PCB技術 - よく使用されるボードレベル信号完全性解析モデル

回路シミュレーションを行うためには、まず、回路シミュレーションプログラムによってサポートされる様々な構成要素に対して、シミュレーションプログラムに対応する数学モデルが記述されなければならない。

理想的なコンポーネントモデルは、コンポーネントの電気的特性を正確に反映するだけでなく、コンピュータ上の数値解に適しているべきである。一般的に言えば、デバイスモデルの精度が高いほど、モデル自体が複雑になり、モデルパラメータの数が多くなる。これにより、演算中に占めるメモリ量が増加し、演算時間が増加する。しかし、集積回路はしばしば膨大な数の構成要素を含み、デバイスモデルの複雑さの小さな増加は計算時間を2倍にする。逆に、モデルが粗すぎる場合、解析結果は信頼できない。したがって、使用される構成要素モデルの複雑さは、実際のニーズに従って決定されるべきである。

に PCB設計 信号完全性コンピュータ解析に基づく方法, 最も中心的な部分は PCBボードレベル信号完全性モデル, 伝統的なデザイン方法とは違う. Siモデルの正しさは設計の正確さを決定する, そしてsiモデルのビルド可能性はこの設計法の実現可能性を決定する.

現在、デバイスモデルを構築するための2つの方法がある。一つは、コンポーネントの電気的動作特性から出発し、部品を「ブラックボックス」として扱い、そのポートの電気的特性を測定し、デバイスの動作原理を伴わずにデバイスモデルを抽出することである。行動モデルと呼ばれる。このモデルの代表はibisモデルとsパラメータである。その利点は、それがシンプルで便利なモデルと使用し、リソースを保存し、アプリケーションの広い範囲を持っている。特に高周波，非線形性，高出力の場合，行動モデルはほぼ唯一の選択である。欠点としては、精度が悪く、一貫性を保証することができず、テスト技術や精度に影響される。もう一つは、コンポーネントの動作原理に基づいています。得られたデバイスモデルとモデルパラメータは，成分の数学式から出発して，デバイスの物理的動作原理と密接に関連している。スパイスモデルは、このモデルで最も広く使用されます。その利点は、特に高精度、特にモデリング方法の開発と半導体技術の進歩と仕様では、人々はさまざまな精度要件を満たすために複数のレベルでこのモデルを提供することができました。欠点はモデルが複雑で計算時間が長いことである。

一般に、ドライバ及び受信機モデルは、デバイス製造者によって提供され、伝送線路モデルは、通常、フィールドアナライザから抽出される。パッケージ及びコネクタモデルは、フィールドアナライザによって抽出することができ、又は製造者によって提供することができる。

のために使用できる多くのモデルがあります PCBボード電子設計におけるレベル信号完全性解析. その中で, つの最も一般的に使用されるモデルがあります, すなわちスパイス, アイビス, Verilog AMS, とVHDL.

スパイスモデル

SPICEはSimulationProgramWithIntegrated CircuitEffectの省略形です。それは数十年の歴史を持つ強力な汎用アナログ回路シミュレータです。プログラムは、電気工学とコンピューティング科学部、カリフォルニア大学バークリー校によって開発され、主に集積回路回路に使用されます。解析プログラムでは，spiceネットリスト形式は通常のアナログ回路とトランジスタレベル回路の記述の基準となっている。アメリカの工業規格として，ic，アナログ回路，ディジタルアナログハイブリッド回路，電力回路などの電子システムの設計とシミュレーションに使用されている。SPICEシミュレーションプログラムは完全にオープンなポリシーを採用しているので、ユーザーは自分のニーズに応じて変更することができます。また，実用性が良好で迅速に推進される。それは、複数のオペレーティングシステムプラットホームに移植されました。

スパイスの出現以来、そのバージョンを継続的に更新されています。spice 2とspice 3のような複数のバージョンがあります。新しいバージョンは、主に回路入力、グラフィック、データ構造と実行効率で強化されます。それは一般的にSPICE 2 G 5は最も成功し、効果的なはい、将来のバージョンは部分的な変更だけであると考えられている。

