Создание и использование IBIS моделей

Лекция. Обзор стандарта IBIS. Создание и использование IBIS моделей.
Печатные платы являются одним из основных изделий, которые предназначены для
коммутации изделий микроэлектроники. Их совершенствование идет по различным
направлениям. С одной стороны это преимущественно технологические решения: применение
новых материалов, уменьшение проектных норм и совершенствование технологических
процессов изготовления и пайки печатных узлов. С другой стороны - стремительное повышение
быстродействия интегральных микросхем требует применение более тонких методов
проектирования, основанных на электрофизическом анализе электрических процессов,
происходящих в печатном узле, оценке его чувствительности к внешним электромагнитным
возмущениям. Круг этих задач может быть отнесен к проблеме электромагнитной совместимости
(ЭМС) и ее составной части – сохранения целостности сигнала при его обработке в печатном
узле.
ЭМС трактуется как способность технического средства работать в реальной
электромагнитной обстановке одновременно с другими техническими средствами, не создавая
помех им.
Для решения задач ЭМС применяют моделирование. Моделирование необходимо для
того, чтобы ускорить процесс проектирования печатной платы и отдельных ее узлов, а также для
выявления проблем ЭМС в процессе проектирования устройства, а не в момент тестирования
уже готовых образцов продукции.
Моделирование целостности сигнала, выполняемое на уровне печатной платы, начинается
с составления описаний электрических характеристик кристаллов микросхем, закладываемых в
модель, корпусов микросхем и печатных дорожек. Целью этого этапа является получение
обоснованных описаний компонентов схемы – описаний, достаточно точных для качественного
моделирования и при этом не настолько сложных, чтобы с ними было трудно работать. Среди
всей информации выделяют необходимые параметры. Эти параметры могут быть представлены в
виде файла описания схемы в стандарте SPICE (более подходит для моделирования БИС) или
файла спецификации стандарта IBIS.
Говоря о моделях целостности сигнала, мы имеем в виду кривую сигнала во времени, на
которой видны «звон», перекрестные помехи или дребезг земли. Такие модели могут быть
рассчитаны с помощью специализированного программного обеспечения, предназначенного для
анализа целостности сигналов, например, программа ICX компании Mentor Graphics.
Недостатки алгоритмов, используемых в программах моделирования типа SPICE.
Одним из факторов, существенно осложняющих работу SPICE, является сложность
схемы. При моделировании реальных схем в SPICE приходится иметь дело с сотнями или
тысячами узлов схемы и вольтамперных характеристик. Для обработки таких массивов данных
может потребоваться очень сложная сложная программа, но методология моделирования и в
этом случае ничем не отличается от той, которая используется для моделирования простой
двухэлементной цепи. Независимо от числа узлов схемы, программа SPICE все равно работает
методом задания начальных значений и подбора подходящего решения путем итерации.
Недостатки SPICE:
1. SPICE моделирует режим работы схемы в дискретные моменты времени. Если
временной шаг выбран слишком большим, результаты будут неверными. Если
временной шаг выбран слишком маленьким, то на расчет уйдет слишком много
времени.
Лекция. Обзор стандарта IBIS. Создание и использование IBIS моделей.
В некоторых версиях SPICE установлен пониженный предел минимально
допустимого шага. Если этот предел слишком высок для расчета
супербыстродействующей схемы, то данная версия SPICE непригодна для ее
моделирования.
3. На каждом шаге программа SPICE должна принимать решение: продолжить или
прекратить итерационный процесс. Решение принимается путем проверки
выполнения правила Кирхгофа для токов при заданной точности равенства нулю
суммы токов, втекающих в узел или вытекающих из него.
4. Может произойти так, что итерационная процедура не обеспечит сходимости. SPICE
может оказаться не в состоянии найти решение, особенно в тех случаях, когда в схеме
возникают индуктивные выбросы или имеются изломы вольт-амперных
характеристик. В таких случаях программа иногда в состоянии определить, что она
работает неверно, а иногда – нет.
5. SPICE оперирует только теми данными, которые получает от пользователя. Если
выборка параметров не учитывает всех существенных паразитных элементов схемы,
то результаты моделирования, полученные SPICE, будут неверны. Эта проблема
выявляется только при сравнении расчетных результатов с работой реальной схемы.
