Teknik PCB - Model analisis integriti isyarat aras papan biasa digunakan

Untuk melakukan simulasi sirkuit, model komponen mesti ditetapkan dahulu, iaitu, untuk pelbagai komponen yang disokong oleh program simulasi sirkuit, mesti ada model matematik yang sepadan dalam program simulasi untuk menggambarkannya, iaitu formula pengiraan yang boleh dijalankan oleh komputer Untuk mengekspresikan mereka.

Model komponen ideal seharusnya tidak hanya menyatakan dengan tepat karakteristik elektrik komponen, tetapi juga sesuai untuk penyelesaian nombor pada komputer. Secara umum, semakin tinggi ketepatan model peranti, semakin kompleks model sendiri, dan semakin besar bilangan parameter model yang diperlukan. Dengan cara ini, jumlah ingatan yang dipenuhi semasa pengiraan meningkat, dan masa pengiraan meningkat. Namun, litar terintegrasi sering mengandungi bilangan besar komponen, dan peningkatan kecil dalam kompleksiti model peranti akan menggandakan masa pengiraan. Sebaliknya, jika model terlalu kasar, hasil analisis tidak boleh dipercayai. Oleh itu, kompleksiti model komponen yang digunakan patut ditentukan mengikut keperluan sebenar.

Dalam kaedah rancangan PCB berdasarkan analisis komputer integriti isyarat, bahagian paling utama adalah penciptaan model integriti isyarat aras papan PCB, yang berbeza dari kaedah rancangan tradisional. Kebetulan model SI akan menentukan kebijaksanaan desain, dan kebijaksanaan model SI menentukan kebijaksanaan kaedah desain ini.

Pada masa ini, terdapat dua kaedah untuk membina model peranti: satu adalah untuk bermula dari ciri-ciri kerja elektrik komponen, memperlakukan komponen sebagai 'kotak hitam', mengukur ciri-ciri elektrik pelabuhannya, dan mengekstrak model peranti tanpa melibatkan prinsip kerja peranti. Memanggil model perilaku. Perwakilan model ini adalah model IBIS dan S-parameter. Keuntungannya ialah ia mudah dan mudah untuk model dan menggunakan, simpan sumber, dan mempunyai julat yang luas aplikasi. Terutama dalam kes frekuensi tinggi, nonlineariti, dan kuasa tinggi, model perilaku hampir satu-satunya pilihan. Kegagalan adalah bahawa akurasi adalah lemah, konsistensi tidak dapat dijamin, dan ia dipengaruhi oleh teknologi ujian dan akurasi. Yang lain berdasarkan prinsip kerja komponen. Mula dari persamaan matematik bagi komponen, model peranti yang diperoleh dan parameter model terkait dengan prinsip kerja fizikal peranti. Model SPICE adalah model yang digunakan paling luas. Keuntungannya adalah ketepatan yang lebih tinggi, terutama dengan pembangunan kaedah pemodelan dan kemajuan dan spesifikasi teknologi semikonduktor, orang telah mampu menyediakan model ini pada tahap berbilang untuk memenuhi keperluan ketepatan yang berbeza. Kegagalan adalah bahawa model adalah kompleks dan masa pengiraan adalah panjang.

Secara umum, pemacu dan model penerima disediakan oleh pembuat peranti, dan model garis trasmis biasanya dikekstrak dari penganalisa medan. Pakej dan model sambungan boleh dikekstrak oleh penganalisis medan atau disediakan oleh pembuat.

Terdapat banyak model yang boleh digunakan untuk analisis integriti isyarat aras papan PCB dalam rancangan elektronik. Di antara mereka, ada tiga model yang paling biasa digunakan, iaitu SPICE, IBIS, Verilog-AMS, dan VHDL-AMS.

