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關于信號仿真基礎體系的一本書

這段時間看了本書《手把手教你學高速電路信號仿真》:

這本書包含以下幾個部分:

  • 仿真常用的模型(IBIS模型&S參數模型)
  • 傳輸線基本理論與信號完整性分析
  • 信道的抖動與均衡
  • 通道的仿真
  • PCB的材料研究

這本書里關于IBIS模型的基礎知識,講的還是很全面的,適合了解和學習一下。

IBIS(Input/Output Buffer Information Specification)模型是一種用于描述數字集成電路輸入/輸出(I/O)緩沖器電氣特性的行為級模型。

常見IBIS 結構分為以下4個部分:

基本信息

作用:提供模型的基礎描述和元數據。包含內容:

  • 廠商、部件號、版本號等標識信息
  • 文件創建日期、備注等輔助信息
  • 引腳與模型名稱的映射關系(Pin部分)
  • 支持的電路類型(如CMOS、LVDS等)

模型選擇器

作用:定義不同工作模式下的行為模型(如輸入、輸出、三態等)。關鍵部分:

  • [Model] 部分:為每個引腳或緩沖器類型定義電氣行為。
  • 常見模型類型:Input:純輸入緩沖器Output:驅動型輸出緩沖器I/O:雙向緩沖器Open_drain:開漏輸出Terminator:終端電阻模型

電氣特性

作用:描述緩沖器的靜態和動態電氣參數。核心數據:

  • [Pull-up] / [Pull-down]:上拉/下拉IV曲線(電壓-電流關系)
  • [Ramp]:信號跳變斜率(dV/dt,反映開關速度)
  • [V/I] 或 [V/T] 曲線
  • 驅動器的輸出阻抗特性(如[Voltage Range]和[GND Clamp])
  • 動態特性(如上升/下降時間)
  • [C_comp]:芯片封裝寄生電容

封裝與寄生參數

作用:定義封裝引起的寄生效應。關鍵參數:

  • [Package]:引腳寄生電阻(R_pkg)、電感(L_pkg)、電容(C_pkg)
  • [Pin] 部分:指定每個引腳對應的模型和封裝參數,可能包含溫度/工藝角數據(如[Temperature Range])

本書關于IBIS模型部分,重點關注了電氣特性與寄生參數,也將其劃分為4個部分:

1、推挽式(Push-Pull)電路,兩個MOS FET組成,可產生高電平(上管導通下管截止),低電平(上管截止下管導通)、高阻態(上下管都截止)3種工作狀態。

2、鉗位電路,上二極管鉗位電壓VCC,下二極管鉗位電壓Gnd 。

對于推挽電路與二極管的電氣特性,可以用V/I曲線來表示:

外部電源從-Vcc+Vcc變化,電流是從MOS FET流向外部電源,即電流值為負值;

外部電源從+Vcc+2Vcc變化,電流開始從外部電源流向MOS FET,即電流值為正值。

IBIS規范定義電流流進緩沖器的方向為正,下圖為實際IBIS 模型Pull Up的電流波形,和上述的理論推導不符合。

這是因為測試點電壓和IBIS文件的電壓數據是不一樣的,寫進IBIS文件的電壓為Vtable,是指上管的電壓降,Pull Up狀態下,就是外部電源和測試點電壓的差值。

Pull Up曲線的獲取是測試點各個電壓值對應的電流,和IBIS文件的電壓對應的電流曲線對應關系,如下圖:

Pull Down 和 Pull Up是不同的,Pull Down 測試點電壓和IBIS文件的電壓是一樣的,電流的波形也是一樣的,不存在所謂的對應關系。

3、模型輸入輸出電容C_Comp,影響狀態轉換時間

對于推挽電路在電平動態翻轉的特性,用V/t曲線來表示。這個過程可以分為上管和下管兩個部分:

上管部分

上管打開,電容的兩端的電壓不能突變,上管導通,給C_Comp充電,直至穩定,這個過程產生上升沿。

上管關閉,電容的兩端的電壓不能突變,上管截止, C_Comp反向充電,直至穩定,這個過程產生下降沿。

下管部分

下管打開,C_Comp給導通的下管放電,直至穩定,這個過程產生下降沿。

下管關閉,50ohm 導通電壓給C_Comp充電,直至穩定,這時候產生上升沿。

4、封裝參數,由R(寄生電阻)、L(寄生電感)、C(寄生電容)參數組成,影響輸出波形的上升沿和下降沿的速率。

關于封裝參數,有兩種選擇,一種是默認的參數:

還有一種是對應引腳的特定參數:

至于IBIS模型在仿真中的應用,本書只是列舉了Hspice的應用,至于其他的沒有過多展開,但是系統了解其基本結構還是很有必要。

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