PCB Tecnico - Modelli comunemente usati per l'analisi dell'integrità del segnale a livello di scheda

Per eseguire la simulazione del circuito, il modello dei componenti deve essere stabilito prima, cioè, per i vari componenti supportati dal programma di simulazione del circuito, devono essere presenti modelli matematici corrispondenti nel programma di simulazione per descriverli, cioè la formula di calcolo che può essere azionata dal computer per esprimerli.

Un modello di componente ideale dovrebbe non solo riflettere accuratamente le caratteristiche elettriche del componente, ma anche essere adatto per la soluzione numerica su un computer. In generale, maggiore è la precisione del modello del dispositivo, più complesso è il modello stesso e maggiore è il numero di parametri del modello richiesti. In questo modo, aumenta la quantità di memoria occupata durante il calcolo e aumenta il tempo di calcolo. Tuttavia, i circuiti integrati spesso contengono un numero enorme di componenti e un piccolo aumento della complessità del modello del dispositivo raddoppierà il tempo di calcolo. Al contrario, se il modello è troppo ruvido, i risultati dell'analisi saranno inaffidabili. Pertanto, la complessità del modello di componente utilizzato deve essere determinata in base alle esigenze reali.

Nel metodo di progettazione PCB basato sull'analisi del computer di integrità del segnale, la parte più centrale è l'istituzione del modello di integrità del segnale a livello di scheda PCB, che è diverso dal metodo di progettazione tradizionale. La correttezza del modello SI determinerà la correttezza del progetto e la realizzabilità del modello SI determinerà la fattibilità di questo metodo di progettazione.

Attualmente esistono due metodi per costruire modelli di dispositivi: uno è quello di partire dalle caratteristiche elettriche di funzionamento dei componenti, trattare i componenti come una "scatola nera", misurare le caratteristiche elettriche delle sue porte ed estrarre il modello del dispositivo senza coinvolgere il principio di funzionamento del dispositivo. Si chiama modello comportamentale. I rappresentanti di questo modello sono il modello IBIS e i parametri S. I suoi vantaggi sono che è semplice e conveniente da modellare e utilizzare, risparmiare risorse e ha una vasta gamma di applicazioni. Soprattutto nel caso di alta frequenza, non linearità e alta potenza, il modello comportamentale è quasi l'unica scelta. Lo svantaggio è che l'accuratezza è scarsa, la consistenza non può essere garantita ed è influenzata dalla tecnologia di prova e dalla precisione. L'altro si basa sul principio di funzionamento del componente. Partendo dall'equazione matematica del componente, i parametri del modello e del modello ottenuti sono strettamente correlati al principio di funzionamento fisico del dispositivo. Il modello SPICE è il più utilizzato di questo modello. Il suo vantaggio è una maggiore precisione, soprattutto con lo sviluppo di metodi di modellazione e il progresso e le specifiche della tecnologia a semiconduttore, le persone sono state in grado di fornire questo modello a più livelli per soddisfare i diversi requisiti di precisione. Lo svantaggio è che il modello è complesso e il tempo di calcolo è lungo.

Generalmente, i modelli del driver e del ricevitore sono forniti dal produttore del dispositivo e il modello della linea di trasmissione è solitamente estratto dall'analizzatore di campo. I modelli del pacchetto e del connettore possono essere estratti dall'analizzatore di campo o forniti dal produttore.

Ci sono molti modelli che possono essere utilizzati per l'analisi dell'integrità del segnale a livello di scheda PCB nella progettazione elettronica. Tra questi, ci sono tre modelli più comunemente utilizzati, vale a dire SPICE, IBIS, Verilog-AMS e VHDL-AMS.

