PCB 기술 - 일반적인 보드 레벨 신호 무결성 분석 모델

회로 시뮬레이션을 진행하기 위해서는 먼저 컴포넌트의 모델을 만들어야 합니다. 즉, 회로 시뮬레이션 프로그램이 지원하는 다양한 컴포넌트에 대해 시뮬레이션 프로그램에는 컴퓨터가 조작할 수 있는 계산 공식으로 표현할 수 있는 적절한 수학 모델이 있어야 합니다.

이상적인 컴포넌트 모델은 컴포넌트의 전기 특성을 정확하게 반영해야 할 뿐만 아니라 컴퓨터에서 수치 해석을 수행하기에 적합합니다.일반적으로 장치 모델의 정밀도가 높을수록 모델 자체가 복잡해지고 필요한 모델 매개변수 수도 많아집니다.이러한 방식으로 계산 중에 사용되는 메모리의 양이 증가하고 계산 시간이 증가합니다.그러나 집적회로에는 일반적으로 대량의 부품이 포함되는데 부품모델의 복잡성이 소폭 증가하면 계산시간이 두배로 증가된다.반대로 모델이 너무 거칠면 분석 결과가 신뢰할 수 없습니다.따라서 사용되는 어셈블리 모델의 복잡성은 실제 필요에 따라 결정됩니다.

신호 무결성 컴퓨터 분석을 기반으로 한 PCB 설계 방법 중 가장 핵심적인 부분은 기존 설계 방법과 다른 PCB 보드 레벨 신호 무결성 모델을 구축하는 것입니다.SI 모델의 정확성은 설계의 정확성을 결정하며 SI 모델의 구축 가능성에 따라 설계 방법의 타당성이 결정됩니다.

현재 부품 모델을 구축하는 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 부품의 전기 작업 특성에서 착안하여 부품을"블랙박스"로 간주하고 그 포트의 전기 특성을 측정하여 부품의 작업 원리와 관련되지 않고 부품 모델을 추출하는 것입니다.비헤이비어 모델이라고 합니다.이 모델은 IBIS 모델과 S 매개변수를 나타냅니다.모델링과 사용이 간단하고 편리하며 자원을 절약하고 응용 범위가 넓다는 장점이 있다.특히 고주파, 비선형 및 고출력의 경우 행동 모델이 거의 유일한 선택입니다.단점은 정확성이 떨어지고 일관성이 보장되지 않으며 테스트 기술과 정확성의 영향을 받는다는 것입니다.다른 하나는 어셈블리의 작동 원리를 기반으로 합니다.부품의 수학 방정식에서 출발하여 얻은 부품 모델과 모델 매개변수는 부품의 물리적 작업 원리와 밀접한 관련이 있다.SPICE 모델은 이 모델에서 가장 널리 사용되는 모델입니다.그것의 장점은 정밀도가 더 높다는 것이다. 특히 모델링 방법의 발전과 반도체 기술의 진보와 규범에 따라 사람들은 이미 여러 차원에서 이런 모델을 제공하여 서로 다른 정밀도 요구를 만족시킬 수 있다.단점은 모델이 복잡하고 계산 시간이 길다는 것이다.

일반적으로 드라이브 및 수신기 모델은 장비 제조업체에서 제공하며 전송선 모델은 일반적으로 현장 분석기에서 추출됩니다.패키지 및 커넥터 모델은 현장 분석기에서 추출하거나 제조업체에서 제공할 수 있습니다.

전자 설계에서는 PCB 보드 레벨 신호 무결성 분석에 사용할 수 있는 모델이 많이 있습니다.여기에는 SPICE, IBIS, Verilog AMS, VHDL-AMS 등 세 가지 모델이 가장 많이 사용됩니다.

1. SPICE 모델

Spice는 SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis의 약자입니다.그것은 수십 년의 역사를 가진 강력한 범용 아날로그 회로 시뮬레이터입니다.이 프로그램은 UC버클리 전기공학과 계산과학과에서 개발한 것으로 주로 집적회로에 사용된다.분석 프로그램에서 Spice 네트워크 테이블 형식은 일반적인 아날로그 회로 및 트랜지스터 레벨 회로를 설명하는 표준이되었습니다.IC, 아날로그 회로, 디지털 혼합 회로, 전원 회로 등 전자 시스템의 설계와 시뮬레이션에 주로 사용되는 미국 국가 산업 표준으로 설정됐다. 스파이스 시뮬레이션 프로그램은 완전히 개방된 정책을 채택하기 때문에 사용자는 자신의 요구에 따라 수정할 수 있다.이밖에 량호한 실용성을 갖고있어 보급속도가 빠르다.여러 운영 체제 플랫폼으로 마이그레이션되었습니다.