SPICE великолепно справляется с моделированием режимов работы интегральных схем.
Он вполне способен моделировать работу каждого транзистора в логической схеме, учитывая
даже функциональную структуру логической схемы, заложенную в кристалл. Если попытаться
построить модель всей схемы на этом уровне, учитывая все до единого транзисторы в каждой из
микросхем, установленных на большой плате, моделирование может затянуться на долгое время.
Если действительно нужно моделировать каждый транзистор, то нет иного выхода, кроме
как включить компьютер и оставить его «перемалывать» данные (иногда этот процесс занимает
недели). Но если цель состоит всего лишь в том, чтобы промоделировать «звон» и перекрестные
помехи в линиях, соединяющих интегральные схемы, то стоит подумать об использовании
технологии моделирования, изложенной в стандарте I/O Buffer Information Specification (IBIS).
Модель по этой технологии строится проще и рассчитывается быстрее, чем полная модель на
уровне отдельного транзистора. Она обеспечивает достаточно точную оценку «звона» и
перекрестных помех.
Технология IBIS реализуется на основе предварительно подготовленных таблиц вольтамперных характеристик и ряда дискретизированных сигналов, характеризующих интегральные
схемы, работающие в общей схеме. Суть метода состоит в том, что программа последовательно
проходит каждую ветвь, запуская каждый источник сигнала, рассчитывая сигналы на входах всех
приемников для положительных и отрицательных переходов входных сигналов. Затем путем
анализа полученного набора принятых сигналов выделяются значения выброса, «звона», времени
установления и перекрестных помех в каждой ветви, соответствующие наихудшему случаю.
2.
Отрывок статьи, опубликованной в журнале PC Design в апреле 1997 года.
«…Согласующие нагрузки являются ключевым инструментом решения проблем,
вызванных переходными колебательными процессами, хотя до сих пор многие разработчики
цифровой электроники не знают, как определить условия, при которых возникнет «звон», какого
типа согласование потребуется для решения проблемы и в каком месте его следует разместить.
Слишком часто приходится видеть платы, усыпанные контактными площадками под
согласующие нагрузки во всех ветвях, в расчете на то, что инженер, отлаживающий работу
схемы, протестирует вручную каждую ветвь, установит согласующие нагрузки там, где это
2
Лекция. Обзор стандарта IBIS. Создание и использование IBIS моделей.
потребуется, и скорректирует таблицу соединений. Неужели нельзя делать это проще? Неужели
нет возможности автоматизировать этот процесс? Наше спасение – в IBIS.»
Спецификация интерфейса буфера ввода-вывода, также известная как ANSI/EIA-656, была
широко принята среди производителей EDA, производителей полупроводников и специалистов
по разработке систем. Эта спецификация описывает IBIS-модели (I/O Buffer Information
Specification), которые используются для анализа целостности сигналов и перекрестных
искажений в цифровых печатных платах.
Спецификация поддерживается не только большинством производителей интегральных
схем, но и подавляющим большинством систем проектирования и моделирования. Стандарт
начал развиваться, начиная с 1993 года с версии 1.0, в данный момент используется версия 4.2,
принятая во второй половине 2004 года.
Сущность IBIS заключается в том, что в спецификации приводится описание свойств
только входных и выходных буферов, причем под буфером понимается часть схемы,
непосредственно связанная с тем или иным сигнальным выводом. Сами буферы представляют в
виде схем замещения:
Рис. 1. Стандартная модель входного буфера в IBIS моделировании.
Рис. 2. Стандартная модель выходного буфера в IBIS моделировании.
Рассмотрим рис. 1 и рис. 2. Здесь C_pkg, L_pkg и R_pkg представляют собой физические
характеристики вывода ИС – емкость «на землю», индуктивность и активное сопротивление. По
IBIS-стандарту при описании конкретной ИС можно задавать как одинаковые для всех выводов
параметры (при задании характеристик корпуса), так и индивидуально. Как правило, эти
характеристики одинаковые для всех выводов, поскольку с технологической точки зрения
наиболее удобен корпус, в котором все выводы одинаковы. Но бывают и исключения (это
обычно связано с внутренним устройством ИС).
В качестве GND_Clamp и POWER_Clamp обозначены диоды, и их назначение неочевидно.
