最常用的三種PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析模

來(lái)源：電子市場(chǎng)
為了進(jìn)行電路模擬，必須先建立元器件的模型，也就是對(duì)于電路模擬程序所支持的各種元器件，在模擬程序中必須有相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述他們，即能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算公式來(lái)表達(dá)他們。一個(gè)理想的元器件模型，應(yīng)該既能正確反映元器件的電學(xué)特性又適于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解。一般來(lái)講，器件模型的精度越高，模型本身也就越復(fù)雜，所要求的模型參數(shù)個(gè)數(shù)也越多。這樣計(jì)算時(shí)所占內(nèi)存量增大，計(jì)算時(shí)間增加。而集成電路往往包含數(shù)量巨大的元器件，器件模型復(fù)雜度的少許增加就會(huì)使計(jì)算時(shí)間成倍延長(zhǎng)。反之，如果模型過(guò)于粗糙，會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果不可靠。因此所用元器件模型的復(fù)雜程度要根據(jù)實(shí)際需要而定。
在基于信號(hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的PCB設(shè)計(jì)方法中，最為核心的部分就是pcb板級(jí)信號(hào)完整性模型的建立，這是與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的區(qū)別之處。SI模型的正確性將決定設(shè)計(jì)的正確性，而SI模型的可建立性則決定了這種設(shè)計(jì)方法的可行性。
目前構(gòu)成器件模型的方法有兩種：一種是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成‘黑盒子’，測(cè)量其端口的電氣特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，稱為行為級(jí)模型。這種模型的代表是IBIS模型和S參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是建模和使用簡(jiǎn)單方便，節(jié)約資源，適用范圍廣泛，特別是在高頻、非線性、大功率的情況下行為級(jí)模型幾乎是唯一的選擇。缺點(diǎn)是精度較差，一致性不能保證，受測(cè)試技術(shù)和精度的影響。另一種是以元器件的工作原理為基礎(chǔ)，從元器件的數(shù)學(xué)方程式出發(fā)，得到的器件模型及模型參數(shù)與器件的物理工作原理有密切的關(guān)系。SPICE模型是這種模型中應(yīng)用最廣泛的一種。其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，特別是隨著建模手段的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和規(guī)范，人們已可以在多種級(jí)別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。
一般驅(qū)動(dòng)器和接收器的模型由器件廠商提供，傳輸線的模型通常從場(chǎng)分析器中提取，封裝和連接器的模型即可以由場(chǎng)分析器提取，又可以由制造廠商提供。
在電子設(shè)計(jì)中已經(jīng)有多種可以用于PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析的模型，其中最為常用的有三種，分別是SPICE、IBIS和Verilog-AMS、VHDL-AMS。
1SPICE模型
Spice是SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis的縮寫(xiě)，是一種功能強(qiáng)大的通用模擬電路仿真器，已經(jīng)具有幾十年的歷史了，該程序是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校電工和計(jì)算科學(xué)系開(kāi)發(fā)的，主要用于集成電路的電路分析程序中，Spice的網(wǎng)表格式變成了通常模擬電路和晶體管級(jí)電路描述的標(biāo)準(zhǔn)，其第一版本于1972年完成，是用Fortran語(yǔ)言寫(xiě)成的，1975年推出正式實(shí)用化版本，1988年被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于IC，模擬電路，數(shù)?；旌想娐?，電源電路等電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。由于Spice仿真程序采用完全開(kāi)放的政策，用戶可以按自己的需要進(jìn)行修改，加之實(shí)用性好，迅速得到推廣，已經(jīng)被移植到多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)上。
自從Spice問(wèn)世以來(lái)，其版本的更新持續(xù)不斷，有Spice2、Spice3等多個(gè)版本，新版本主要在電路輸入、圖形化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行效率上有所增強(qiáng)，人們普遍認(rèn)為Spice2G5是最為成功和有效的，以后的版本僅僅是局部的變動(dòng)。
同時(shí)，各種以伯克利的Spice仿真程序的算法為核心的商用Spice電路仿真工具也隨之產(chǎn)生，運(yùn)行在PC和UNIX平臺(tái)，許多都是基于原始的SPICE2G6版的源代碼，這是一個(gè)公開(kāi)發(fā)表的版本，它們都在Spice的基礎(chǔ)上做了很多實(shí)用化的工作，比較常見(jiàn)的Spice仿真軟件有Hspice、Pspice、Spectre、Tspice、
SmartSpcie、IsSpice等，雖然它們的核心算法雷同，但仿真速度、精度和收斂性卻不一樣，其中以Synopsys公司的Hspice和Cadence公司的Pspice最為著名。Hspice是事實(shí)上的Spice工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件，在業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，它具有精度高、仿真功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，但它沒(méi)有前端輸入環(huán)境，需要事前準(zhǔn)備好網(wǎng)表文件，不適合初級(jí)用戶，主要應(yīng)用于集成電路設(shè)計(jì)；Pspice是個(gè)人用戶的最佳選擇，具有圖形化的前端輸入環(huán)境，用戶界面友好，性價(jià)比高，主要應(yīng)用于PCB板和系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)。
SPICE仿真軟件包含模型和仿真器兩部分。由于模型與仿真器是緊密地集成在一起的，所以用戶要添加新的模型類型是很困難的，但是很容易添加新的模型，僅僅需要對(duì)現(xiàn)有的模型類型設(shè)置新的參數(shù)即可。
SPICE模型由兩部分組成：模型方程式(ModelEquations)和模型參數(shù)(ModelParameters)。由于提供了模型方程式，因而可以把SPICE模型與仿真器的算法非常緊密地聯(lián)接起來(lái)，可以獲得更好的分析效率和分析結(jié)果。
現(xiàn)在SPICE模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)中，可對(duì)電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)分析和線性交流分析。被分析的電路中的元件可包括電阻、電容、電感、互感、獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源、各種線性受控源、傳輸線以及有源半導(dǎo)體器件。SPICE內(nèi)建半導(dǎo)體器件模型，用戶只需選定模型級(jí)別并