Spice가 출시된 이후 버전은 계속 업데이트되고 있습니다.Spice2 및 Spice3와 같은 다양한 버전이 있습니다.새 버전에서는 주로 회로 입력, 그래픽, 데이터 구조 및 실행 효율성이 향상되었습니다.사람들은 일반적으로 Spice2G5가 가장 성공적이고 효과적이라고 생각합니다. 예, 미래의 버전은 부분적 인 변경에 불과합니다.

이와 함께 버클리 스파이스 시뮬레이션 프로그램 알고리즘을 핵심으로 하는 다양한 상업용 스파이스 회로 시뮬레이션 도구도 생산했다.PC 및 UNIX 플랫폼에서 실행됩니다.이 중 상당수는 원래 SPICE2G6 버전을 기반으로 한 소스 코드입니다.이것은 공개적으로 발표된 버전이다.버전, 그들은 Spice를 기반으로 많은 실제 작업을 수행했습니다.더 일반적인 Spice 에뮬레이션 소프트웨어로는 Hspice, Pspice, Spectre, Tspice,

SmartSpcie, Isspice 등은 핵심 알고리즘은 같지만 아날로그 속도, 정밀도, 수렴성은 다르다.Synopsys의 Hspice와 Cadence의 Pspice가 가장 유명합니다.Hspice는 사실상 Spice 업계 표준의 아날로그 소프트웨어입니다.업계에서 가장 널리 사용되고 있습니다.그것은 정밀도가 높고 모방 기능이 강한 특징을 가지고 있다.그러나 프런트엔드 입력 환경이 없으므로 네트워크 테이블 파일을 미리 준비해야 합니다.기본 사용자에게는 적합하지 않습니다.주로 집적회로 설계에 응용된다.Pspice는 개인 사용자에게 가장 좋은 선택입니다.프런트엔드 입력 환경, 친숙한 사용자 인터페이스 및 높은 가격 대비 그래픽을 제공합니다.주로 PCB 보드 및 시스템 수준 설계에 사용됩니다.

SPICE 에뮬레이션 소프트웨어는 모델과 에뮬레이터 두 부분으로 구성됩니다.모델과 시뮬레이터가 긴밀하게 통합되어 있기 때문에 새 모델 유형을 추가하는 것은 어렵지만 새 모델을 추가하는 것은 쉬우며 기존 모델 유형에 대한 새 매개변수만 설정하면 됩니다.

SPICE 모델은 모델 방정식(ModelEquations)과 모델 매개변수(ModelParameters)의 두 부분으로 구성됩니다.모델 방정식을 제공하기 때문에 SPICE 모델은 에뮬레이터의 알고리즘과 밀접하게 연결되어 더 나은 분석 효율성과 분석 결과를 얻을 수 있습니다.

SPICE 모델은 회로에 대한 비선형 직류 분석, 비선형 순식간 분석 및 선형 AC 분석을 수행할 수 있는 전자 설계에 널리 사용되었습니다.분석된 회로의 부품에는 저항, 커패시터, 인덕션, 인덕션, 독립 전압 소스, 독립 전류 소스, 다양한 선형 제어 소스, 전송 라인 및 능동 반도체 부품이 포함될 수 있습니다.SPICE에는 반도체 부품 모델이 내장되어 있어 모델 레벨을 선택하고 적절한 매개변수를 제공하기만 하면 됩니다.

SPICE 모델을 사용하여 PCB 보드 수준에서 SI 분석을 수행하는 경우 IC 설계자와 제조업체는 집적회로 I/O 유닛 서브회로의 SPICE 모델과 반도체 특성의 제조 매개변수에 대한 상세하고 정확한 설명을 제공할 필요가 있습니다.이러한 재료는 일반적으로 설계자와 제조업체의 지적 재산권과 기밀성에 속하기 때문에 소수의 반도체 제조업체만이 칩 제품과 함께 해당 SPICE 모델을 제공합니다.