1. Modello SPICE

Spice è l'abbreviazione di SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis. Si tratta di un potente simulatore di circuito analogico generale con decenni di storia. Il programma è stato sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, Università della California, Berkeley, ed è utilizzato principalmente per circuiti integrati. Nel programma di analisi, il formato netlist Spice è diventato lo standard per la descrizione dei soliti circuiti analogici e circuiti a livello transistor. Impostato come lo standard industriale nazionale americano, è utilizzato principalmente per la progettazione e la simulazione di sistemi elettronici come IC, circuito analogico, circuito ibrido digitale-analogico, circuito di alimentazione e così via. Poiché il programma di simulazione Spice adotta una politica completamente aperta, gli utenti possono modificarlo secondo le proprie esigenze. Inoltre, ha una buona praticabilità ed è rapidamente promosso. È stato trapiantato su più piattaforme di sistema operativo.

Dall'avvento di Spice, la sua versione è stata continuamente aggiornata. Esistono diverse versioni come Spice2 e Spice3. La nuova versione è migliorata principalmente in ingresso del circuito, grafica, struttura dei dati e efficienza di esecuzione. Si ritiene generalmente che Spice2G5 sia il più efficace ed efficace Sì, le versioni future sono solo modifiche parziali.

Allo stesso tempo, sono stati prodotti vari strumenti commerciali di simulazione del circuito Spice con l'algoritmo del programma di simulazione Spice di Berkeley come nucleo. Funzionano su piattaforme PC e UNIX. Molti di loro sono basati sulla versione originale SPICE2G6 del codice sorgente. Questa è una versione pubblicata pubblicamente. Versioni, hanno fatto un sacco di lavoro pratico sulla base di Spice. Il software di simulazione Spice più comune include Hspice, Pspice, Spectre, Tspice,

SmartSpcie, IsSpice, ecc., sebbene i loro algoritmi principali siano gli stessi, la velocità di simulazione, l'accuratezza e la convergenza sono diversi. Tra questi, Hspice da Synopsys e Pspice da Cadence sono i più famosi. Hspice è il software di simulazione standard del settore Spice de facto. È il più ampiamente utilizzato nel settore. Ha le caratteristiche di alta precisione e potenti funzioni di simulazione. Tuttavia, non ha un ambiente di input front-end e deve preparare il file netlist in anticipo. Non è adatto per gli utenti primari. L'applicazione principale per la progettazione di circuiti integrati; Pspice è la scelta migliore per i singoli utenti. Ha un ambiente di input grafico front-end, un'interfaccia utente amichevole e prestazioni ad alto costo. Pricipalmente è utilizzato nella scheda PCB e nella progettazione a livello di sistema.

Il software di simulazione SPICE comprende due parti: modello e simulatore. Poiché il modello e il simulatore sono strettamente integrati, è molto difficile per gli utenti aggiungere nuovi tipi di modello, ma è facile aggiungere nuovi modelli e deve solo impostare nuovi parametri per i tipi di modello esistenti.

Il modello SPICE è composto da due parti: equazioni del modello (ModelEquations) e parametri del modello (ModelParameters). Poiché viene fornita l'equazione del modello, il modello SPICE può essere strettamente collegato con l'algoritmo del simulatore e può essere ottenuta una migliore efficienza di analisi e risultati di analisi.

Ora il modello SPICE è stato ampiamente utilizzato nella progettazione elettronica, che può eseguire l'analisi DC non lineare, l'analisi transitoria non lineare e l'analisi AC lineare dei circuiti. I componenti nel circuito analizzato possono includere resistenza, capacità, induttanza, induttanza reciproca, fonti di tensione indipendenti, fonti di corrente indipendenti, varie sorgenti controllate lineari, linee di trasmissione e dispositivi semiconduttori attivi. SPICE ha modelli di dispositivi semiconduttori integrati, gli utenti devono solo selezionare il livello di modello e fornire parametri appropriati.

Quando si utilizza il modello SPICE per eseguire analisi SI a livello di scheda PCB, è necessario che il progettista e il produttore IC forniscano una descrizione dettagliata e accurata del modello SPICE del sottocircuito dell'unità I/O del circuito integrato e dei parametri di produzione delle caratteristiche dei semiconduttori. Poiché questi materiali di solito appartengono alla proprietà intellettuale e alla riservatezza di progettisti e produttori, solo pochi produttori di semiconduttori forniranno modelli SPICE corrispondenti fornendo prodotti chip.

