1、第17章 IBIS模型原理和功能何賓2013.112Copyright 2009 Altium Limited學習內容和目標pIBIS模型定義pIBIS發展歷史pIBIS模型生成pIBIS模型所需數據pIBIS文件格式pIBIS模型驗證3Copyright 2009 Altium Limited學習內容和目標 在制作在制作PCBPCB板之前，通過使用模型，設計者可以對所設計的板之前，通過使用模型，設計者可以對所設計的PCBPCB板進行仿真板進行仿真。 在高速系統設計中，通過信號完整性仿真，分析不同條件下傳輸線中的電路在高速系統設計中，通過信號完整性仿真，分析不同條件下傳輸線中的電路行為。行為。

2、 這樣，在設計初期就能預防并檢測出信號完整的問題，比如：過沖、欠沖、這樣，在設計初期就能預防并檢測出信號完整的問題，比如：過沖、欠沖、阻抗不匹配等。阻抗不匹配等。 通過本章內容的學習，為在通過本章內容的學習，為在Altium Designer13.0Altium Designer13.0上實現電子線路板板級仿真上實現電子線路板板級仿真奠定基礎。奠定基礎。4Copyright 2009 Altium LimitedIBIS模型定義 BISBIS是一個行為模型，通過是一個行為模型，通過V/IV/I和和V/TV/T數據，描述器件數字輸入和輸出的電氣數據，描述器件數字輸入和輸出的電氣特性，而不會泄露任

3、何元器件專有的信息。特性，而不會泄露任何元器件專有的信息。 IBISIBIS模型與系統設計人員對傳統模型的理解不同，比如：其它模型中使用原模型與系統設計人員對傳統模型的理解不同，比如：其它模型中使用原理圖符號或多項式表達式。理圖符號或多項式表達式。 IBISIBIS模型包括：模型包括：（1 1）輸出和輸入引腳中的電流和電壓值的關系。）輸出和輸入引腳中的電流和電壓值的關系。（2 2）在上升或下降的轉換條件下，輸出引腳的電壓與時間關系。）在上升或下降的轉換條件下，輸出引腳的電壓與時間關系。 這些數據代表了器件的行為。這些數據代表了器件的行為。 IBISIBIS模型用于對系統板上的信號完整性進行分析

4、。通過模型用于對系統板上的信號完整性進行分析。通過IBISIBIS模型，系統設計模型，系統設計人員能夠仿真并預見連接不同器件的傳輸線路中基本的信號完整性問題人員能夠仿真并預見連接不同器件的傳輸線路中基本的信號完整性問題。5Copyright 2009 Altium LimitedIBIS模型定義 IBISIBIS是一種精確的模型，這是因為模型考慮了是一種精確的模型，這是因為模型考慮了I/OI/O結構的非線性，結構的非線性，ESDESD結構和結構和封裝寄生效應。封裝寄生效應。 相對于其它傳統模型（例如：相對于其它傳統模型（例如：SPICESPICE）來時，）來時，IBISIBIS模型有以下優勢：

5、模型有以下優勢：（1 1）仿真時間最多可縮短仿真時間最多可縮短2525倍。倍。 （2 2）IBISIBIS沒有沒有SPICESPICE不收斂的問題。不收斂的問題。 （3 3）IBISIBIS可以在任何行業平臺運行。可以在任何行業平臺運行。6Copyright 2009 Altium Limited IBIS發展歷史 IBISIBIS模型由模型由IntelIntel公司在上世紀公司在上世紀9090年代初開發。年代初開發。IBIS 1.0IBIS 1.0版本于版本于19931993年年6 6月發月發布，布，IBISIBIS開放式論壇也在那時成立。開放式論壇也在那時成立。 IBISIBIS開放式論壇

6、包括開放式論壇包括EDAEDA廠商、計算機制造商、半導體廠商、大學和終端用戶廠商、計算機制造商、半導體廠商、大學和終端用戶 它負責提議進行更新和評審、修訂標準，組織會議。它促進它負責提議進行更新和評審、修訂標準，組織會議。它促進IBISIBIS模型的發展模型的發展，在，在IBISIBIS網站上提供有用的文檔和工具。網站上提供有用的文檔和工具。 19951995年，年，IBISIBIS開放式論壇與電子工業聯盟（開放式論壇與電子工業聯盟（EIAEIA）開始進行合作。）開始進行合作。 目前，已經發布了幾個目前，已經發布了幾個IBISIBIS版本。第一個版本描述了版本。第一個版本描述了CMOSCMOS

