IBIS建?！?部分：為何IBIS建模對設(shè)計成功至關(guān)重要

什么是IBIS模型?

IBIS表示輸入/輸出緩沖器信息規(guī)格，它代表了IC供應(yīng)商提供給客戶進行高速設(shè)計仿真的器件的數(shù)字引腳的特性或行為。這些模型使用IBIS開放論壇——負責管理和更新IBIS模型規(guī)范與標準的行業(yè)組織——所規(guī)定的參數(shù)模仿器件的I/O行為。IBIS模型使用ASCII文本文件格式，提供表格化的電壓-電流和電壓-時間信息。它們不包含專有數(shù)據(jù)，因為模型中沒有披露IC原理圖設(shè)計信息，如晶體管尺寸、緩沖器原理圖設(shè)計中使用的器件模型參數(shù)和電路等。此外，IBIS模型獲得了大部分EDA供應(yīng)商的支持，可以在大多數(shù)行業(yè)級平臺中運行。

為何使用IBIS模型?

想象一款I(lǐng)C通過了測試。然后，使用該IC設(shè)計電路板，并且立即獲批進行制造。電路板制造出來后，發(fā)現(xiàn)其性能不達標，原因是一些信號完整性問題，其導致了串擾、信號過沖/欠沖或不匹配阻抗引起的反射。您認為接下來會發(fā)生什么?當然，電路板必須重新設(shè)計和制造。此時，增加了時間和成本。所有這一切都是因為有一個重要階段沒有進行：預仿真。在此階段中，系統(tǒng)設(shè)計人員使用仿真模型驗證設(shè)計的信號完整性，然后才會設(shè)計電路板。SPICE和IBIS等仿真模型現(xiàn)已廣泛開發(fā)用于仿真當中，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員在預仿真階段預見到信號完整性問題，從而在制造之前予以解決。此階段有助于減少測試期間電路板失敗的可能。

歷史

20世紀90年代，隨著個人計算機日漸流行，Intel®開始為其工作頻率約為33 MHz的低功耗ASIC開發(fā)一種新的I/O總線。為此需要確保信號完整性沒有受到損害，IBIS因此而誕生。Donald Telian所領(lǐng)導的團隊提出了一個想法：為I/O緩沖器創(chuàng)建一個信息表，并使用此信息測試Intel的電路板。很快，Intel與其客戶共享這些信息表以幫助后者進行電路板設(shè)計，但不提供任何專有信息。為了能夠可靠地將紙張形式的表格中的信息傳送到客戶的仿真器，Intel決定與EDA供應(yīng)商和其他計算機制造商合作。他們創(chuàng)建了IBIS開放論壇，以幫助標準化計算機可讀格式的緩沖器信息。IBIS最初稱為Intel緩沖器信息表，后來更改為I/O緩沖器信息規(guī)范。IBIS 1.0版于1993年發(fā)布。從那時起，IBIS開放論壇持續(xù)推廣IBIS，提供工具和文檔，并改進標準以增加專業(yè)領(lǐng)域的能力。2019年，IBIS 7.0版被批準。這表明，IBIS在不斷發(fā)展以滿足新技術(shù)要求。

如何生成IBIS模型?

IBIS模型一般模擬器件的接收器和驅(qū)動緩沖器行為，而不透露專有工藝信息。為此需要提取標準IBIS緩沖器元件的行為，并通過表格形式的V-I和V-t數(shù)據(jù)來表示它。

為了生成IBIS模型，數(shù)據(jù)收集通常是開發(fā)過程中的第一步。圖1顯示了生成IBIS模型的三個主要階段。

圖1.IBIS模型生成過程

數(shù)據(jù)收集

收集IBIS模型的數(shù)據(jù)有兩種方法：

? 仿真方法

n 該方法需要獲取器件的設(shè)計原理圖、數(shù)據(jù)手冊和集總RLC封裝寄生效應(yīng)。

? 基準測量方法

n 該方法需要實際的器件和/或評估板、數(shù)據(jù)手冊以及集總RLC封裝寄生效應(yīng)。

圖2是IBIS模型所描述的四個主要元素/組成部分的圖示。

圖2.IBIS模型關(guān)鍵詞圖示

連接到引腳的兩個二極管負責在輸入超過工作范圍或緩沖器限值時保護緩沖器。根據(jù)設(shè)計工作方式，緩沖器限值可以是功率箝位基準值，通常為VDD，或是地箝位基準值，通常為地或-VDD。這些二極管用作ESD箝位保護，在需要時導通，而上拉和下拉元件負責高電平和低電平狀態(tài)期間的緩沖器驅(qū)動行為。因此，上拉和下拉數(shù)據(jù)是在緩沖器處于工作模式時獲得。

