如何使用IBIS模型进行分析

高频高速研究中心 2023-10-31 5734

描述

当半导体厂商被索要SPICE模型时，他们并不愿意提供，因为这些模型会包含有专有工艺和电路信息。这个问题已经通过采用IBIS模型来 (输入/输出缓冲器信息规范)解决，IBIS也被称为ANSI/EIA-656，这是一个建模的新标准，在系统设计人员中越来越流行。

它相对于其它传统模型(例如SPICE)有几项优势。例如，仿真时间最多可缩短25倍，IBIS没有SPICE的不收敛的问题。此外，IBIS可以在任何行业平台运行，因为大多数电子设计自动化(EDA)供应商都支持IBIS规范。

1.IBIS模型的文件结构

IBIS模型是一种以扩展名为“.ibs”的ASCII格式文本文件。它由关键字、子参数和定义值组成。

IBIS

这个文本大致分为以下几个部分。文件头信息部分包含文件名、日期、版本等信息组件描述部分默认包模型引脚列表等（可以有多个定义）

模型声明部分电压/电流特性、过渡特性等（可以有多个定义）

子模型部分电压/电流特性、过渡特性等（可以有多个定义）

包建模部分更详细的包模型

[结束]

IBIS模型由除了.ibs文件之外，还包括以下扩展名的文件组成。

拓展名内容

.pkg 包模型文件被.ibs文件引用。

.ebd 电子板描述文件用于描述DIMM等电路板级别的连接。不被.ibs或.pkg引用，独立存在。

.ami 算法建模接口文件用于定义高速设备（如SerDes）的模型。被.ibs文件引用。

输出模型

以三态为例，三态输出的结构；模型可视为一个驱动器。它包含一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管，两个ESD保护二极管，芯片电容和封装寄生电容。

IBIS

输出模型通过以下直流电气数据、交流或转换数据以及参数进行表征：

1. 上拉和下拉曲线

2. 电源和GND钳位曲线

3. 斜坡速率

4. 上升和下降波形

5. C_Comp

6. 封装参数

上拉和下拉曲线

上拉和下拉数据决定器件的驱动强度。这些曲线通过特征化输出中的两个晶体管来获得。上拉数据描述当输出为逻辑高电平状态(PMOS晶体管导通)时的I/V行为。反之，下拉数据表示当输出为逻辑低电平状态(NMOS晶体管导通)时的直流电气特性。

C_Comp

这是硅芯片电容，不包括封装电容。它是焊盘与驱动器之间的电容，可以理解为输出pad、钳位二极管和输入晶体管的总电容。那么对于封装参数则是管脚出线的电容、电感和电阻。这两个电容要区分开。C_Comp是关键参数，特别是对于接收器的输入。C_Comp对于每个不同转折点(最小、典型和最大)都有一个对应值。C_Comp最大的值应在最大转折点之下，最小值应在最小转折点之下。

封装参数

R_Pin、L_Pin和C_Pin是每个引脚到缓冲器连接的电阻、电感和电容的电气特性。R_Pkg、L_Pkg和C_Pkg是整个封装的集总值。与C_Comp参数一样，最大的值以最大值列出，最小的值以最小值列出。

差分信号定义

有些模型没有差分信号定义，很简单，自己打开模型在[Pin]结束后加上你需要的差分信号就可以。

[Diff Pin] inv_pin vdiff tdelay_typ tdelay_min tdelay_max
5 6 NA NA NA NA

差分电压阈值的定义是什么？阈值取决于[Diff Pin]的vdiff子参数。如果vdiff是NA（未定义），则不是0，而是默认值200mV。

上升下降时间

上升时间/下降时间的定义是什么？分为两种情况：[Ramp]关键字和[RisingWaveform]、[Falling Waveform]关键字。

仿真中我们要设置的Source源上升/下降时间，并不是IBIS模型中的。

IBIS

上图的上升下降时间，并非指IBIS"真实输出"信号的上升下降时间(50~100ps)，而是指激发IBIS模型的"理想输入"驱动信号的上升下降时间(1~10ps)。输出信号真正的上升下降时间应该是由IBIS模型内所定义的Rising Waveform/Falling Waveform属性所决定，而不是由使用者输入来决定。所以上图输入的Tr/Tf要远小于真正输出信号的Tr/Tf，才不会影响模拟结果，这是初学者很容易误解的地方。