1. Model SPICE

Spice adalah pendekatan SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis. Ia adalah simulator sirkuit analog untuk tujuan umum yang berkuasa dengan dekade sejarah. Program ini dikembangkan oleh Jabatan Keenjinan Elektrik dan Sains Komputer, Universiti California, Berkeley, dan terutama digunakan untuk sirkuit integrasi. Dalam program analisis, format senarai jaringan Spice telah menjadi piawai untuk keterangan sirkuit analog biasa dan sirkuit aras-transistor. Tetapkan sebagai piawai industri negara Amerika, ia terutama digunakan untuk desain dan simulasi sistem elektronik seperti IC, sirkuit analog, sirkuit hibrid analog digital, sirkuit kuasa dan sebagainya. Kerana program simulasi Spice mengadopsi kebijaksanaan yang sepenuhnya terbuka, pengguna boleh mengubahnya mengikut keperluan mereka sendiri. Selain itu, ia mempunyai kemampuan latihan yang baik dan dipromosikan dengan cepat. Ia telah dipindahkan ke platform sistem operasi berbilang.

Sejak muncul Spice, versinya telah terus dikemaskini. Terdapat versi berbilang seperti Spice2 dan Spice3. Versi baru terutamanya ditambah dalam input sirkuit, grafik, struktur data dan efisiensi eksekutif. Secara umum dipercayai bahawa Spice2G5 adalah yang paling berjaya dan berkesan Ya, versi masa depan hanya perubahan sebahagian.

Pada masa yang sama, pelbagai alat simulasi sirkuit Spice komersial dengan algoritma program simulasi Spice Berkeley sebagai inti juga telah dihasilkan. Mereka berjalan pada platform PC dan UNIX. Banyak daripada mereka berdasarkan versi asli SPICE2G6 kod sumber. Ini versi yang diterbitkan secara awam. Versi, mereka telah melakukan banyak kerja praktik berdasarkan Spice. Perisian simulasi Spice yang lebih umum termasuk Hspice, Pspice, Spectre, Tspice,

SmartSpcie, IsSpice, dll., walaupun algoritma inti mereka sama, kelajuan simulasi, ketepatan, dan konvergensi berbeza. Di antara mereka, Hspice dari Synopsys dan Pspice dari Cadence adalah yang paling terkenal. Hspice adalah perisian simulasi standar industri de facto Spice. Ia adalah yang paling digunakan dalam industri. Ia mempunyai ciri-ciri akurasi tinggi dan fungsi simulasi kuat. Namun, ia tidak mempunyai persekitaran input bahagian depan dan perlu menyediakan fail senarai rangkaian secara hadapan. Ia tidak sesuai untuk pengguna utama. Aplikasi utama Untuk desain sirkuit terintegrasi; Pspice adalah pilihan terbaik bagi pengguna individu. Ia mempunyai persekitaran input bahagian depan grafik, antaramuka pengguna ramah, dan prestasi biaya tinggi. Ia terutama digunakan dalam papan PCB dan rancangan aras sistem.

Perisian simulasi SPICE mengandungi dua bahagian: model dan simulator. Kerana model dan simulator adalah terintegrasi dengan ketat, ia sangat sukar bagi pengguna untuk menambah jenis model baru, tetapi ia mudah untuk menambah model baru, dan hanya perlu menetapkan parameter baru untuk jenis model yang ada.

Model SPICE terdiri dari dua bahagian: persamaan model (ModelEquations) dan parameter model (ModelParameters). Oleh kerana persamaan model disediakan, model SPICE boleh terhubung dengan algoritma simulator, dan keputusan analisis dan analisis yang lebih baik boleh dicapai.

Model SPICE telah digunakan secara luas dalam rancangan elektronik, yang boleh melakukan analisis DC bukan linear, analisis transient bukan linear dan analisis AC linear sirkuit. Komponen dalam sirkuit yang diuji boleh termasuk resistensi, kapasitasi, induktansi, induktansi bersama, sumber tegangan independen, sumber semasa independen, berbagai sumber kawalan linear, garis transmisi, dan peranti semikonduktor aktif. SPICE mempunyai model peranti setengah konduktor terbina, pengguna hanya perlu memilih aras model dan menyediakan parameter yang sesuai.

Apabila menggunakan model SPICE untuk melakukan analisis SI pada aras papan PCB, diperlukan bagi perancang IC dan pembuat untuk menyediakan keterangan terperinci dan tepat bagi model SPICE bagi litar-litar unit I/O terintegrasi dan parameter pembuatan ciri-ciri setengah konduktor. Kerana bahan-bahan ini biasanya milik harta intelektual dan kerahasiaan para perancang dan pembuat, hanya beberapa pembuat semikonduktor akan menyediakan model SPICE yang sepadan sementara menyediakan produk cip.