在模型中，這四個主要元素以電壓-電流(V-I)數(shù)據(jù)的形式表示，分別列在關(guān)鍵詞[Power Clamp]、[GND Clamp]、[Pullup]、[Pulldown]之下。I/O緩沖器的切換行為也以電壓-時間(V-t)的形式在模型中表示。

電壓-電流行為關(guān)鍵詞

? [Power Clamp]表示數(shù)字I/O引腳的功率箝位ESD保護二極管在高阻抗狀態(tài)期間的V-I行為，其相對于功率箝位基準電壓。

? [GND Clamp]表示數(shù)字I/O引腳的地箝位ESD保護二極管在高阻抗狀態(tài)期間的V-I行為，其相對于地箝位基準電壓。

? [Pullup]表示I/O緩沖器的上拉元件驅(qū)動高電平時的V-I行為，其相對于上拉基準電壓。

? [Pulldown]表示I/O緩沖器的下拉元件驅(qū)動低電平時的V-I行為，其相對于下拉基準電壓。

這些關(guān)鍵詞的數(shù)據(jù)是在-VDD至2×VDD的推薦電壓范圍內(nèi)和三個不同拐角(典型值、最小值和最大值)中獲得。典型值拐角表示緩沖器在標稱電壓、標稱工藝和標稱溫度下工作時的行為。最小值拐角表示緩沖器在最小電壓、最差工藝和最高工作結(jié)溫(CMOS)/最低工作結(jié)溫(BJT)下工作時的行為。最大值拐角表示緩沖器在最大電壓、最佳工藝和最低工作結(jié)溫(CMOS)/最高工作結(jié)溫(BJT)下工作時的行為。

對于引腳中掃過的每個電壓，測量其相應(yīng)的電流，從而獲得根據(jù)IBIS規(guī)范對緩沖器進行建模所需的電壓-電流行為。圖3顯示了三個拐角中獲得的這四個V-I曲線的波形例子。

圖3.V-I曲線的波形示例：(a) 電源箝位數(shù)據(jù)，(b) 接地箝位數(shù)據(jù)，(c) 上拉數(shù)據(jù)，(d) 下拉數(shù)據(jù)。

切換行為

除了V-I數(shù)據(jù)之外，V-t數(shù)據(jù)表中還包括上升(低至高輸出轉(zhuǎn)換)和下降(高至低輸出轉(zhuǎn)換)波形形式的I/O緩沖器切換行為。此數(shù)據(jù)在輸出連接測得。使用的負載通常為50Ω，代表典型的傳輸線路特性阻抗。此外，使用輸出緩沖器實際驅(qū)動的負載仍然是最好的。該負載與系統(tǒng)中使用的傳輸線路阻抗相關(guān)。例如，如果系統(tǒng)將使用75Ω走線或傳輸線，則獲得V-t數(shù)據(jù)所使用的推薦負載為75Ω。

對于標準推挽式CMOS，建議在IBIS模型中包含四類V-t數(shù)據(jù)：

? 上升波形，負載以VDD為基準

? 上升波形，負載以地為基準

? 下降波形，負載以VDD為基準

? 下降波形，負載以地為基準

兩個上升波形包含在模型關(guān)鍵詞[Rising Waveform]之下。它描述當負載分別連接到VDD和地時I/O緩沖器的低到高輸出轉(zhuǎn)換。另一方面，模型關(guān)鍵詞[Falling Waveform]之下的兩個下降波形描述當負載同樣分別連接到VDD和地時I/O緩沖器的高到低轉(zhuǎn)換。應(yīng)當注意，由于輸出端連接有負載，輸出擺幅不會完全轉(zhuǎn)換。與電壓-電流行為一樣，電壓-時間數(shù)據(jù)也是在三個不同的拐角中獲得。這些轉(zhuǎn)換的例子如圖4所示。