L'accuratezza dell'analisi del modello SPICE dipende principalmente dalla fonte dei parametri del modello (cioè dall'accuratezza dei dati) e dalla portata applicabile delle equazioni del modello. La combinazione di equazioni modello con vari simulatori digitali può anche influenzare l'accuratezza dell'analisi. Inoltre, il modello SPICE a livello di scheda PCB ha una grande quantità di calcolo di simulazione e l'analisi richiede relativamente tempo.

Due, modello IBIS

IBIS è l'abbreviazione di I/OBufferInformationSpecification. È un metodo di modellazione rapida e accurata I/OBUFFER basato sulla curva I/V. Si tratta di uno standard internazionale che riflette le caratteristiche elettriche della guida e ricezione del chip. Fornisce un formato file standard per registrare parametri come impedenza di uscita della sorgente di azionamento, tempo di salita/caduta e carico in ingresso, che è molto adatto per il calcolo e la simulazione nella progettazione di circuiti ad alta velocità come oscillazione e crosstalk.

Al fine di formulare un formato IBIS unificato, le società EDA, i fornitori di IC e gli utenti finali hanno istituito un comitato di sviluppo del formato IBIS, ed è nato anche l'IBIS Open Forum. È composto da una serie di produttori di EDA, produttori di computer, produttori di semiconduttori e università.

Nel 1993, il comitato per lo sviluppo dei formati ha lanciato la prima versione standard 1.0 di IBIS, ed è stata rivista continuamente. L'ultima versione ufficiale è la versione 4.1 rilasciata nel 2004. V4.1 si aggiunge principalmente al modello multilingue. Supporto per BerkeleySPICE, VHDL-AMS e Verilog-AMS, il modello IBIS ha la capacità di modellare l'intero sistema e la gamma di applicazioni dei modelli è stata notevolmente ampliata, ma questo richiede un motore di simulazione ibrido che supporta questi modelli allo stesso tempo. Simulazione, quindi l'applicazione su larga scala del software modello richiederà tempo. Lo standard IBIS è stato riconosciuto dalla VIA ed è definito come lo standard ANSI/EIA-656-A. Ogni nuova versione aggiungerà alcuni nuovi contenuti, ma questi nuovi contenuti sono solo elementi opzionali in un file modello IBIS piuttosto che elementi necessari, il che garantisce la retrocompatibilità del modello IBIS.

Ora, decine di aziende EDA sono diventate membri del forum aperto IBIS. Le aziende EDA che supportano IBIS forniscono modelli IBIS e strumenti di simulazione software per dispositivi diversi. Sempre più produttori di semiconduttori hanno iniziato a fornire modelli IBIS dei loro prodotti. Poiché il modello IBIS non ha bisogno di descrivere il design interno dell'unità I/O e dei parametri di produzione del transistor, è stato accolto e supportato dai produttori di semiconduttori. Ora tutti i principali produttori di circuiti integrati digitali possono fornire i corrispondenti modelli IBIS fornendo chip.

La specifica IBIS stessa è solo un formato di file. Spiega come registrare i diversi parametri del driver e del ricevitore di un chip in un file IBIS standard, ma non spiega come vengono utilizzati questi parametri registrati. Questi parametri devono essere utilizzati dal modello IBIS. Lo strumento di simulazione da leggere.

Il modello IBIS fornisce solo una descrizione del comportamento del driver e del ricevitore, ma non perde i dettagli di proprietà intellettuale della struttura interna del circuito. In altre parole, i venditori possono utilizzare il modello IBIS per illustrare il loro ultimo lavoro di progettazione a livello di porta senza rivelare troppe informazioni sui prodotti ai loro concorrenti. Inoltre, poiché IBIS è un modello semplice, la simulazione a livello di scheda PCB utilizza calcoli di ricerca della tabella, quindi l'importo di calcolo è piccolo, il che consente di risparmiare 10-15 volte l'importo di calcolo rispetto alla corrispondente simulazione completa del modello a livello di triodo Spice.