Ketepatan analisis model SPICE bergantung pada sumber parameter model (iaitu, ketepatan data) dan skop yang berlaku bagi persamaan model. Kombinasi persamaan model dengan pelbagai simulator digital juga boleh mempengaruhi ketepatan analisis. Selain itu, model SPICE papan papan PCB mempunyai jumlah besar pengiraan simulasi, dan analisis adalah relatif memakan masa.

Dua, model IBIS

IBIS adalah pendekatan I/OBufferInformationSpecification. I a adalah kaedah untuk memmodelkan dengan cepat dan tepat I/OBUFFER berdasarkan lengkung I/V. Ia adalah piawai antarabangsa yang mencerminkan ciri-ciri elektrik pemandu dan menerima cip. Ia menyediakan Format fail piawai untuk rekod parameter seperti impedance sumber pemacu output, masa naik/jatuh dan muatan input, yang sangat sesuai untuk pengiraan dan simulasi dalam rancangan sirkuit kelajuan tinggi seperti oscilasi dan crosstalk.

Untuk membentuk format IBIS bersatu, syarikat EDA, penyedia IC dan pengguna akhir menetapkan komite pembangunan format IBIS, dan Forum terbuka IBIS juga dilahirkan. Ia terdiri dari sejumlah pembuat EDA, pembuat komputer, pembuat semikonduktor dan universiti.

Pada tahun 1993, komite pembangunan format melancarkan Versi 1.0 piawai pertama IBIS, dan ia telah diubah secara terus menerus. Versi rasmi terbaru adalah Versi 4. 1 yang dilepaskan pada 2004. V4. 1 terutama menambah ke model berbilang- bahasa. Sokongan untuk BerkeleySPICE, VHDL-AMS dan Verilog-AMS, model IBIS mempunyai kemampuan untuk modelkan seluruh sistem, dan julat aplikasi model telah dikembangkan sangat, tetapi ini memerlukan enjin simulasi hibrid yang menyokong model ini pada masa yang sama. Simulasi, jadi aplikasi skala besar perisian model akan mengambil masa. Piawai IBIS telah dikenali oleh EIA dan ditakrif sebagai piawai ANSI/EIA-656-A. Setiap versi baru akan menambah beberapa kandungan baru, tetapi kandungan baru ini hanya item pilihan dalam fail model IBIS selain dari item yang diperlukan, yang memastikan kompatibilitas mundur model IBIS.

Sekarang, puluhan syarikat EDA telah menjadi ahli forum terbuka IBIS. Syarikat EDA yang menyokong IBIS menyediakan model IBIS dan alat simulasi perisian untuk peranti berbeza. Semakin banyak pembuat semikonduktor telah mula menyediakan model IBIS produk mereka. Kerana model IBIS tidak perlu menggambarkan rancangan dalaman unit I/O dan parameter penghasilan transistor, ia telah diterima dan disokong oleh penghasil semikonduktor. Sekarang semua pembuat sirkuit integrasi digital utama boleh menyediakan model IBIS yang sepadan sementara menyediakan cip.

Spesifikasi IBIS sendiri hanyalah format fail. Ia menjelaskan bagaimana untuk rekod parameter berbeza pemacu dan penerima cip dalam fail IBIS piawai, tetapi ia tidak menjelaskan bagaimana parameter rekod ini digunakan. Parameter ini perlu digunakan oleh model IBIS. Alat simulasi untuk dibaca.

Model IBIS hanya menyediakan deskripsi perilaku pemacu dan penerima, tetapi tidak bocorkan perincian ciri-ciri intelektual struktur dalaman sirkuit. Dengan kata lain, penjual boleh menggunakan model IBIS untuk memperlihatkan kerja desain tahap pintu terbaru mereka tanpa mengungkapkan terlalu banyak maklumat produk kepada pesaing mereka. Lagipun, kerana IBIS adalah model sederhana, simulasi papan papan PCB menggunakan pengiraan-perhatian jadual, jadi jumlah pengiraan adalah kecil, yang menyimpan 10-15 kali jumlah pengiraan dibandingkan dengan simulasi model tiga-aras Spice yang sepadan.