7、電路和電路和TTL I/OTTL I/O緩沖緩沖器。器。 每個版本都增加并支持新的功能、技術和器件種類。所有版本都互相兼容。每個版本都增加并支持新的功能、技術和器件種類。所有版本都互相兼容。 IBIS 4.0IBIS 4.0版本由版本由IBISIBIS開放式論壇在開放式論壇在20022002年年7 7月批準，但它還不是月批準，但它還不是ANSI/EIAANSI/EIA標準標準。7Copyright 2009 Altium LimitedIBIS模型生成 可以通過仿真過程中或基準測量中收集的數據來獲得可以通過仿真過程中或基準測量中收集的數據來獲得IBISIBIS模型。模型。 如果選擇前一種方法，

8、可以在使用如果選擇前一種方法，可以在使用SPICESPICE進行仿真時，收集每個輸出進行仿真時，收集每個輸出/ /輸出緩輸出緩沖器的沖器的V/IV/I和和V/TV/T數據。數據。 這樣，可以在模型中包含過程轉折數據。然后，使用這樣，可以在模型中包含過程轉折數據。然后，使用IBISIBIS網站上的網站上的SPICESPICE至至IBISIBIS轉換程序，由轉換程序，由SPICESPICE模型生成模型生成IBISIBIS模型。模型。 可以在三種不同條件下生成模型：典型、最小和最大。其中：可以在三種不同條件下生成模型：典型、最小和最大。其中：l 在典型模型中，使用標稱電源電壓、溫度和工藝參數獲取數據

9、。在典型模型中，使用標稱電源電壓、溫度和工藝參數獲取數據。l 在最小模型中，使用最低電源電壓、較高溫度和較弱工藝參數獲取數據。在最小模型中，使用最低電源電壓、較高溫度和較弱工藝參數獲取數據。l 對于最大模型，條件是最高電源電壓、較低溫度和較強的工藝參數。對于最大模型，條件是最高電源電壓、較低溫度和較強的工藝參數。IBIS模型生成 每種條件會產生相應的典型、慢速和快速模型。即：每種條件會產生相應的典型、慢速和快速模型。即： （1 1）具有快速轉換時間和最小封裝特性的最高電流值條件下生成快速模型具有快速轉換時間和最小封裝特性的最高電流值條件下生成快速模型 （2 2）具有較慢轉換時間和最大封裝值的最

10、低電流值條件將生成慢速模型。具有較慢轉換時間和最大封裝值的最低電流值條件將生成慢速模型。 如果數據是在實驗室測量中獲得的，那么模型取決于器件的特性。如果是標如果數據是在實驗室測量中獲得的，那么模型取決于器件的特性。如果是標稱器件，將獲得典型模型。稱器件，將獲得典型模型。 收集完數據后，將其以可讀的收集完數據后，將其以可讀的ASCIIASCII文本格式存入文件中。文本格式存入文件中。Golden ParserGolden Parser，也稱為也稱為ibischk3ibischk3，用于根據標準檢查，用于根據標準檢查IBISIBIS文件的句法和結構。文件的句法和結構。IBIS模型所需數據 IBIS

11、IBIS規范支持幾種輸入和輸出，例如：可建模為三態、集電極開路、開漏規范支持幾種輸入和輸出，例如：可建模為三態、集電極開路、開漏、I/OI/O和和ECLECL的輸入的輸入/ /輸出。輸出。 第一步是識別器件上不同類型的輸入和輸出，確定設計中存在多少緩沖器。第一步是識別器件上不同類型的輸入和輸出，確定設計中存在多少緩沖器。值得注意的是在值得注意的是在IBISIBIS文件中一個模型可用于表示多個輸入或輸出。文件中一個模型可用于表示多個輸入或輸出。 然而，如果然而，如果C_CompC_Comp和封裝參數不同，就需要不同的模型和封裝參數不同，就需要不同的模型。n 輸出模型輸出模型所圖所示，為輸出結構。

12、所圖所示，為輸出結構。該模型可看作一個驅動器。它包含：該模型可看作一個驅動器。它包含：一個一個PMOSPMOS晶體管和一個晶體管和一個NMOSNMOS晶體管。晶體管。兩個兩個ESDESD保護二極管保護二極管，芯片電容和封裝寄生電容。芯片電容和封裝寄生電容。三態輸出緩沖器ESD結構封裝參數開關特性IBIS模型所需數據通過直流電氣數據、交流或轉換數據以及參數輸出模型，對該模型進行描通過直流電氣數據、交流或轉換數據以及參數輸出模型，對該模型進行描述述1 1上拉和下拉曲線上拉和下拉曲線 上拉和下拉數據決定器件的驅動強度。上拉和下拉數據決定器件的驅動強度。如如右右圖所示，這些曲線通過特征化輸出中圖所示，