Действительно, пока напряжение питания лежит в интервале от 0 до +Vcc, оба диода заперты и
3
Лекция. Обзор стандарта IBIS. Создание и использование IBIS моделей.
ток через них практически не течет. Но если напряжение выходит за этот интервал, то такой
режим работы, как правило аварийный, вызывает весьма существенный ток через один из
диодов. В зависимости от типа логики при напряжениях на входе ИС вне указанных пределов
переходы полевых и биполярных транзисторов могут оказываться в инверсном режиме, что
приведет к протеканию через переход достаточно большого тока. Этот ток необходимо также
учитывать. Таким образом, оказывается, что в данной модели эти диоды необходимы, хотя в
случае упрощения, а также при других типах логики они могут быть исключены. Диоды
POWER_Clamp и GND_Clamp иногда называют антизвонными, т.к. они гасят колебательные
процессы, которые возникают при высоких частотах включения.
Емкость C_comp отражает наличие инерционных свойств буферов. При этом емкость, как
правило, рассматривается на шину заземления. Однако такой подход справедлив только в том
случае, если индуктивность и сопротивление питающей шины невелики. В противном случае
емкости входа (выхода) микросхемы не могут быть объединены в одну эквивалентную,
поскольку шины питания и заземления не будут замкнуты накоротко по переменному току.
В отдельных случаях обнаруживается необходимость включения параллельно емкости
нелинейного сопротивления, которое отражает поведение входного буфера в статическом
режиме при различном напряжении на нем. Это сопротивление не входит в стандартную модель,
но может быть описано в рамках IBIS. Однако, согласно IBIS-стандарту, это не делается, чтобы
не усложнять процесс моделирования. Такое упрощение означает, что вход микросхемы нс
потребляет тока, что допустимо не для всех типов логики.
Кроме рассмотренных элементов моделей, на рис. 2 условно изображены два источника
тока, которые обозначены как Pull_down и Pull_up. Это условные обозначения нелинейных
сопротивлений, которые включаются соответственно к шинам заземления и питания. Их
сопротивления меняются при переключении выходного буфера в противоположное логическое
состояние, а в статическом режиме зависят только от напряжения на них. В режиме логической
единицы сопротивление Pull_up мало, сопротивление Pull_down велико, в состоянии логического
нуля сопротивление Pull_up велико, Pull_down — мало. Когда значение сопротивления Pull_up
или Pull_down мало, ток через него зависит от напряжения на нем и моделирует выходную ВАХ
соответственно в режимах логической единицы или логического нуля.
Выходной буфер управляется сигналом специальной формы. Это может быть трапециеидальный сигнал, ограниченный значениями 0 и 1 В. Сигнал такого вида иногда называют
нормированным. Он может быть сформирован на основании преобразования входного сигнала,
поступившего на какой-либо входной буфер. Переключение осуществляется за счет зависимости
сопротивлений Pull_up и Pull_down от уровня нормированного сигнала.
Получить IBIS модель можно двумя способами:
1) выполнив ряд тестовых измерений при соответствующих условиях;
2) выполнив полное SPICE моделирование внутренней схемы устройства.
Параметры IBIS модели получают на основе знания вольтамперной характеристики для
различных логических состояний выводов по постоянному току, паразитных параметров корпуса
и передаточных характеристик на идеальной резистивной нагрузке.
Если отсутствует IBIS модель устройства, то, следовательно, отсутствует и точная SPICE
модель, а это значит, что математическое моделирование невозможно. В этом случае, приходится
строить IBIS модель на основании физических измерений, что обуславливает наличие
погрешностей. Проведение на практике физических измерений очень сложное занятие, потому
что связано с такими явлениями, как учет паразитных эффектов, конфигурирование микросхемы
для получения правильных состояний на выводах, точное определение высокоскоростных
4
Лекция. Обзор стандарта IBIS. Создание и использование IBIS моделей.
передаточных характеристик и данных, изменяющихся в процессе ее функционирования.
Приведем порядок действий при создании IBIS модели, используя физические измерения:
1) Определение типов выводов
2) Установка выводов в нужное состояние
3) Конфигурирование тестируемой ИМС
4) Измерение вольтамперных характеристик
5) Проведение измерений на переменном токе
6) Определение паразитных параметров выводов
7) Построение модели
Самой сложной задачей по окончании физических измерений является получение
скорректированной вольтамперной характеристики, необходимой для формирования IBIS
модели.