IBIS menyediakan dua lengkung I/V lengkap yang mewakili keadaan tahap tinggi dan tahap rendah pemacu, serta lengkung transisi keadaan pada kelajuan konversi tertentu. Fungsi kurva I/V adalah untuk menyediakan IBIS dengan kemampuan untuk modelkan kesan bukan linear seperti dioda perlindungan, sumber pemacu tiang totem TTL, dan output pengikut pengemit. Ketepatan analisis model IBIS bergantung pada bilangan titik data dalam jadual I/V dan V/T dan ketepatan data.

Berbanding dengan model Spice, keuntungan model IBIS boleh dikira sebagai berikut:

Ia boleh menyediakan model yang tepat dalam terma non-lineariti I/O, sambil mempertimbangkan parameter parasit pakej dan struktur ESD;

Menyediakan kelajuan simulasi lebih cepat daripada kaedah struktur; v

Ia boleh digunakan untuk analisis dan simulasi integriti isyarat papan sistem atau papan berbilang. Masalah integriti isyarat yang boleh dianalisis oleh model IBIS termasuk: salib bercakap, refleksi, oscilasi, overshoot, undershoot, impedance yang tidak sepadan, analisis garis transmisi, dan analisis topologi. IBIS adalah khususnya mampu untuk simulasi tepat dan tepat oscilasi kelajuan tinggi dan saling bercakap. Ia boleh digunakan untuk mengesan perilaku isyarat kes terburuk dalam keadaan masa naik dan beberapa situasi yang tidak dapat diselesaikan dengan ujian fizikal; v

Model boleh diperoleh dari pembuat setengah konduktor secara percuma, dan pengguna tidak perlu membayar tambahan untuk model; v

Serupa dengan julat luas platforma simulasi dalam industri, hampir semua alat analisis integriti isyarat menerima model IBIS. v

Tentu saja, IBIS tidak sempurna, ia juga mempunyai kekurangan berikut:

Banyak pembuat cip kekurangan sokongan untuk model IBIS. v

Tanpa model IBIS, alat IBIS tidak dapat berfungsi. Walaupun fail IBIS boleh dicipta secara manual atau diubah secara automatik melalui model Spice, jika parameter masa naik minimum tidak boleh dicapai dari pembuat, tiada alat penukaran boleh melakukan apa-apa.

IBIS tidak boleh mengendalikan sirkuit jenis pemacu dengan masa naik yang dikawal, terutama sirkuit yang mengandungi balas balik kompleks;

IBIS kekurangan kemampuan untuk model bunyi bom tanah. Versi 2.1 model IBIS mengandungi induktansi saling menggambarkan kombinasi pin berbeza, dari mana beberapa maklumat melompat tanah yang sangat berguna boleh dikekstrak. Alasan mengapa ia tidak berfungsi adalah kaedah pemodelan. Apabila output melompat dari aras tinggi ke aras rendah, tekanan lompat tanah besar boleh mengubah perilaku pemacu output. v

Tiga, Model Verilog-AMS dan Model VHDL-AMS

Berbanding dengan model Spice dan model IBIS, model Verilog-AMS dan VHDL-AMS muncul kemudian dan adalah bahasa model perilaku. Sebagai bahasa pemodelan tingkah laku perisian, Verilog-AMS dan VHDL-AMS adalah superset Verilog dan VHDL, berdasarkan, sementara Verilog-A adalah subset Verilog-AMS.

Dalam bahasa isyarat analog/campuran (AMS), tidak seperti model SPICE dan IBIS, dalam bahasa AMS, terserah kepada pengguna untuk menulis persamaan yang menjelaskan perilaku komponen. Sama seperti model IBIS, bahasa pemodelan AMS adalah format model independen yang boleh digunakan dalam banyak jenis alat simulasi yang berbeza. Persamaan AMS juga boleh ditulis pada banyak aras yang berbeza: aras transistor, aras unit I/O, kumpulan unit I/O, dll. Satu-satunya keperluan adalah bahawa pembuat boleh menulis persamaan yang menjelaskan hubungan input/output port.

Sebenarnya, model AMS juga boleh digunakan untuk komponen sistem bukan elektrik. Secara umum, model boleh ditulis lebih mudah untuk mempercepat simulasi. Model yang lebih terperinci sering memerlukan lebih banyak masa untuk simulasi. Dalam beberapa kes, model perilaku relatif sederhana lebih tepat daripada model Spice.