SPICE 모델의 분석 정밀도는 주로 모델 매개변수의 출처 (즉, 데이터의 정확성) 와 모델 방정식의 적용 범위에 따라 달라집니다.모델 방정식과 각종 디지털 시뮬레이터의 조합도 분석의 정확성에 영향을 줄 수 있다.또한 PCB 보드 레벨 SPICE 모델에는 많은 수의 에뮬레이션 계산이 있으며 분석에 상대적으로 시간이 많이 걸립니다.

2. IBIS 모델

IBIS는 I/O 버퍼 정보 사양의 약어입니다.I/V 커브를 기반으로 I/OBUFFER를 빠르고 정확하게 모델링하는 방법입니다.그것은 칩의 구동과 수신 전기의 특성을 반영하는 국제 표준이다.구동 소스 출력 임피던스, 상승 / 하강 시간 및 입력 로드와 같은 매개변수를 기록하는 표준 파일 형식을 제공하며 진동 및 직렬 교란과 같은 고속 회로 설계에서 계산 및 시뮬레이션에 적합합니다.

통합 IBIS 포맷을 만들기 위해 EDA사와 IC 공급업체, 최종 사용자들이 IBIS 포맷 개발위원회를 구성하면서 IBIS 오픈 포럼도 탄생했다.여러 EDA 제조업체, 컴퓨터 제조업체, 반도체 제조업체 및 대학으로 구성됩니다.

1993 년 형식 개발 위원회는 IBIS의 첫 번째 표준 1.0 버전을 출시하고 끊임없이 수정했습니다.최신 공식 버전은 2004년에 출시된 버전 4.1입니다.V4.1에는 다국어 모델이 추가되었습니다.BerkeleyPICE, VHDL-AMS 및 Verilog AMS를 지원하는 IBIS 모델은 전체 시스템을 모델링할 수 있는 능력을 갖추고 있으며 모델 응용의 범위는 크게 확장되었지만 이러한 모델을 동시에 지원하는 하이브리드 시뮬레이션 엔진이 필요합니다.시뮬레이션, 그래서 모델 소프트웨어의 대규모 응용은 시간이 걸린다.IBIS 표준은 EIA에 의해 승인되었으며 ANSI/EIA-656-A 표준으로 정의되었습니다.각 새 버전에는 새 컨텐트가 추가되지만 IBIS 모델의 후면 호환성을 보장하는 IBIS 모델 파일의 선택 사항만 추가됩니다.

이제 수십 개의 EDA 회사가 IBIS 오픈 포럼의 회원이되었습니다.IBIS를 지원하는 EDA 회사는 다양한 장치에 IBIS 모델 및 소프트웨어 시뮬레이션 도구를 제공합니다.점점 더 많은 반도체 제조업체들이 자사의 제품에 대한 IBIS 모델을 제공하기 시작했습니다.IBIS 모델은 I/O 유닛의 내부 설계 및 트랜지스터 제조 매개변수를 설명할 필요가 없기 때문에 반도체 제조업체의 환영과 지원을 받고 있습니다.이제 모든 주요 디지털 집적회로 제조업체는 칩과 함께 해당 IBIS 모델을 제공할 수 있습니다.

IBIS 사양 자체는 파일 형식일 뿐입니다.표준 IBIS 파일에 칩 드라이브와 수신기의 다른 매개변수를 기록하는 방법을 설명하지만 이러한 레코드의 매개변수를 사용하는 방법은 설명하지 않습니다.IBIS 모델에는 이러한 매개변수가 필요합니다.읽을 아날로그 도구입니다.

IBIS 모델은 드라이브와 수신기의 행동에 대한 설명만 제공하지만 회로 내부 구조의 지적 재산권 세부 사항은 누설하지 않았다.즉, 판매자는 IBIS 모델을 사용하여 경쟁사에 제품 정보를 많이 공개하지 않고 최신 도어 디자인 작업을 설명할 수 있습니다.또한 IBIS는 간단한 모델이기 때문에 PCB 보드 레벨 시뮬레이션은 차트 계산을 사용하기 때문에 계산량이 적어 해당 전체 Spice 삼극관 레벨 모델 시뮬레이션에 비해 10-15배의 계산량을 절약할 수 있다.