13、這些曲線通過特征化輸出中的兩個晶體管來獲得。的兩個晶體管來獲得。如如下下圖所示，上拉數據描述當輸出為邏輯高圖所示，上拉數據描述當輸出為邏輯高電平狀態，即：電平狀態，即：PMOSPMOS晶體管導通時的晶體管導通時的I/VI/V行為。行為。輸出中的PMOS和NMOS晶體管 上拉曲線測量IBIS模型所需數據 如圖所示，下拉數據表示當輸出為邏輯低電平狀態，即：如圖所示，下拉數據表示當輸出為邏輯低電平狀態，即：NMOSNMOS晶體管導通時晶體管導通時的直流電氣特性。的直流電氣特性。 在在VCCVCC至至2 2VCCVCC的范圍內，獲得所需要的數據。的范圍內，獲得所需要的數據。 雖然這個電壓范圍超過了半導

14、體廠商在器件手冊中指出的絕對最大額定值，雖然這個電壓范圍超過了半導體廠商在器件手冊中指出的絕對最大額定值，但是這個范圍覆蓋了傳輸線中可能發生的欠沖、過沖和反射的情況。但是這個范圍覆蓋了傳輸線中可能發生的欠沖、過沖和反射的情況。 因此，驅動器和接收器需要使用這個電壓范圍建模。因此，驅動器和接收器需要使用這個電壓范圍建模。下拉曲線測量IBIS模型所需數據 注：下拉數據是相對于注：下拉數據是相對于GNDGND的，而上拉數據是相對于的，而上拉數據是相對于VCCVCC的。由于輸出電流的。由于輸出電流取決于輸出端和取決于輸出端和VCCVCC引腳之間的電壓，而不是輸出端和接地引腳之間的電壓。引腳之間的電壓，

15、而不是輸出端和接地引腳之間的電壓。所以，所以，IBISIBIS文件中的上拉數據應按照下面的表達式輸入：文件中的上拉數據應按照下面的表達式輸入： VTABLE = Vcc VVTABLE = Vcc VOUT OUT 2 2電源和電源和GNDGND箝位曲線箝位曲線這些曲線是在輸出為高阻態時生成的。這些曲線是在輸出為高阻態時生成的。如如右右圖所示，圖所示，GNDGND和電源箝位數和電源箝位數據據表示輸出端在表示輸出端在GNDGND箝位和電源箝位二極管分箝位和電源箝位二極管分別導通時的電氣性能。別導通時的電氣性能。當輸出低于接地電平時，當輸出低于接地電平時，GNDGND箝位有效；當輸出高于箝位有效；

16、當輸出高于VDDVDD時，電源箝位有效時，電源箝位有效。 GND和電源箝位二極管IBIS模型所需數據如如下下圖所示，對于圖所示，對于GNDGND箝箝位曲線，在位曲線，在VCCVCC至至2 2 VCC VCC范圍內，獲取數據。范圍內，獲取數據。如如下下圖所示，對于電源圖所示，對于電源箝箝位曲線，在位曲線，在VCCVCC至至2 2 VCC VCC范圍內，獲取數據。由于是范圍內，獲取數據。由于是上拉數據，電源箝位數據需要相對于上拉數據，電源箝位數據需要相對于VCCVCC。因此，使用與上面相同的表達式。因此，使用與上面相同的表達式來輸入文件的值。來輸入文件的值。地鉗位曲線測量 電源箝位曲線測量IBIS

17、模型所需數據3 3斜坡速率和切換波形斜坡速率和切換波形 斜坡速率，即：斜坡速率，即：dV/dtdV/dt，描述樂輸出端從當前邏輯狀態切換到其它邏輯狀態的，描述樂輸出端從當前邏輯狀態切換到其它邏輯狀態的轉換時間默認在轉換時間默認在5050歐姆阻性負載條件下，在歐姆阻性負載條件下，在20%20%和和80%80%點測得斜率。點測得斜率。 下降和上升波形給出器件在驅動連接到地和下降和上升波形給出器件在驅動連接到地和VDDVDD的阻性負載從高電平到低電平的阻性負載從高電平到低電平和從低電平到高電平所需的時間。和從低電平到高電平所需的時間。4 4C_CompC_Comp 這是硅芯片電容，不包括封裝電容。它