另外，如果出现Over Clocking问题，此时可以选IBIS模型中的Ramp模式。

在相同的频率下，fast corner眼图正常，slow corner眼图不正常。

使用相同的PRBS输入模式，低频率下眼图正常，高频率下眼图不正常。

在相同的高频率下，clock pattern眼图“看似”正常，PRBS输入模式眼图不正常。

输入模型

它包括两个ESD保护二极管、芯片电容和封装寄生电容。

IBIS

这些元件形成表征输入特性的V/I曲线。在这种情况下，除了封装寄生和C_Comp参数外，输入端模型包括从ESD二极管获得的电源和GND箝位数据。

几组参数

PVT（Process, Voltage, Temperature）模型过去通常是在“角点”构建的。所有缓冲特性都被认为是相对于PVT的依赖参数。

FastCorner = 快工艺，高电压，低温。

SlowCorner = 慢工艺，低电压，高温。

这些可以在IBIS模型的“Min”和“Max”列中输入。在最大列中是Fast/strong，在最小列中是Slow/weak。

在最近的几代中，我们发现只提供快角和慢角不能充分覆盖所有效应。在这些情况下，可以给出其他模型类型（例如“max ringback”模型）。

Packagedefinition and pin allocation

IBIS

转化到原理图里面

IBIS

2.使用IBIS模型进行分析

模型检查

Hyperlynx自带的这款软件比较推荐，编辑、修改、检查都比较方便。

IBIS

IBIS模型是如何運作的：

那么这些IBIS模型里IV/IT/VT的波形信息又是如何在仿真器里运用的呢？为简化起见，先不管静电保护电路(ESD)的PC/GC电路部分，它们在大多数的操作情形都是在反向偏压区而有极小的漏电电流。对于主要的上拉(PU)及下拉(PD)电路而言，可以把它们看作是非线性电阻；就好比是场效应体的P/N通道般，其电阻值随着端电电压值而改变。这两组电路之相互同时运作，便决定了在不同输出负载情况下的缓冲器的瞬态反应VT及IT。

IBIS

在瞬间的上升期间，上拉电路PU可以视为由完全断路变成完全通路，而下拉电路是由完全通路变成完全断路。由于接到地线的通路成为断路，导致输出电压升高到逻辑1状态。瞬间的下降期间则是相反地运作。因此我们可以定义一个"切换系数(Ku(t), Kd(t))"，来乘以对应的PU/PD电流的输出。这个切换系数的X变量是时域的，就像VT/IT中的时域变量一样。Ku(t)=1表示PU完全通路。反之，Kd(t)=0表示PD完全断路。这Ku(t)及Kd(t)的组合即可用以说明VT/IT的相应变化情况。

Ku(t)及Kd(t)的两个变量，需要有两组方程式才能对其求解。假设IBIS模型里有至少两组的VT波形及其负载测试情况，则我们恰用这两组数据来对Ku(t)及Kd(t)进行求解。因为Ku(t)及Kd(t)只和缓冲器里的场效应晶体管切换的经过时间有关，而和其负载无关，所以我们恰可用两组方程来得到Ku(t)及Kd(t)的真解。这也就是为什么一般的IBIS模型里需要至少有两组的VT波形的原因了。

IBIS

实际操作中，如果我们无法获得两组波形，仿真器也可以做出另一个假设：即在每个时间点上满足Ku(t) + Kd(t) = 1。总体上说，这个假设在缓冲器的稳态高电位或稳态低电位输出时是成立的，但在其间的瞬态转换期间不一定成立。另一种可能是仿真器可以利用IBIS模型中的斜率（Ramp rate）数据来生成假设的上升/下降VT波形，以达到对切换系数求解的目的。

IBIS模型验证

1.ROUT

如何从IBIS文件中找到驱动器阻抗信息？”大多数时候，我们想要这些信息，以便控制传输路径阻抗不连续引起的反射。

当驱动端的输出阻抗与传输线特性阻抗（Zo）不匹配时，会出现反射，导致接收端出现振铃。

使用上下拉电阻在接收处端接传输线以匹配Zo是解决这一问题的一种方法。尽管这种方法工作良好，但它不是优选的方法，因为电阻值将在45-70欧姆范围内，以匹配现代PCB设计中发现的典型单端传输线阻抗。这样的低电阻导致驱动器上的额外负载，从而导致更高的功率耗散。