在得到V-t表的同時，提取斜坡速率值。斜坡速率是電壓從一個狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)的速率，取上升或下降轉(zhuǎn)換沿的20%至80%這一段。在IBIS模型中，斜坡速率以dV/dt比率的形式列在[Ramp]關(guān)鍵詞之下，通常顯示在V-t表之后。此值不包括封裝寄生效應(yīng)的影響，因為它僅代表內(nèi)在輸出緩沖器的上升時間和下降時間特性。

IBIS模型還包括一些數(shù)據(jù)手冊規(guī)格，仿真以此為基礎(chǔ)進行，例如工作電壓和溫度范圍、輸入邏輯電壓閾值、時序測試負載值、緩沖器電容和引腳配置。模型中還有集總RLC封裝寄生效應(yīng)，這在數(shù)據(jù)手冊中是找不到的，但對高速設(shè)計系統(tǒng)的走線仿真非常重要，因為這些寄生效應(yīng)會給仿真帶來負載效應(yīng)，從而影響通過傳輸線路的信號的完整性。

圖4.I/O緩沖器切換行為的波形示例：(a) 上升波形，負載以VDD為基準，

(b) 上升波形，負載以地為基準，(c) 下降波形，負載以VDD為基準，(d) 下降波形，負載以地為基準。

IBIS格式化

本節(jié)介紹第二階段，即構(gòu)建模型，也稱為IBIS格式化。收集所有必要的數(shù)據(jù)之后，現(xiàn)在可以創(chuàng)建模型。IBIS模型主要包括三部分：主要頭文件、元件描述和緩沖器模型。

主要頭文件包含有關(guān)該模型的一般信息。它指定以下內(nèi)容：

? IBIS版本

模型關(guān)鍵詞：[IBIS Ver]

這是模型所基于的版本。它告訴仿真器的解析器檢查程序，文件中會出現(xiàn)什么類型的數(shù)據(jù);因此，它對判斷模型能否通過解析器檢查發(fā)揮著重要作用。

? 文件名

模型關(guān)鍵詞：[File Name]

文件的實際名稱，應(yīng)為小寫形式，并使用正確的文件擴展名 .ibs。

? 版本號

模型關(guān)鍵詞：[File Rev]

幫助跟蹤文件的修訂情況。

? 日期

模型關(guān)鍵詞：[Date]

顯示模型的創(chuàng)建時間。

? 注釋

模型關(guān)鍵詞：[Notes]

向客戶提供關(guān)于模型的參考信息，即數(shù)據(jù)是從仿真中獲得，還是從基準測量中獲得。

? 來源

模型關(guān)鍵詞：[Source]

模型來自何處，或模型提供商是誰。

? 免責聲明

模型關(guān)鍵詞：[Disclaimer]

? 版權(quán)

模型關(guān)鍵詞：[Copyright]

請注意，主要頭文件下列出的前三項必須提供。其他項目不是必需的，但最好包括，以便提供有關(guān)該文件的其他細節(jié)。

圖5.使用Cadence Model Integrity的IBIS模型中的主要頭文件示例

IBIS模型的第二部分描述元件。此部分需要以下數(shù)據(jù)：

? 元件名稱

模型關(guān)鍵詞：[Component]

顧名思義，這是所建模的器件的名稱。

? 引腳列表

模型關(guān)鍵詞：[Pin]

在模型中，此部分至少有三列：引腳編號、引腳名稱和模型名稱。此列表基于數(shù)據(jù)手冊。要確保引腳編號和引腳名稱的正確匹配，以免混淆。同樣需要注意的是，在IBIS模型中，每個引腳具有一個專用模型名稱。此模型名稱不一定與數(shù)據(jù)手冊中給出的引腳名稱相同，因為引腳的模型名稱由模型制造商自行決定。此外，有些引腳可能指向同一模型名稱。具有相同設(shè)計原理圖的緩沖器就是這種情況。它們會有相同的行為，因此一組數(shù)據(jù)足以代表它們。

? 制造廠商

模型關(guān)鍵詞：[Manufacturer]

識別所建模的元件的制造商。

? 封裝寄生效應(yīng)

Model Keyword: [Package]

模型關(guān)鍵詞：[Package]

