IBIS建模：為何IBIS建模對設(shè)計成功至關(guān)重要

Jermaine Lim-Abrogue?a 和 Keith Francisco-Tapan

什么是IBIS模型？

IBIS表示輸入/輸出緩沖器信息規(guī)范。它代表了IC供應(yīng)商提供給客戶進(jìn)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(fù)責(zé)管理和更新IBIS模型規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行制造。電路板制造出來后，發(fā)現(xiàn)其性能不達(dá)標(biāo)，原因是一些信號完整性問題，其導(dǎo)致了串?dāng)_、信號過沖/欠沖或不匹配阻抗引起的反射。您認(rèn)為接下來會發(fā)生什么？當(dāng)然，電路板必須重新設(shè)計和制造。此時，時間已被浪費，成本上升，所有這一切都是因為有一個重要階段沒有進(jìn)行：預(yù)仿真。在此階段中，系統(tǒng)設(shè)計人員使用仿真模型驗證其設(shè)計的信號完整性，然后才會構(gòu)建電路板。SPICE和IBIS等仿真模型現(xiàn)已廣泛開發(fā)用于仿真當(dāng)中，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員在預(yù)仿真階段預(yù)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(jì)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(dǎo)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化基于文本的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(jìn)標(biāo)準(zhǔn)以增加專業(yè)領(lǐng)域的能力。2019年，IBIS 7.0版被批準(zhǔn)。這表明，IBIS在繼續(xù)推進(jìn)并滿足新技術(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(biāo)準(zhǔn)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

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(zhǔn)測量方法

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(fù)責(zé)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(zhǔn)值，通常為VDD，或是地箝位基準(zhǔn)值，通常為地或-VDD。這些二極管用作ESD箝位保護，在需要時導(dǎo)通，而上拉和下拉元件負(fù)責(zé)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?fàn)顟B(tài)期間的V-I行為，其相對于功率箝位基準(zhǔn)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?fàn)顟B(tài)期間的V-I行為，其相對于地箝位基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)稱電壓、標(biāo)稱工藝和標(biāo)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、最弱工藝和最高工作結(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、最強工藝和最低工作結(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(jìn)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)利用一個連接到輸出的負(fù)載測得。使用的負(fù)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(fù)載仍然是最好的。該負(fù)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(fù)載為75Ω。

對于標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載以VDD為基準(zhǔn)

上升波形，負(fù)載以地為基準(zhǔn)

下降波形，負(fù)載以VDD為基準(zhǔn)

下降波形，負(fù)載以地為基準(zhǔn)

兩個上升波形包含在模型關(guān)鍵詞[Rising Waveform]之下。它描述當(dāng)負(fù)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(dāng)負(fù)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(dāng)注意，由于輸出端連接有負(fù)載，輸出擺幅不會全面轉(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。

圖4.I/O緩沖器切換行為的波形示例：(a) 上升波形，負(fù)載以VDD為基準(zhǔn)，(b) 上升波形，負(fù)載以地為基準(zhǔn)，(c) 下降波形，負(fù)載以VDD為基準(zhǔn)，(d) 下降波形，負(fù)載以地為基準(zhǔn)。

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(jìn)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(fù)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(fù)載效應(yīng)，從而影響通過傳輸線路的信號的完整性。

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(zhǔn)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(zé)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(xì)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。它應(yīng)該反映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。預(yù)計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)

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，以說明從焊盤回看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(rèn)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(fù)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?fàn)顟B(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(fù)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(dāng)?shù)慕Ｖ改?，否則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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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。

在圖11中，注意在解析器測試期間，軟件如何標(biāo)記導(dǎo)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(jìn)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11.使用Cadence Model Integrity的未通過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(jìn)入相關(guān)處理。

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

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，將對模型進(jìn)行仿真，包括RLC封裝寄生效應(yīng)和外加負(fù)載。負(fù)載通常是在數(shù)據(jù)手冊中找到的時序測試負(fù)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(fù)載進(jìn)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，文件較小，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(dǎo)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(yù)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(jìn)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。

審核編輯：郭婷