Достоинства IBIS.
Технология IBIS позволяет создать функциональное описание передатчика или
приемника, не раскрывая подробностей о его внутреннем устройстве, т.е. производители могут с
помощью IBIS модели конкретно показать достоинства новых конструкций, не раскрывая
фирменных секретов конкурентам.
В заключение необходимо подчеркнуть, что IBIS является международным стандартом
описания электрических характеристик интегральных передатчиков и приемников, что стандарт
IBIS определяет, как вносить разнообразные параметры интегрального передатчика или
приемника в стандартный файл данных IBIS, но не определяет, что с ними делать дальше.
Более полную информацию по стандарту можно получить в интернете на официальной
странице по адресу - http://www.eigroup.org/ibis/
Список использованной литературы:
1. Проектирование печатных плат с учетом требований электромагнитной
совместимости, Кечиев Л.Н.
2. Высокоскоростная передача цифровых данных. Высший курс черной магии, Говард
Джонсон, Мартин Грэхем, Издательский дом «Вильямс», 2005 год.
3. «Моделирование помех в шинах питания цифровых устройств на основе IBISописания интегральных схем»,
Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. журнал «Технологии
ЭМС», 1(16) 2006 г.
4. «Основные вопросы и проблемы развития IBIS моделей», Терехов Ю.А., сборник
научных трудов «Электромагнитная совместимость, проектирование и технология
электронных средств», Москва, 2004 г.
5. «IBIS Modeling Cookbook», prepared by the IBIS Open Forum, approved September 15,
2005, http://www.eigroup.org/ibis/
5
Пример файла IBIS, с помощью которого можно промоделировать RC цепь.
[IBIS Ver]
[File Name]
[File Rev]
[Date]
[Source]
[Notes]
3.2
rcpath-test.ibs
1.0
8/22/2003
From silicon level SPICE model.
The following information is for illustration purposes only and
does not conform to any known device.
[Disclaimer] See above.
[Copyright] Copyright (C) 2005 The IBIS Open Forum
|**************************************************************************
[Component]
Example_RCSeries
[Manufacturer] None
[Package]
|
typ
min
max
R_pkg
0.0Ohm 0.0Ohm 0.0Ohm
L_pkg
0.00H
0.00H
0.00H
C_pkg
0.00F
0.00F
0.00F
|
|**************************************************************************
[Pin]
signal_name model_name
R_pin
L_pin
C_pin
1
RC_test
Groundclamp
2
RC_test
Groundclamp
|
|***************************************************************************
[Series Pin Mapping] pin_2
model_name
function_table_group
1
2
RCpath
|
|***************************************************************************
[Model]
Groundclamp
Model_type
Input
Polarity
Non-Inverting
Vinh = 2.0
Vinl = 0.8
|
|
typ
min
max
C_comp
7.0pF
5.0pF
9.0pF
|
|
typ
min
max
[Voltage Range] 5.0V
4.5V
5.5V
|
[GND Clamp]
|
| Voltage
I(typ)
I(min)
I(max)
|
1.50000000E+0
-10.85428894E-3
-10.25383174E-3
-11.60286367E-3
1.45000005E+0
-10.75974107E-3
-10.19728184E-3
-11.48986816E-3
1.39999998E+0
-10.66339016E-3
-10.14894247E-3
-11.37721539E-3
|
2.79999995E+0
34.59529579E-3
37.59065270E-3
31.39221668E-3
2.84999990E+0
34.65744853E-3
37.69817948E-3
31.43185377E-3
2.90000010E+0
34.71648693E-3
37.79786825E-3
31.47053719E-3
|
|***************************************************************************
[Model]
RCpath
Model_type
Series
Polarity
Non-Inverting
Enable
Active-High
|
|
typ
min
max
C_comp
0.0pF
0.0pF
0.0pF
|
|
typ
min
max
[Voltage Range] 5.0V
4.5V
5.5V
|
|***************************************************************************
|
R(typ) R(min) R(max)
[Rc Series]
4ohm
NA
NA
|
|
C(typ) C(min) C(max)
[C Series]
50pF
NA
NA
|
6
Пример файла IBIS, с помощью которого можно промоделировать RC цепь.
[End]
7