IBIS fornisce due curve I/V complete che rappresentano gli stati di alto livello e basso livello del driver, così come le curve di transizione dello stato ad una certa velocità di conversione. La funzione della curva I/V è di fornire a IBIS la capacità di modellare effetti non lineari come diodi di protezione, sorgenti di azionamento totem TTL e uscita del follower dell'emettitore. L'accuratezza dell'analisi del modello IBIS dipende principalmente dal numero di punti dati nelle tabelle I/V e V/T e dall'accuratezza dei dati.

Rispetto al modello Spice, i vantaggi del modello IBIS possono essere riassunti come segue:

Può fornire modelli accurati in termini di non linearità I/O, tenendo conto dei parametri parassitari del pacchetto e della struttura ESD;

Fornire velocità di simulazione più veloce rispetto al metodo strutturato; v

Può essere utilizzato per l'analisi e la simulazione dell'integrità del segnale a livello di scheda di sistema o multi-scheda. I problemi di integrità del segnale che possono essere analizzati dal modello IBIS includono: crosstalk, riflessione, oscillazione, overshoot, undershoot, impedenza disadattata, analisi della linea di trasmissione e analisi topologica. IBIS è particolarmente in grado di simulare accurate e precise oscillazioni ad alta velocità e crosstalk. Può essere utilizzato per rilevare il comportamento del segnale peggiore in condizioni di tempo di salita e alcune situazioni che non possono essere risolte con test fisici; v

I modelli possono essere ottenuti dai produttori di semiconduttori gratuitamente e gli utenti non devono pagare extra per i modelli; v

Compatibile con un'ampia gamma di piattaforme di simulazione del settore, quasi tutti gli strumenti di analisi dell'integrità del segnale accettano modelli IBIS. v

Naturalmente, IBIS non è perfetto, ha anche le seguenti carenze:

Molti produttori di chip mancano di supporto per il modello IBIS. v

Senza il modello IBIS, gli strumenti IBIS non possono funzionare. Anche se i file IBIS possono essere creati manualmente o convertiti automaticamente attraverso i modelli Spice, se i parametri minimi di tempo di salita non possono essere ottenuti dal produttore, nessun strumento di conversione può fare nulla.

IBIS non può idealmente gestire circuiti di tipo driver con tempo di salita controllato, in particolare quelli che contengono feedback complessi;

L'IBIS non ha la capacità di modellare il rumore delle bombe terrestri. La versione 2.1 del modello IBIS contiene l'induttanza reciproca che descrive diverse combinazioni di pin, da cui è possibile estrarre alcune informazioni molto utili sul rimbalzo del terreno. Il motivo per cui non funziona è il metodo di modellazione. Quando l'uscita salta da alto livello a basso livello, la grande tensione di rimbalzo a terra può cambiare il comportamento del driver di uscita. v

Tre, modello Verilog-AMS e modello VHDL-AMS

Rispetto al modello Spice e al modello IBIS, i modelli Verilog-AMS e VHDL-AMS appaiono più tardi e sono un linguaggio di modello comportamentale. Come linguaggi di modellazione a livello di comportamento hardware, Verilog-AMS e VHDL-AMS sono superset di Verilog e VHDL, rispettivamente, mentre Verilog-A è un sottoinsieme di Verilog-AMS.

Nel linguaggio del segnale analogico/misto (AMS), a differenza dei modelli SPICE e IBIS, nel linguaggio AMS, spetta all'utente scrivere equazioni che descrivono il comportamento dei componenti. Simile al modello IBIS, il linguaggio di modellazione AMS è un formato modello indipendente che può essere utilizzato in molti tipi diversi di strumenti di simulazione. Le equazioni AMS possono anche essere scritte a molti livelli diversi: livello transistor, livello di unità I/O, gruppo di unità I/O, ecc. L'unico requisito è che il produttore possa scrivere un'equazione che descriva la relazione input/output porta.

Infatti, il modello AMS può essere utilizzato anche per componenti di sistema non elettrici. Generalmente, il modello può essere scritto più semplice per velocizzare la simulazione. Un modello più dettagliato richiede spesso più tempo per simulare. In alcuni casi, un modello di comportamento relativamente semplice è più accurato del modello Spice.

