关于信号仿真基础体系的一本书

这段时间看了本书《手把手教你学高速电路信号仿真》:

这本书包含以下几个部分:

  • 仿真常用的模型(IBIS模型&S参数模型)
  • 传输线基本理论与信号完整性分析
  • 信道的抖动与均衡
  • 通道的仿真
  • PCB的材料研究

这本书里关于IBIS模型的基础知识,讲的还是很全面的,适合了解和学习一下。

IBIS(Input/Output Buffer Information Specification)模型是一种用于描述数字集成电路输入/输出(I/O)缓冲器电气特性的行为级模型。

常见IBIS 结构分为以下4个部分:

基本信息

作用:提供模型的基础描述和元数据。包含内容:

  • 厂商、部件号、版本号等标识信息
  • 文件创建日期、备注等辅助信息
  • 引脚与模型名称的映射关系(Pin部分)
  • 支持的电路类型(如CMOS、LVDS等)

模型选择器

作用:定义不同工作模式下的行为模型(如输入、输出、三态等)。关键部分:

  • [Model] 部分:为每个引脚或缓冲器类型定义电气行为。
  • 常见模型类型:Input:纯输入缓冲器Output:驱动型输出缓冲器I/O:双向缓冲器Open_drain:开漏输出Terminator:终端电阻模型

电气特性

作用:描述缓冲器的静态和动态电气参数。核心数据:

  • [Pull-up] / [Pull-down]:上拉/下拉IV曲线(电压-电流关系)
  • [Ramp]:信号跳变斜率(dV/dt,反映开关速度)
  • [V/I] 或 [V/T] 曲线
  • 驱动器的输出阻抗特性(如[Voltage Range]和[GND Clamp])
  • 动态特性(如上升/下降时间)
  • [C_comp]:芯片封装寄生电容

封装与寄生参数

作用:定义封装引起的寄生效应。关键参数:

  • [Package]:引脚寄生电阻(R_pkg)、电感(L_pkg)、电容(C_pkg)
  • [Pin] 部分:指定每个引脚对应的模型和封装参数,可能包含温度/工艺角数据(如[Temperature Range])

本书关于IBIS模型部分,重点关注了电气特性与寄生参数,也将其划分为4个部分:

1、推挽式(Push-Pull)电路,两个MOS FET组成,可产生高电平(上管导通下管截止),低电平(上管截止下管导通)、高阻态(上下管都截止)3种工作状态。

2、钳位电路,上二极管钳位电压VCC,下二极管钳位电压Gnd 。

对于推挽电路与二极管的电气特性,可以用V/I曲线来表示:

外部电源从-Vcc+Vcc变化,电流是从MOS FET流向外部电源,即电流值为负值;

外部电源从+Vcc+2Vcc变化,电流开始从外部电源流向MOS FET,即电流值为正值。

IBIS规范定义电流流进缓冲器的方向为正,下图为实际IBIS 模型Pull Up的电流波形,和上述的理论推导不符合。

这是因为测试点电压和IBIS文件的电压数据是不一样的,写进IBIS文件的电压为Vtable,是指上管的电压降,Pull Up状态下,就是外部电源和测试点电压的差值。

Pull Up曲线的获取是测试点各个电压值对应的电流,和IBIS文件的电压对应的电流曲线对应关系,如下图:

Pull Down 和 Pull Up是不同的,Pull Down 测试点电压和IBIS文件的电压是一样的,电流的波形也是一样的,不存在所谓的对应关系。

3、模型输入输出电容C_Comp,影响状态转换时间

对于推挽电路在电平动态翻转的特性,用V/t曲线来表示。这个过程可以分为上管和下管两个部分:

上管部分

上管打开,电容的两端的电压不能突变,上管导通,给C_Comp充电,直至稳定,这个过程产生上升沿。

上管关闭,电容的两端的电压不能突变,上管截止, C_Comp反向充电,直至稳定,这个过程产生下降沿。

下管部分

下管打开,C_Comp给导通的下管放电,直至稳定,这个过程产生下降沿。

下管关闭,50ohm 导通电压给C_Comp充电,直至稳定,这时候产生上升沿。

4、封装参数,由R(寄生电阻)、L(寄生电感)、C(寄生电容)参数组成,影响输出波形的上升沿和下降沿的速率。

关于封装参数,有两种选择,一种是默认的参数:

还有一种是对应引脚的特定参数:

至于IBIS模型在仿真中的应用,本书只是列举了Hspice的应用,至于其他的没有过多展开,但是系统了解其基本结构还是很有必要。

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