IBIS는 운전자의 고급 및 저급 상태와 일정한 변환 속도에서의 상태 변환 곡선을 나타내는 두 개의 완전한 I/V 곡선을 제공합니다.I/V 곡선의 기능은 IBIS에 다이오드, TTL 토템 기둥 구동원 보호 및 송신극 추종기 출력 등 비선형 효과에 대한 모델링 기능을 제공하는 것이다.IBIS 모델의 분석 정밀도는 주로 I/V 및 V/T 테이블의 데이터 점 수와 데이터의 정확성에 따라 달라집니다.

Spice 모델과 비교할 때 IBIS 모델의 장점은 다음과 같습니다.

패키지와 ESD 구조의 기생 매개변수를 고려하여 I/O 비선형 측면의 정확한 모델을 제공할 수 있습니다.

구조화된 방법보다 빠른 시뮬레이션 속도 제공v

시스템 보드 레벨 또는 다중 보드 신호 무결성 분석 및 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다.IBIS 모델이 분석할 수 있는 신호 무결성 문제는 직렬 교란, 반사, 진동, 과충, 하충, 임피던스 미스매치, 전송선 분석 및 토폴로지 분석입니다.IBIS는 특히 고속 진동과 교란을 정확하게 시뮬레이션할 수 있다.이는 상승시간조건에서의 최악의 상황신호행위와 일부 물리적테스트에서 해결할수 없는 상황을 검측하는데 사용할수 있다.v

모델은 반도체 제조업체로부터 무료로 얻을 수 있으며 사용자는 모델에 추가 비용을 지불 할 필요가 없습니다.v

업계에서 널리 사용되는 아날로그 플랫폼과 호환되며 거의 모든 신호 무결성 분석 도구는 IBIS 모델을 사용합니다.v

물론 IBIS는 완벽하지 않으며 다음과 같은 부족함이 있습니다.

많은 칩 제조업체는 IBIS 모델에 대한 지원이 부족합니다.v

IBIS 모델이 없으면 IBIS 도구가 작동하지 않습니다.IBIS 파일을 수동으로 생성하거나 Spice 모델을 통해 자동으로 변환할 수 있지만 제조업체로부터 최소 상승 시간 매개변수를 가져올 수 없으면 변환 도구에서 아무 작업도 수행할 수 없습니다.

IBIS는 제어 상승 시간을 가진 드라이브 기반 회로, 특히 복잡한 피드백을 포함하는 회로를 이상적으로 처리하지 못합니다.

IBIS는 지상 폭탄 소음을 시뮬레이션하는 능력이 부족하다.IBIS 모델의 버전 2.1에는 다양한 핀 조합을 설명하는 상호 감각이 포함되어 있으며 매우 유용한 접지 반발 정보를 추출할 수 있습니다.모델링 방법이 작동하지 않는 이유는 모델링 방법입니다.출력이 고전평에서 저전평시로 뛰여오르면 큰 접지반등전압은 출력드라이브의 행위를 개변시킬수 있다.v

Verilog AMS 모델 및 VHDL-AMS 모델

Verilog AMS 및 VHDL-AMS 모델은 Spice 모델과 IBIS 모델에 비해 늦게 나타나는 행동 모델 언어입니다.하드웨어 동작 수준 모델링 언어인 Verilog AMS와 VHDL-AMS는 각각 Verilog와 VHDL의 슈퍼세트이고 Verilog-A는 Verilog AMS의 서브세트입니다.

아날로그/혼합 신호(AMS) 언어에서는 SPICE 및 IBIS 모델과 달리 AMS 언어에서는 사용자가 어셈블리의 동작을 설명하는 방정식을 작성합니다.IBIS 모델과 마찬가지로 AMS 모델링 언어는 다양한 유형의 시뮬레이션 도구에 사용할 수 있는 독립형 모델 형식입니다.AMS 방정식은 트랜지스터 레벨, I/O 유닛 레벨, I/O 단위 그룹 등 다양한 레벨에도 쓸 수 있습니다. 유일한 요구 사항은 제조업체가 포트의 입출력 관계를 설명하는 방정식을 쓸 수 있다는 것입니다.

실제로 AMS 모델은 비전기 시스템 어셈블리에도 사용할 수 있습니다.일반적으로 모델은 시뮬레이션 속도를 높이기 위해 더 쉽게 작성할 수 있습니다.더 자세한 모델은 일반적으로 시뮬레이션하는 데 더 많은 시간이 필요합니다.경우에 따라 Spice 모델보다 상대적으로 단순한 동작 모델이 더 정확합니다.

