cálculo es menor, en comparación con el modelo de simulación correspondiente a nivel de triodo Spice completo, ahorra 10 - 15 veces la cantidad de cálculo.

Ibis proporciona dos curvas de E / V completas que representan los Estados de alto y bajo nivel del conductor, as í como las curvas de Transición de Estado a una velocidad de transición específica. La función de la curva I / V es proporcionar al Ibis la capacidad de modelar efectos no lineales, tales como diodos de protección, fuentes de accionamiento del tótem ttl y salidas del seguidor emisor. La precisión del análisis del modelo Ibis depende principalmente del número de puntos de datos en las tablas I / V y V / T y de la exactitud de los datos.

Las ventajas del modelo Ibis en comparación con el modelo Spice se resumen de la siguiente manera:

Puede proporcionar un modelo preciso de no linealidad de E / S, teniendo en cuenta los parámetros parasitarios de la encapsulación y la estructura ESD.

Proporciona una velocidad de simulación más rápida que el método estructurado; V

Se puede utilizar para analizar y simular la integridad de la señal a nivel de tablero o multi - tablero. Los problemas de integridad de la señal que pueden ser analizados por el modelo Ibis incluyen: crosstalk, Reflection, Oscillation, overthrust, downthrust, Impedance inadaptation, Transmission Line Analysis y Topology Analysis. Ibis es especialmente capaz de simular con precisión oscilaciones de alta velocidad y conversaciones cruzadas. Se puede utilizar para detectar el peor comportamiento de la señal en el tiempo de subida y en algunos casos que las pruebas físicas no pueden resolver. V

El modelo se puede obtener gratuitamente de los fabricantes de semiconductores y los usuarios no tienen que pagar ningún costo adicional por el modelo. V

Casi todas las herramientas de análisis de integridad de señales aceptan el modelo Ibis y son compatibles con una amplia gama de plataformas de simulación en la industria. V

Por supuesto, IBIS no es perfecto y tiene las siguientes desventajas:

Muchos fabricantes de chips carecen de soporte para el modelo Ibis. V

Sin el modelo Ibis, las herramientas Ibis no funcionarán. Aunque los archivos Ibis se pueden crear manualmente o se pueden convertir automáticamente a través del modelo Spice, ninguna herramienta de conversión puede hacer nada si el parámetro de tiempo mínimo de subida no se puede obtener del fabricante.

Ibis no puede manejar idealmente circuitos de tipo conductor con tiempos de subida controlados, especialmente aquellos que contienen retroalimentación compleja.

Ibis carece de la capacidad de simular el ruido de las bombas terrestres. La versión 2.1 del modelo Ibis contiene Inductancia mutua que describe diferentes combinaciones de pin, de las cuales se puede extraer información útil sobre el rebote de la tierra. La razón por la que no funciona es el método de modelado. Cuando la salida salta de un nivel alto a un nivel bajo, un gran voltaje de rebote en tierra puede cambiar el comportamiento del controlador de salida. V

Modelo verilog AMS y modelo VHDL - AMS

En comparación con el modelo Spice y el modelo Ibis, el modelo verilog AMS y el modelo VHDL - AMS aparecen más tarde y son un lenguaje de modelo de comportamiento. Como lenguaje de modelado de nivel de comportamiento de hardware, verilog AMS y VHDL - AMS son hiperconjuntos de verilog y VHDL, respectivamente, mientras que verilog - a es un subconjunto de verilog AMS.

En el lenguaje de señales analógicas / mixtas (AMS), a diferencia de los modelos Spice e Ibis, las ecuaciones que describen el comportamiento de los componentes son escritas por el usuario en el lenguaje AMS. Al igual que el modelo Ibis, AMS Modeling Language es un formato de modelo independiente que se puede utilizar en muchos tipos diferentes de herramientas de simulación. Las ecuaciones AMS también se pueden escribir en muchos niveles diferentes: nivel de Transistor, nivel de unidad de E / S, Grupo de unidades de E / S, etc. el único requisito es que el fabricante pueda escribir ecuaciones que describan la relación de entrada / salida del puerto.