Sejak Verilog-AMS dan VHDL-AMS adalah kedua-dua piawai baru, mereka hanya telah diadopsi dalam lima tahun terakhir. Sejauh ini hanya beberapa pembuat semikonduktor boleh menyediakan model AMS. Simulator yang boleh menyokong AMS lebih baik daripada SPICE dan IBIS. Kurang. Namun, kemampuan dan ketepatan pengiraan model AMS dalam analisis integriti isyarat aras papan PCB tidak lebih rendah daripada model SPICE dan IBIS.

3. 21999

4. 12004VHDL- AMS1999

Verilog-AMS1998

Pengesahan model 4

Tidak peduli apa model dan alat simulasi yang anda pilih, kaedah yang anda gunakan mesti berkesan. Sekurang-kurangnya, ketepatan dan keseluruhan model mesti dijamin. Contohnya, model IBIS penerima mesti termasuk nilai Vinl dan Vinh, dan model IBIS pemacu mesti termasuk nilai Vmeas. Helaian data model IBIS boleh diperiksa melalui alat paparan grafik, seperti Mentor's VisualIBISEditor atau Cadence's ModelIntegrity tool.

Pada masa yang sama, model mesti boleh lulus ujian simulator. Sambungan titik ke titik mudah boleh digunakan untuk mengesahkan model, seperti mengesan sama ada ada masalah konvergensi. Perhatikan bahawa sambungan mesti mengandungi sekurang-kurangnya seksyen garis penghantaran, supaya ia boleh diperhatikan. Karakteristik penyelesaian refleksi, overshoot dan diode penyelesaian.

Pada akhirnya, model perlu diperiksa lagi melalui ujian perkakasan sebenar. Sudah tentu, keadaan kerja sebenar peranti tidak boleh sepenuhnya konsisten dengan parameter simulasi, dan data diukur yang dicapai tidak boleh sepenuhnya konsisten dengan keputusan simulasi, tetapi ciri-ciri peranti yang terrefleks sepatutnya konsisten, seperti cerun pinggir dan overshoot dalam keadaan muatan yang sama. Amplitude, bentuk lengkung isyarat, dll. sepatutnya sama.

Pilihan Model 5

Kerana tiada model bersatu untuk menyelesaikan semua analisis integriti isyarat aras papan PCB, dalam rancangan papan PCB digital kelajuan tinggi, diperlukan mencampur model yang disebut di atas untuk menetapkan model transmisi isyarat kunci dan isyarat sensitif ke arah yang paling besar.

Untuk komponen pasif diskret, anda boleh mencari model SPICE yang disediakan oleh penghasil, atau secara langsung menetapkan dan menggunakan model SPICE yang mudah melalui pengukuran percubaan, atau menggunakan alat pemodelan khusus (seperti perisian ekstraksi model medan elektromagnetik 3D dan 2D) untuk model.

Untuk sirkuit integrasi digital kunci, anda mesti mencari model yang disediakan oleh penghasil, seperti model IBIS atau Spice. Pada masa ini, kebanyakan perancang sirkuit terintegrasi dan pembuat boleh menyediakan model IBIS yang diperlukan semasa menyediakan cip melalui laman web atau kaedah lain. Model IBIS biasanya tidak disediakan. Jika perlu, ia boleh diperoleh dari penghasil.

Untuk sirkuit integrasi bukan-kritik, jika model IBIS pembuat tidak tersedia, model IBIS yang sama atau lalai juga boleh dipilih mengikut fungsi pins cip. Sudah tentu, model IBIS yang mudah juga boleh ditetapkan melalui pengukuran eksperimen.

Untuk garis penghantaran pada papan PCBboard, model garis penghantaran SPICE yang mudah boleh digunakan dalam praanalisis integriti isyarat dan analisis penyelesaian ruang, dan model garis penghantaran SPICE yang lengkap perlu digunakan dalam analisis selepas kabel menurut rancangan bentangan sebenar. Jika analisis lebih tepat diperlukan, dan pemodelan tepat garis trasmis diperlukan, alat ekstraksi model dua-dimensi atau tiga-dimensi boleh digunakan.