同時に、バークリーのSPICEシミュレーションプログラムアルゴリズムをコアとした様々な商用SPICE回路シミュレーションツールも制作されている。PCとUNIXプラットフォームで動作します。それらの多くはソースコードのオリジナルのSPICE 2 G 6バージョンに基づいています。これは公開公開版です。バージョンは、彼らはスパイスに基づいて実用的な仕事をたくさんしている。より一般的なSPICEシミュレーションソフトウェアhspice、pspice、スペクトル、tspiceを含んでいます

SmartSPCIE，ISSPICE，等，コアアルゴリズムは同じであるが，シミュレーション速度，精度，収束性は異なる。それらの中で、CynenceからSynpsysとPSPICEからのHSPICEは、最も有名です。HSPICEは、事実上のスパイス業界標準シミュレーションソフトウェアです。それは業界で最も広く使用されます。それは高精度と強力なシミュレーション機能の特性を持っています。しかし、フロントエンドの入力環境がなく、事前にネットリストファイルを準備する必要があります。これは、プライマリユーザーに適していません。集積回路設計のための主なアプリケーション；pSpiceは個々のユーザーのための最良の選択です。それはグラフィカルなフロントエンド入力環境、フレンドリーなユーザーインターフェイス、および高コストパフォーマンスを持っています。これは主にPCBボードとシステムレベルのデザインで使用されます。

SPICEシミュレーションソフトウェアの2つの部分：モデルとシミュレータが含まれます。モデルとシミュレータは密接に統合されているので，ユーザは新しいモデル型を追加することは非常に困難であるが，新しいモデルを追加するのは容易であり，既存のモデル型に対して新しいパラメータを設定するだけでよい。

spiceモデルはモデル方程式（モデル方程式）とモデルパラメータ（モデルパラメータ）からなる。モデル方程式を与えたので，spiceのモデルをシミュレータのアルゴリズムと密接に結び付け，解析効率の良い解析結果を得ることができた。

現在，spiceのモデルは，回路の非線形直流解析，非線形過渡解析，線形ac解析を行うことができる電子設計に広く用いられている。解析回路の構成要素は、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、相互インダクタンス、独立した電圧源、独立した電流源、様々な線形制御源、伝送線、および能動半導体デバイスを含むことができる。スパイスは、半導体デバイスモデルを内蔵しているユーザーは、モデルレベルを選択し、適切なパラメータを提供する必要があります。

SPICEモデルを使用して PCBボード レベル, IC設計者および製造業者は、集積回路1のSPICEモデルの詳細かつ正確な説明を提供する必要がある/ユニットサブ回路と半導体特性の製造パラメータ. これらの材料は、通常、デザイナーやメーカーの知的財産と機密性に属しているので, チップ製品を提供している間、少数の半導体メーカーだけが対応するSPICEモデルを提供する.

spiceモデルの解析精度は主にモデルパラメータの源（すなわち，データの精度）とモデル方程式の適用範囲に依存する。様々なデジタルシミュレータを用いたモデル方程式の組合せは，解析の精度にも影響を及ぼす。また、PCBボードレベルSPICEモデルは、大量のシミュレーション計算を行い、比較的時間がかかる。

二つのアイビスモデル

IBISはI / OBufferInformationSpecificationの省略形です。I / V曲線に基づくI / Obufferを迅速かつ正確にモデル化する方法である。チップの駆動と受信の電気的特性を反映する国際規格である。これは、駆動源の出力インピーダンス、立ち上がり/立ち下がり時間と入力負荷などのパラメータを記録するための標準的なファイル形式を提供します。

統一されたIBIS形式を定式化するために、IE企業、ICサプライヤー、エンドユーザーはIBISフォーマット開発委員会を設立し、IBISオープンフォーラムも誕生しました。これは、多くのedaメーカー、コンピュータメーカー、半導体メーカーや大学から構成されます。

1993年に、フォーマット開発委員会はIBISの最初の標準版1.0を立ち上げました。最新の公式バージョンは2004年にリリースされたバージョン4.1です。V 4。1は主に多言語モデルを追加する。BerkeleySpice、VHDL - AMSとVerilog AMSのサポート、IBISモデルは、システム全体をモデル化し、モデルアプリケーションの範囲を大幅に拡張しているが、これは同時にこれらのモデルをサポートするハイブリッドシミュレーションエンジンが必要です。シミュレーションにより，モデルソフトウェアの大規模適用は時間がかかる。IIIS規格はEIAによって認識され、ANSI / EIA - 656規格と定義されている。各新しいバージョンは、いくつかの新しいコンテンツを追加しますが、これらの新しいコンテンツは、IBISモデルの後方互換性を保証する必要な項目ではなく、IBISモデルファイルのオプションの項目だけです。