De hecho, el modelo AMS también está disponible para componentes de sistemas no eléctricos. En general, los modelos se pueden escribir más fácilmente para acelerar la simulación. Los modelos más detallados a menudo requieren más tiempo para simular. En algunos casos, el modelo de comportamiento relativamente simple es más preciso que el modelo Spice.

Debido a que verilog AMS y VHDL - AMS son nuevos estándares, sólo han sido adoptados en los últimos cinco años. Hasta la fecha, sólo unos pocos fabricantes de semiconductores pueden ofrecer modelos AMS. Los simuladores que soportan AMS son mejores que Spice e Ibis. Menos Sin embargo, la viabilidad y precisión del modelo AMS en el análisis de la integridad de la señal a nivel de Placa de circuito impreso no son inferiores a los modelos Spice e Ibis.

321999

4.12004 VHDL - ams1999

Verilog - ams1998

4. Verificación del modelo

El método que utilice debe ser válido independientemente del modelo y la herramienta de simulación que elija. Al menos, debe garantizarse la exactitud y exhaustividad del modelo. Por ejemplo, el modelo Ibis del receptor debe incluir los valores de vinl y Vinh, y el modo Ibis del controlador debe incluir los valores de vmeas. Las tablas de datos del modelo Ibis se pueden comprobar con herramientas de visualización gráfica, como el editor visual Ibis de mentor o la herramienta de integración de modelos de cadencia.

Al mismo tiempo, el modelo debe ser capaz de pasar la prueba del simulador. Se puede utilizar una simple interconexión punto a punto para validar el modelo, como la detección de problemas de convergencia. Tenga en cuenta que la interconexión debe incluir al menos una Sección de la línea de transmisión para la observación. Características de sujeción de diodos de reflexión, sobrealimentación y sujeción.

Finalmente, el modelo debe ser revisado de nuevo a través de pruebas de hardware reales. Por supuesto, las condiciones reales de trabajo del equipo no pueden ser completamente consistentes con los parámetros de simulación, y los datos de medición obtenidos no pueden ser completamente consistentes con los resultados de la simulación, pero las características del equipo deben ser consistentes, como la pendiente de borde y el exceso de ajuste en las mismas condiciones de carga. La amplitud y la forma de la curva de señal deben ser similares.

5. Selección del modelo

Debido a que no hay un modelo unificado para completar el análisis de la integridad de todas las señales a nivel de Placa de circuito impreso, es necesario mezclar los modelos anteriores en el diseño de Placa de circuito impreso digitales de alta velocidad para establecer el modelo de transmisión de señales críticas y sensibles en la mayor medida posible.

Para componentes pasivos discretos, puede buscar modelos Spice proporcionados por el fabricante, o construir y utilizar modelos Spice simplificados directamente a través de mediciones experimentales, o modelar usando herramientas de modelado especializadas como software de extracción de modelos electromagnéticos 3D y 2d.

Para circuitos integrados digitales críticos, debe buscar modelos proporcionados por el fabricante, como el modelo Ibis o Spice. En la actualidad, la mayoría de los diseñadores y fabricantes de CI pueden proporcionar los modelos Ibis necesarios mientras proporcionan chips a través de sitios web u otros métodos. El modelo Ibis normalmente no está disponible. Disponible en el fabricante si es necesario.

Para circuitos integrados no críticos, si el modelo Ibis del fabricante no está disponible, puede seleccionar un modelo Ibis similar o predeterminado basado en la funcionalidad del pin del chip. Por supuesto, el modelo Ibis simplificado también puede construirse mediante mediciones experimentales.

For Este transmission line on Este Placa de circuito impresoTabla, El Modelo simplificado de especia de línea de transmisión se puede utilizar para el análisis previo de la integridad de la señal y el análisis de la solución espacial, De acuerdo con el diseño de la disposición real, el modelo completo de especia de línea de transmisión debe ser utilizado para el análisis después del cableado.. Si se requiere un análisis más preciso, Y la línea de transmisión necesita ser modelada con precisión., Puede utilizar herramientas de extracción de modelos 2d o 3D.