一个更好的方法是在Buffer的末端添加一个串联电阻，以弥补阻抗的差异。例如，如果缓冲器的输出阻抗为20欧姆，驱动50欧姆的传输线，则需要添加一个30欧姆的电阻与输出串联。

因为Buffer是半导体，它的输出阻抗可能会根据上升沿/下降沿转换、PVT（缓慢、典型、快速）及其驱动的负载而变化。由于IBIS模型是基于ASCII的，当使用四个V-T波形表中的两个驱动50欧姆时，我们可以简单地使用文本编辑器来查看和快速估计输出阻抗。

与下降沿相比，上升沿的输出阻抗通常不同。要确定从低到高转换的输出阻抗，可以使用下拉[上升波形]；R_fixture=50；V_fixture=0.000表。此表的示例如下所示：

[Rising Waveform]

R_fixture = 50.0000

V_fixture = 0.000

| time V(typ) V(min) V(max)

0.000S 0.000V 0.000V 0.000V

0.2000nS 0.000V 0.000V -1.7835uV

0.4000nS -1.1143mV -8.0018uV -7.8340mV

0.6000nS 0.1336V -5.4161mV 0.9354V

0.8000nS 1.1220V -12.5300mV 2.3940V

* * * *

9.6000nS 2.5680V 2.1880V 2.7880V

9.8000nS 2.5680V 2.1880V 2.7880V

10.0000nS 2.5680V 2.1880V 2.7880V

表的前三行告诉我们，上升波形有一个50欧姆的电阻连接到缓冲输出，并向下拉至0伏，如下等效电路所示。

输出阻抗（Zs）和50欧姆负载的组合形成了由以下等式描述的简单分压电路：

IBIS

V0=VDC*50/(Zs+50)

VO=Buffer输出引脚处的电压

VDC=电源电压

Zs=缓冲器阻抗

Zs=50*( VDC-V0)/V0

如果使用上面V-T表中10nS的典型电压，VDC为3.3V，VO为2.568V，则50欧姆上升沿的输出阻抗等于14.25欧姆。

要确定高到低转换的输出阻抗，使用上拉[下降波形]；表类似于以下示例：

[Falling Waveform]

R_fixture = 50.0000

V_fixture = 3.3000

V_fixture_min = 3.0000

V_fixture_max = 3.4500

| time V(typ) V(min) V(max)

0.000S 3.3000V 3.0000V 3.4500V

0.2000nS 3.3000V 3.0000V 3.4500V

0.4000nS 3.2995V 3.0000V 3.4500V

* * * *

9.4000nS 0.5598V 0.6824V 0.4812V

9.6000nS 0.5598V 0.6824V 0.4812V

9.8000nS 0.5598V 0.6824V 0.4812V

10.0000nS 0.5598V 0.6824V 0.4812V

这一次，表格告诉下降的波形有一个50欧姆的电阻器连接到缓冲输出，并向上拉至V_fixture，如等效电路所示。

IBIS

输出阻抗由以下公式计算：

Zs=50*V0/( V_fix- V0)

式中：VO=Buffer吸收电流时的输出电压 V_Fix=测试夹具的电压在10nS时使用 V_Fix的典型值=3.3V VO=0.5598V，Zs=10.21欧姆。

对于这个特定的IBIS模型，输出阻抗根据边缘过渡而变化。对于上升沿，当使用典型值时，输出阻抗为14.25欧姆，下降沿为10.21欧姆。阻抗也将在最小/最大条件下变化。

如果负载不是50欧姆，不能依赖这种简单的方法来进行计算。相反，要通过仿真来确定。

对于输出端的新模型，搭建链路如下所示，LPDDR4模型，我们可以通过波形的反馈验证出芯片的ROUT。

IBIS

2.镁光的DDR模型通常会提供很详细的IBIS Quality Report

IBIS

DQ_34_4800 driving DQ_34_4800 at 4.8Gbps

IBIS

DQ_34_4800 driving DQ_IN_ODT60_4800 at 4.8Gbps

IBIS

实线是Hspice，虚线是IBIS，无论是输出，还是输入，吻合度是非常高的。

编辑：黄飞

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