現在、多数のEDA企業がIBISオープンフォーラムのメンバーになっている。IBISをサポートするEDA企業は、異なるデバイスのためのIBISモデルとソフトウェアシミュレーションツールを提供します。ますます多くの半導体メーカーが製品のIBISモデルを提供し始めた。IBISモデルは、I／Oユニットおよびトランジスタ製造パラメータの内部設計を記述する必要がないので、半導体製造業者によって歓迎され、支持されている。現在、チップを提供している間、すべての主要なデジタル集積回路メーカーは対応するIBISモデルを提供することができます。

アイビス仕様自体はファイル形式です。これは、標準のIBISファイルのチップのドライバとレシーバーの別のパラメータを記録する方法について説明しますが、これらの記録されたパラメータを使用する方法を説明しません。これらのパラメータはIBISモデルで使用する必要があります。シミュレーションツールを読む。

IBISモデルは、ドライバとレシーバの動作の記述だけを提供するが、回路の内部構造の知的財産詳細を漏らさない。言い換えれば、売り手は彼らの競争相手にあまりにも多くの製品情報を明らかにすることなく、最新のドアレベルのデザイン作業を説明するためにIBISモデルを使用することができます。また、IBISは単純なモデルであるため、PCBボードレベルのシミュレーションは、テーブルのルックアップ計算を使用するので、計算量は、対応するフルスパイストライオードレベルのモデルシミュレーションと比較して計算量の10 - 15倍を節約します。

IBISは、ドライバの高レベルと低レベルの状態を表す2つの完全なI / V曲線を提供します。I／V曲線の機能は、IBISに保護ダイオード、TTLトーテムポール駆動源、エミッタフォロワ出力のような非線形効果をモデル化する能力を提供することである。ibisモデルの解析精度は主にi／v，v／tテーブルのデータ点数とデータ精度に依存する。

spiceモデルと比較して，ibisモデルの利点は次のように要約できる。

パッケージとESD構造の寄生パラメータを考慮しながら、I／O非線形性に関して正確なモデルを提供することができる

構造化されたメソッドより高速なシミュレーション速度を提供するV

これは、システムボードレベルまたはマルチボード信号の整合性の分析とシミュレーションに使用することができます。ibisモデルによって解析できる信号完全性問題は，クロストーク，反射，発振，オーバシュート，アンダーシュート，不整合インピーダンス，伝送線路解析，トポロジー解析を含む。iBISは、特に高速振動とクロストークの正確かつ正確なシミュレーションが可能です。これは、立ち上がり時間の条件と物理的なテストで解決することはできませんいくつかの状況下で最悪ケースの信号の挙動を検出するために使用することができますV

モデルは、無料で半導体メーカーから取得することができますし、ユーザーはモデルのために余分な支払う必要はありませんV

業界のシミュレーションプラットフォームの広い範囲との互換性、ほとんどすべての信号の整合性解析ツールは、IBISモデルを受け入れる。V

もちろん、IBISは完璧ではありません。

多くのチップメーカーはIBISモデルのサポートを欠いている。V

IBISモデルなしでは、IBISツールは動作できません。iSISファイルを手動で作成することができますまたは自動的にSPICEモデルを介して変換される場合は、最小の立ち上がり時間パラメータをメーカーから取得することはできませんが、変換ツールは何もすることができます。

アイビスは理想的に制御された立ち上がり時間でドライバータイプ回路を取り扱うことができません、特に複雑なフィードバックを含むそれらの回路;

IBISは地上爆音をモデル化する能力を欠くIBISモデルのバージョン2.1では、相互インダクタンスが異なるピン組合せを記述しており、そこからいくつかの非常に有用な接地バウンス情報を抽出することができる。それが働かない理由はモデリング方法です。出力がハイレベルからロウレベルにジャンプすると、大きな接地バウンス電圧は出力ドライバの挙動を変化させることができる。V

Verilog AMSモデルとVHDL‐AMSモデル

spiceモデルとibisモデルと比較して，verilog‐amsとvhdl‐amsモデルは，後に現れ，行動モデル言語である。ハードウェア挙動レベルモデリング言語として、Verilog - AMSとVHDL - AMSはそれぞれVerilogとVHDLのスーパーセットであり、Verilog - AはVerilog - AMSのサブセットである。