此項目說明元件封裝的電氣特性，包括集總電阻、電感和電容值。如果還知道引腳的RLC寄生效應(yīng)，應(yīng)將其與引腳列表一起列在模型中[Pin]關(guān)鍵詞之下。它能提供一個更精確的模型，會覆蓋[Package]關(guān)鍵詞下列出的RLC值。

圖6.使用Cadence Model Integrity的IBIS模型中的元件描述示例

IBIS模型的第三部分描述緩沖器模型。這里呈現(xiàn)I/O緩沖器的行為，特別是其I-V和V-t數(shù)據(jù)。它首先使用[Model]關(guān)鍵詞給出模型名稱。模型名稱應(yīng)與[Pin]關(guān)鍵詞下的第三列中列出的名稱一致。對于每個緩沖器模型，必須指定參數(shù)Model_type。緩沖器電容也必須在參數(shù)C_comp下給出，以說明從焊盤端看待緩沖器所看到的電容。

可以建模的緩沖器有不同類型，每種類型適用不同的特殊規(guī)則。下面說明IBIS模型中四種最常見類型的緩沖器及其要求：

? 輸入緩沖器

模型類型：輸入

此模型類型需要輸入邏輯閾值，列在參數(shù)Vinl和Vinh之下。如果未定義，仿真器將使用分別為0.8 V和2 V的默認值。這些參數(shù)幫助仿真器執(zhí)行時序計算并檢測信號完整性違規(guī)。

圖7.使用Cadence Model Integrity的輸入緩沖器模型的表示示例

? 雙態(tài)輸出緩沖器

模型類型：輸出

此模型類型表示始終使能的輸出緩沖器，要么驅(qū)動為高電平，要么驅(qū)動為低電平。它包括時序測試負載值，列在參數(shù)Vref、Rref、Cref和Vmeas之下。這些參數(shù)不是必需的，但它們在模型中的存在有助于仿真器執(zhí)行電路板級時序計算。

請注意，由于不能禁用此類緩沖器，因此不會列出關(guān)鍵詞[Power Clamp Reference]和[GND Clamp Reference]，也不會給出[Power Clamp]和[GND Clamp]的V-I表格數(shù)據(jù)。

圖8.使用Cadence Model Integrity的雙態(tài)輸出緩沖器模型的表示示例

?三態(tài)輸出緩沖器

模型類型：三態(tài)

該模型類型表示輸出緩沖器，它不僅有驅(qū)動高電平和驅(qū)動低電平狀態(tài)，還有高阻抗狀態(tài)，因為此類緩沖器可以禁用。與輸出模型類型一樣，它也包括時序測試負載值，列在參數(shù)Vref、Rref、Cref和Vmeas之下。在模型中添加這些參數(shù)有助于仿真器執(zhí)行電路板級時序計算。

圖9.使用Cadence Model Integrity的三態(tài)輸出緩沖器模型的表示示例

? I/O緩沖器

模型類型：I/O

此模型類型是輸入和輸出緩沖器的組合。因此，該模型包含的參數(shù)有Vinl、Vinh、Vref、Rref、Cref和Vmeas。

模型制造商在生成IBIS模型時必須注意這些指南。更多指南可以在IBIS開放論壇網(wǎng)站上的IBIS手冊中找到。必須遵循適當?shù)慕Ｖ改希駝t模型將無法通過驗證。

圖10.使用Cadence Model Integrity的I/O緩沖器模型的表示示例

模型驗證

驗證IBIS模型分為兩部分：解析器測試和相關(guān)處理。

解析器測試

構(gòu)建模型時，最好使用已經(jīng)具有Golden Parser的軟件，該程序用于執(zhí)行語法檢查，并參考模型版本規(guī)范驗證所創(chuàng)建的IBIS模型的數(shù)據(jù)是否匹配。具備此功能的一些軟件有Cadence Model Integrity和Hyperlynx Visual IBIS Editor。

如果模型通過了解析器測試，則意味著所生成的模型遵循標準格式和規(guī)格，V-I數(shù)據(jù)與V-t數(shù)據(jù)匹配。如果未通過，最好找出錯誤原因。最簡單的可能原因是模型使用的格式或關(guān)鍵詞不符合IBIS規(guī)范，這很容易糾正。其他類型的錯誤有V-I和V-t數(shù)據(jù)不匹配。發(fā)生這種情況時，錯誤可能位于上拉或下拉V-I數(shù)據(jù)中，或位于V-t數(shù)據(jù)中。V-I數(shù)據(jù)表示的行為與V-t數(shù)據(jù)表示的行為不匹配時，就是這種情況。要解決此問題，可能需要重新仿真。但在此之前，首先應(yīng)檢查放在模型中的電壓和負載值，看它們是否正確。如果錯誤原因是錯誤定義了電壓值之類的簡單原因，那么就不必花費更多時間去重新仿真。