18、是焊盤與驅動器之間的電容。這是硅芯片電容，不包括封裝電容。它是焊盤與驅動器之間的電容。 C_CompC_Comp是關鍵參數，特別是對于接收器的輸入。是關鍵參數，特別是對于接收器的輸入。C_CompC_Comp對于每個不同轉折點對于每個不同轉折點( (最小、典型和最大最小、典型和最大) )都有一個對應值。都有一個對應值。 C_CompC_Comp最大的值應在最大轉折點之下，最小值應在最小轉折點之下。最大的值應在最大轉折點之下，最小值應在最小轉折點之下。IBIS模型所需數據5 5封裝參數封裝參數 R_PinR_Pin、L_PinL_Pin和和C_PinC_Pin是每個引腳到緩沖器連接的電阻、電感和

19、電容的電氣是每個引腳到緩沖器連接的電阻、電感和電容的電氣特性。特性。 R_PkgR_Pkg、L_PkgL_Pkg和和C_PkgC_Pkg是整個封裝的集總值。與是整個封裝的集總值。與C_CompC_Comp參數一樣，最大的值參數一樣，最大的值以最大值列出，最小的值以最小值列出。以最大值列出，最小的值以最小值列出。n 輸入模型輸入模型如圖所示，為輸入結構。如圖所示，為輸入結構。其模型可視為接收器。它包括：其模型可視為接收器。它包括：兩個兩個ESDESD保護二極管。芯片電容。保護二極管。芯片電容。封裝寄生電容。封裝寄生電容。IBIS模型所需數據n 其它參數其它參數對于輸出模型，有一些參數應包含在文件

20、中，對時序要求進行后端仿真。對于輸出模型，有一些參數應包含在文件中，對時序要求進行后端仿真。這些時序測試用于測試：這些時序測試用于測試：1. 1. 負載和測量點是測試負載電容值（負載和測量點是測試負載電容值（CREFCREF）。）。2. 2. 測試負載電阻值（測試負載電阻值（RREFRREF）。）。3. 3. 測試負載上拉或下拉參考電壓（測試負載上拉或下拉參考電壓（VREFVREF）。）。4. 4. 輸出電壓測量點（輸出電壓測量點（VMEASVMEAS）。）。 當指定傳播延遲和當指定傳播延遲和/ /或器件輸出切換時間時，他們與半導體廠商使用的測試或器件輸出切換時間時，他們與半導體廠商使用的測試

21、負載相同。負載相同。IBIS模型所需數據 對于輸入，應包括對于輸入，應包括VINLVINL和和VINHVINH參數。如參數。如下下圖所示，這些是輸入端的輸入圖所示，這些是輸入端的輸入電壓閾值，可從數據手冊中得到這些值。電壓閾值，可從數據手冊中得到這些值。 CREF、RREF 和 VREF的連接IBIS文件格式IBISIBIS文件文件不是可執行文件不是可執行文件，它是收集所有描述器件電器性能數據的文件。，它是收集所有描述器件電器性能數據的文件。可以在仿真器中使用可以在仿真器中使用IBISIBIS。IBISIBIS文件包括三個主要部分：文件包括三個主要部分：1. 1. 頭文件或關于文件、器件和公司

22、的一般信息。頭文件或關于文件、器件和公司的一般信息。2. 2. 器件名稱、引腳排列和引腳到緩沖器映射。器件名稱、引腳排列和引腳到緩沖器映射。3. 3. 每個模型的每個模型的I/VI/V和和V/TV/T數據。數據。IBISIBIS模型可包含多個器件的特征。在這種情況下，第模型可包含多個器件的特征。在這種情況下，第2 2和第和第3 3點隨包含的器點隨包含的器件而重復多次。件而重復多次。 以下部分顯示了以下部分顯示了IBISIBIS文件的主要部分。括號內的文字被稱為關鍵字；它們文件的主要部分。括號內的文字被稱為關鍵字；它們中的一些是可選的，其它的必須被包括。中的一些是可選的，其它的必須被包括。IBI

23、S文件格式下下圖給出了圖給出了IBISIBIS的文件頭部和一般信息。的文件頭部和一般信息。IBIS的文件頭部和一般信息關鍵字IBIS文件格式下下圖給出了圖給出了IBISIBIS的器件及引腳信息。的器件及引腳信息。 IBIS的器件及引腳信息指定的引腳模型封裝參數IBIS文件格式圖圖（1 1）（4 4）給出了給出了IBISIBIS器件模型數據器件模型數據。 IBIS器件模型數據（1）對模型的描述時序測試負載和芯片電容IBIS器件模型數據（2）I/V下拉數據IBIS器件模型數據（3）切換波形 IBIS器件模型數據（4）斜坡速率IBIS模型驗證 一旦生成了一旦生成了IBISIBIS文件，就必須對這個文件所包含的文件，