アナログ/混合信号（AMS）言語では、AMS言語では、SPICEとIBISモデルとは異なり、コンポーネントの動作を記述する式を記述するのはユーザー次第です。IBISモデルと同様に、AMSモデリング言語は、シミュレーションツールの多くの異なるタイプで使用できる独立したモデル形式です。AMSの式は、多くの異なるレベルで書かれることができます：トランジスタレベル、I / Oユニットレベル、I / Oユニットグループなど。

実際には、AMSモデルはまた、非電気システムコンポーネントに使用することができます。一般に、モデルを簡単に記述してシミュレーションを高速化することができる。より詳細なモデルは、しばしばシミュレートするためにより多くの時間を必要とする。場合によっては、比較的単純な行動モデルはSPICEモデルより正確です。

Verilog AMSとVHDL - AMSは両方とも新しい標準であるので、彼らは過去5年間だけ採用されました。これまでのところ、いくつかの半導体製造業者はAMSモデルを提供することができる。AMSをサポートできるシミュレータはSPICEとIBISより良い。以下。しかし，pcbボードレベル信号完全性解析におけるamsモデルの実現可能性と計算精度はspiceとibisモデルに劣らない。

3.21999

4.12004VHDL-AMS1999

Verilog - AMS 1998

4モデル検証

どのモデルとシミュレーションツールを選択すると決めても、あなたが使用する方法は効果的でなければなりません。少なくとも、モデルの正確性と完全性は保証されなければなりません。例えば、受信機のIBISモデルはVINLとVINHの値を含まなければなりません、そして、ドライバーのIBISモデルはVMEAsの値を含まなければなりません。IBISモデルのデータシートは、メンターのVisualibiSolittorやCadenceのモデル整合ツールなどのグラフィカルな表示ツールを介して確認できます。

同時に、モデルはシミュレータのテストに合格することができなければなりません。単純なポイントツーポイント相互接続は、収束問題があるかどうか検出することのようなモデルを確認するために用いることができる。相互接続が少なくとも伝送線のセクションを含まなければならないので、それが観察されることができる点に注意してください。反射，オーバーシュートおよびクランプダイオードのクランプ特性

結局、モデルは実際のハードウェアテストによって再びチェックされなければなりません。もちろん、デバイスの実際の動作条件はシミュレーションパラメータと完全に一致することができず、得られた測定データはシミュレーション結果と完全に一致することはできないが、反射されたデバイス特性は、同じ負荷条件の下でエッジの傾きとオーバーシュートのような一貫性があるべきである。振幅、信号曲線の形状等は同様である。

5モデル選択

すべてのpcbボードレベル信号完全性解析を完了するための統一モデルがないため，高速ディジタルpcbボードの設計において，重要な信号と高感度信号の伝送モデルを確立するために，上記モデルを混合する必要がある。

ディスクリートパッシブコンポーネントについては、製造業者によって提供されるスパイスモデルを求めることができるか、または実験的測定によって簡単にSPICEモデルを確立し、使用することができるか、モデル化するために、特殊なモデリングツール（3 Dおよび2 D電磁界モデル抽出ソフトウェアなど）を使用することができます。

キーデジタル集積回路の場合は、IBISモデルやスパイスなどのメーカーが提供するモデルを求めてください。現在、ウェブサイトまたは他の方法を通してチップを提供している間、大部分の集積回路デザイナーとメーカーは必要なIBISモデルを提供することができます。IBISモデルは一般に提供されません。必要に応じて、メーカーから入手することができます。

非臨界集積回路については、製造者のIBISモデルが利用できない場合、チップピンの機能に応じて、同様の、またはデフォルトのIBISモデルを選択することもできる。もちろん、簡略化されたIBISモデルは、実験測定によっても確立することができる。

伝送線路について PCB板, 簡略化伝送線路SPICEモデルは信号完全性事前解析と空間解析解析で使用できる, また、実際のレイアウト設計に従って配線後の解析において完全伝送線路SPICEモデルを使用する必要がある. より正確な分析が必要なら, 送電線の正確なモデリングが必要である, 二次元または三次元モデル抽出ツールを使用することができます.