Verilog AMS와 VHDL-AMS는 모두 새로운 표준이기 때문에 지난 5 년 동안 채택되었습니다.지금까지 소수의 반도체 제조업체만이 AMS 모델을 제공할 수 있었다.AMS를 지원할 수 있는 에뮬레이터는 SPICE 및 IBIS보다 우수합니다.적은 수의그러나 AMS 모델은 PCB 보드 레벨 신호 무결성 분석에서 SPICE와 IBIS 모델 못지않게 타당성과 계산 정밀도를 제공합니다.

3.21999

4.12004VHDL-AMS1999

Verilog-AMS1998

4 모델 검증

어떤 모델을 선택하든 시뮬레이션 도구를 선택하든 사용하는 방법은 유효해야 합니다.적어도 모델의 정확성과 무결성은 보장되어야 합니다.예를 들어, 수신기의 IBIS 모델에는 Vinl 및 Vinh 값이 포함되어야 하고 드라이브의 IBIS 모델에는 Vmeas 값이 포함되어야 합니다.IBIS 모델의 데이터 테이블은 Mentor의 VisualIBISEditor 또는 Cadence의 ModelIntegrity 도구와 같은 그래픽 표시 도구를 통해 확인할 수 있습니다.

동시에 모델은 시뮬레이터 테스트를 통과할 수 있어야 합니다.수렴 문제를 감지하는 등의 간단한 점대점 상호 연결을 사용하여 모델을 검증할 수 있습니다.상호 연결에는 적어도 하나의 전송선이 포함되어 있어야 관찰할 수 있습니다.반사, 과격 및 고정 다이오드의 고정 특성.

마지막으로 실제 하드웨어 테스트를 통해 모델을 다시 확인해야 합니다.물론 장치의 실제 작업 조건이 시뮬레이션 매개변수와 완전히 일치할 수는 없으며 얻은 측정 데이터도 시뮬레이션 결과와 완전히 일치할 수는 없지만 동일한 부하 조건에서 가장자리의 기울기 및 오버런과 같은 장치 특성이 일치해야 합니다.신호 곡선의 폭, 모양 등은 비슷해야 한다.

5 모델 선택

모든 PCB 보드 레벨의 신호 무결성 분석을 완료하기위한 통합 모델이 없기 때문에 고속 디지털 PCB 보드 설계에서 위의 모델을 혼합하여 핵심 신호와 민감한 신호의 전송 모델을 최대한 구축 할 필요가 있습니다.

개별 소스 없는 컴포넌트의 경우 제조업체에서 제공하는 SPICE 모델을 찾거나 실험 측정을 통해 단순화된 SPICE 모드를 직접 설정하고 사용하거나 3D 및 2D 전자기장 모델 추출 소프트웨어와 같은 특수 모델링 도구를 사용하여 모델링할 수 있습니다.

주요 디지털 집적 회로의 경우 IBIS 모델 또는 Spice와 같은 제조업체에서 제공하는 모델을 찾아야 합니다.현재 대부분의 집적 회로 설계자와 제조업체는 웹 사이트 또는 다른 방식으로 칩을 제공하는 동시에 필요한 IBIS 모델을 제공 할 수 있습니다.일반적으로 IBIS 모델은 제공되지 않습니다.필요한 경우 제조업체에서 사용할 수 있습니다.

비 핵심 집적 회로의 경우 제조업체의 IBIS 모델을 사용할 수 없는 경우 칩 핀의 기능에 따라 유사하거나 기본 IBIS 모델을 선택할 수도 있습니다.물론 실험 측정을 통해 단순화된 IBIS 모델을 만들 수도 있습니다.

PCB 보드의 전송선의 경우 단순화된 전송선 SPICE 모델을 사용하여 신호 무결성 사전 분석 및 공간 해석 분석을 수행할 수 있으며, 실제 레이아웃 설계에 따라 경로설정 후 분석은 완전한 전송선 SPICE 모델을 사용해야 합니다.보다 정확한 분석이 필요하고 송전선로를 정확하게 모델링해야 하는 경우 2D 또는 3D 모델 추출 도구를 사용할 수 있습니다.