Poiché Verilog-AMS e VHDL-AMS sono entrambi nuovi standard, sono stati adottati solo negli ultimi cinque anni. Finora solo pochi produttori di semiconduttori possono fornire modelli AMS. I simulatori che possono supportare AMS sono migliori di SPICE e IBIS. Meno. Tuttavia, la fattibilità e l'accuratezza di calcolo del modello AMS nell'analisi dell'integrità del segnale a livello di scheda PCB non sono inferiori ai modelli SPICE e IBIS.

3.21999

4.12004VHDL-AMS1999

Verilog-AMS1998

4 verifica del modello

Non importa quale modello e strumento di simulazione si decide di scegliere, il metodo che si utilizza deve essere efficace. Almeno, l'accuratezza e la completezza del modello devono essere garantite. Ad esempio, il modello IBIS di un ricevitore deve includere i valori di Vinl e Vinh, e il modello IBIS del driver deve includere il valore di Vmeas. La scheda tecnica del modello IBIS può essere controllata attraverso strumenti grafici di visualizzazione, come VisualIBISeditor di Mentor o ModelIntegrity tool di Cadence.

Allo stesso tempo, il modello deve essere in grado di superare la prova del simulatore. Una semplice interconnessione punto-punto può essere utilizzata per verificare il modello, ad esempio rilevare se vi sono problemi di convergenza. Si noti che l'interconnessione deve comprendere almeno una sezione di linea di trasmissione, in modo che possa essere osservata. Le caratteristiche di serraggio dei diodi di riflessione, overshoot e serraggio.

Alla fine, il modello deve essere controllato di nuovo attraverso veri e propri test hardware. Naturalmente, le condizioni di lavoro effettive del dispositivo non possono essere completamente coerenti con i parametri di simulazione e i dati misurati ottenuti non possono essere completamente coerenti con i risultati della simulazione, ma le caratteristiche riflesse del dispositivo dovrebbero essere coerenti, come la pendenza del bordo e il superamento nella stessa condizione di carico. L'ampiezza, la forma della curva del segnale, ecc. dovrebbe essere simile.

5 Selezione del modello

Poiché non esiste un modello unificato per completare tutta l'analisi dell'integrità del segnale a livello di scheda PCB, nella progettazione di scheda PCB digitale ad alta velocità, è necessario mescolare i modelli sopra menzionati per stabilire il modello di trasmissione dei segnali chiave e dei segnali sensibili nella massima misura.

Per componenti passivi discreti, è possibile cercare modelli SPICE forniti dai produttori, oppure stabilire e utilizzare direttamente modelli SPICE semplificati attraverso misure sperimentali, oppure utilizzare strumenti di modellazione specializzati (come il software di estrazione dei modelli in campo elettromagnetico 3D e 2D) per modellare.

Per i circuiti integrati digitali chiave, è necessario cercare modelli forniti dai produttori, come i modelli IBIS o Spice. Attualmente, la maggior parte dei progettisti e produttori di circuiti integrati possono fornire i modelli IBIS richiesti fornendo chip attraverso siti Web o altri metodi. I modelli IBIS non sono generalmente forniti. Se necessario, possono essere ottenuti dai produttori.

Per i circuiti integrati non critici, se il modello IBIS del produttore non è disponibile, è possibile selezionare anche un modello IBIS simile o predefinito in base alla funzione dei pin del chip. Naturalmente, un modello IBIS semplificato può anche essere stabilito attraverso misure sperimentali.

Per la linea di trasmissione sul PCBboard, il modello semplificato SPICE della linea di trasmissione può essere utilizzato nella pre-analisi dell'integrità del segnale e nell'analisi della risoluzione dello spazio e il modello completo SPICE della linea di trasmissione deve essere utilizzato nell'analisi dopo il cablaggio secondo la progettazione effettiva del layout. Se è necessaria un'analisi più precisa e è necessaria una modellazione accurata della linea di trasmissione, è possibile utilizzare strumenti di estrazione di modelli bidimensionali o tridimensionali.