PCB設(shè)計：仿真分析為什么需要IBIS模型

對于很多初學(xué)PCB設(shè)計的人員來說，高速信號是神秘的，設(shè)計人員可能更多關(guān)注的是怎么布局，怎么調(diào)整布線拓?fù)洌趺窗研盘栕咄?，對信?a target="_blank">仿真模型更是了解的不多。而對于初學(xué)仿真的小伙伴們，則可能從學(xué)習(xí)傳輸線開始，需要了解高速信號是怎么傳輸?shù)?，要學(xué)習(xí)反射，串?dāng)_，端接，匹配，損耗……然而，當(dāng)我們真正準(zhǔn)備仿真一個DDR信號質(zhì)量時，卻是從學(xué)會調(diào)用IBIS模型開始的。

我們在接到仿真項目時，總是免不了要向客戶索要芯片模型。俗話說：巧婦難為無米之炊。沒有米，是不可能做出香噴噴的米飯的，沒有準(zhǔn)確的芯片模型，我們的仿真就無法進(jìn)行。 在仿真分析中，最常見的模型就是IBIS模型了。小編這篇文章不是要介紹怎么去使用IBIS，也不是要去闡述 IBIS是怎么得來的，只是先讓初學(xué)者對IBIS有一個感性的認(rèn)識。

進(jìn)入正題。我們知道IBIS模型是行為級模型，它描述了芯片的輸入輸出狀態(tài)，它不同于Spice模型，不會泄露芯片內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)。

首先，讓我們來思考一下仿真分析為什么需要IBIS模型。

從根源說起。在數(shù)字電路中，芯片與芯片之間傳輸?shù)氖?a target="_blank">數(shù)字信號，數(shù)字信號是0、1這樣的脈沖信號。完美的數(shù)字信號應(yīng)該是圖一這樣的，它的上升時間和下降時間幾乎為零

圖一

但實(shí)際傳輸?shù)男盘?，可能是圖二這樣的，或者是圖三這樣的

圖 二 圖 三

我們可以看到，上圖這些信號都是幅值為5V的脈沖，頻率為100M，但是它們的特點(diǎn)不一樣。圖二波形的上升沿很陡峭，圖三波形的上升沿卻很平緩。

實(shí)際應(yīng)用中，我們使用的芯片也是這樣，不同芯片輸出的波形也不一樣。它們不僅周期頻率不同，上升時間、幅值也會不同。

先來了解一下芯片的構(gòu)造。看來做為一名SI工程師，需要學(xué)習(xí)和掌握的東西還真不少。不光是關(guān)注傳輸線外部互連，還需要學(xué)習(xí)很多芯片知識。

我們姑且認(rèn)為IC芯片由三部分組成： Core、Buffer和封裝。Core是芯片內(nèi)部的核心邏輯電路，工作電壓較低，驅(qū)動能力也低。Buffer是終端接口電路，電源電壓一般較高，驅(qū)動能力較強(qiáng)，是core和其他IC之間的連接橋梁，封裝則是連接Buffer和外部器件的金線和管腳。芯片核心與核心之間的通信就是通過buffer、封裝和傳輸線來完成的。Buffer和封裝是外圍電路能“看見”的部分。就是說芯片內(nèi)的指令是由core來發(fā)出的，至于指令是以什么形式，以多高的電壓來表現(xiàn)，這就要看 Buffer來發(fā)揮作用了。

說到Buffer，那么Buffer究竟是什么呢？就像傳輸線可以用分布模型RLGC來定義，Buffer也可以用一些等效電路來描述。IBIS里面的Buffer有Input Buffer，Output Buffer，Input/Output Buffer等類型。

下圖就是Buffer和封裝的等效電路，圖四是Output buffer，圖五是Input Buffer。這里要強(qiáng)調(diào)一下，下圖是包含了Buffer和封裝的，圖四右邊部分是封裝等效電路。圖五左邊部分是封裝等效電路。我們需要明白的是IBIS模型是考慮了封裝的影響的。小編的模電學(xué)的不是很好，不想去詳細(xì)分析這些器件是怎么工作的。

圖四 圖五

那么仿真時調(diào)用不同的IBIS模型有什么區(qū)別呢？我們調(diào)用實(shí)際的IBIS模型來仿真一下，看看仿真時調(diào)用不同的IBIS模型之間到底有什么區(qū)別。

首先來挑選幾個不同的IBIS模型，加載一個上升沿，輸出的結(jié)果如圖六：

圖六

上圖這些上升沿的上升邊陡峭程度不一樣，對應(yīng)的幅值也不一樣?？梢姡{(diào)用不同的模型，同樣是一個上升沿，會有這么多的表現(xiàn)形式。

我們再來看看接收端模型對信號有什么影響。驅(qū)動端加載一個上升沿，輸入到輸出之間的線很短，可以忽略傳輸線對信號的影響。終端調(diào)用了不同的Input模型，結(jié)果如下圖七。

圖七

仿真時，驅(qū)動端加載的是5V上升沿信號。接收端接收的電壓有5V，3.3V。同樣的輸入，但是在終端接收的電壓不一樣。對于供電電壓是3.3V的接收端器件，就算驅(qū)動電壓是5V，它也會在保護(hù)二極管的作用下，最終電壓被拉回到3.3V。而對于供電電壓本來就是5V的器件，調(diào)用不同的Input buffer模型對信號波形的影響是比較小的。這里我們就明白了，為什么在仿真中，如果我們不能準(zhǔn)確找到接收芯片模型，可以用類似的模型去替代。

通過仿真我們了解到，Buffer本身并不能產(chǎn)生信號波形，它本身是個被動器件，只是起驅(qū)動的作用。我們在仿真的時候自己會定義各種碼型，碼型只是定義一種邏輯關(guān)系而已，至于這種邏輯關(guān)系是以什么形式表現(xiàn)出來，就要看芯片的Buffer了。在仿真中，我們想要知道主控芯片輸出的波形長什么樣，那就要借助我們的IBIS模型了。

編輯：hfy