圖11和圖12分別顯示了通過和未通過解析器測試的IBIS模型示例。

圖11.使用Cadence Model Integrity的未通過解析器測試的緩沖器模型

在圖11中，注意在解析器測試期間，軟件如何標記導致模型未通過測試的錯誤。這使得模型制造商很容易糾正模型錯誤，糾正之后才進入下一驗證步驟。此示例的錯誤原因是緩沖器使用的模型類型不對。IBIS規(guī)范要求以大寫格式輸入I/O模型類型，但此圖使用了小寫格式。

圖12.使用Cadence Model Integrity的通過了解析器測試的緩沖器模型

圖12顯示的模型通過了解析器測試。注意在Model_type關(guān)鍵詞中，I/O已更改為大寫格式，這就解決了錯誤。

請注意，只有通過驗證的模型才能進入相關(guān)處理。

相關(guān)處理

人們可能會問，如何確保所生成的模型與實際器件具有完全相同的行為?答案是相關(guān)處理。

IBIS模型存在不同的質(zhì)量等級/相關(guān)性：

本文介紹了一個質(zhì)量等級為2a的IBIS模型。通過解析器測試之后，對模型進行仿真，包括RLC封裝寄生效應(yīng)和外加負載。負載通常是在數(shù)據(jù)手冊中找到的時序測試負載值，用于表征I/O緩沖器。類似地，器件的設(shè)計原理圖將使用相同的設(shè)置和負載進行仿真。兩種仿真的結(jié)果將疊加，以驗證所生成的模型是否與基于原理圖的結(jié)果行為一致。下一篇文章將使用開源軟件介紹一個生成IBIS模型的用例。

為何IBIS模型對仿真至關(guān)重要

IBIS模型受到大多數(shù)EDA供應(yīng)商的廣泛支持。它們易于使用，體積較小，因而仿真時間更快。它們不包含專有工藝和電路信息，大多數(shù)半導體供應(yīng)商都愿意向其客戶提供IBIS模型。它們不僅具備所有這些優(yōu)點，還能精確模擬器件的I/O行為。

利用IBIS模型，設(shè)計人員可以預見并解決信號完整性問題，而不必等到電路板原型制作或制造階段。這使得他們可以縮短電路板開發(fā)周期，進而有助于加快產(chǎn)品上市時間。

簡言之，客戶之所以使用IBIS模型，是因為在仿真中使用它們不僅有助于節(jié)省成本，而且能節(jié)省設(shè)計和調(diào)試時間，從而更快地從電路板設(shè)計中產(chǎn)生收入。

這里有ADI公司產(chǎn)品的IBIS仿真模型集合。

參考資料

Casamayor, Mercedes.AN-715—走近IBIS模型：什么是IBIS模型?它們是如何生成的? ADI公司，2004年。

IBIS建模手冊(IBIS 4.0版)。IBIS開放論壇，2005年9月。

IBIS 7.0版。IBIS開放論壇，2020年4月。

Roy Leventhal和Lynne Green。半導體建模：用于信號、電源和電磁完整性仿真。Springer，2006年。

作者簡介

Jermaine Lim于2014年10月加入ADI公司，擔任產(chǎn)品應(yīng)用工程師。從那時起，她對ADI公司的貢獻都集中在為各種ADI產(chǎn)品開發(fā)IBIS模型上。Jermaine畢業(yè)于Pamantasan ng Lungsod ng Maynila，獲電子工程學士學位。

Keith Francisco-Tapan于2012年3月加入ADI公司，擔任模擬設(shè)計工程師。她最初為各種ADI產(chǎn)品開發(fā)IBIS模型，并在ADGT掌握了模型開發(fā)能力。她現(xiàn)在有一個新的角色，擔任AMS設(shè)計驗證工程師。她畢業(yè)于Mindanao State University-Iligan Institute of Technology，獲電子工程學士學位。