芯片IBIS模型地钳位曲线和电源钳位曲线重建的方法

摘要

本发明公开了一种芯片IBIS模型地钳位曲线和电源钳位曲线重建的方法，用简单电路模型重构IBIS的电流电压曲线，适用于信号完整性分析和电路仿真技术领域，根据电源钳位曲线和地钳位曲线所表现的特点，选择合适的分立元件，主要是二极管和电阻来搭建不同的等效电路，然后对该等效电路进行仿真而获得IBIS模型的准确的地钳位曲线和电源钳位曲线。这种方法简单易行，可以使得工程师在未获得精确的IBIS模型时可以进行准确的仿真。

说明书

技术领域

本发明涉及一种印制板仿真方法，特别涉及一种IC芯片的IBIS模型仿真方法。

背景技术

在IC芯片应用与仿真技术中，IBIS模型是一种基于电流电压曲线(IV曲线)的对IO buffer快速准确建模的方法，是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准，它提供一种标准的文件格式来记录如驱动源输出阻抗，上升、下降时间及输入负载等参数，非常适合做振铃和串扰等高频效应的计算与仿真。IBIS是一种简单直观的文件格式，它提供驱动器和接收器的行为描述，但不泄漏电路内部构造的知识产权细节。由于IBIS是一个简单的模型，当做简单的带负载仿真时，比相应的全SPICE三极管级模型仿真要节省10到15倍的计算量。

IBIS提供两条完整的IV曲线分别代表驱动器为高电平和低电平状态，以及在确定的转换速度下状态转换曲线。IV曲线的作用在于为IBIS提供保护二极管、TTL图腾柱驱动源和射级跟随输出等非线性效应的建模能力。

IBIS模型以其快速响应，数据保密的特点在PCB仿真领域日益成为各IC设计厂商所提供的主流参考模型。通常IBIS获取的渠道是由相应的IC设计厂商来提供，IC设计厂商根据芯片的PSPICE或HSPICE模型，外加理想负载，来提取IV曲线以构成提供给客户或进行快速仿真的IBIS模型。由于各客户的电路结构和工作条件的差异性，还有IC设计厂商提供的IBIS模型的不准确性，导致了许多仿真结果与实际工作结果相去甚远，大大的削弱了仿真对设计的指导作用。目前对IBIS模型进行验证和检查的步骤很大程度上都依赖于IC设计厂商，通用的EDA软件对IBIS模型的检查纠错范围主要集中在语法检查和IV曲线的单调一致性上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种芯片IBIS模型地钳位曲线重建的方法，可以对IC厂家提供的IBIS模型进行重建以获取精确的地钳位曲线。

为解决上述技术问题，本发明芯片IBIS模型地钳位曲线重建的方法，包括地钳位曲线拟合，构建一个二极管串连电阻的等效电路，对该等效电路进行spice仿真获取其电流电压曲线作为所述IBIS模型的新的地钳位曲线。

所述二极管门坎电压为原地钳位曲线拐点对应电压。

所述电阻Rg为原地钳位曲线中斜线段的斜率，按下式确定：$\mathrm{Rg}=\frac{\mathrm{\Delta Vg}}{\mathrm{\Delta Ig}}=\frac{\mathrm{Vg}-\mathrm{Vtg}}{\mathrm{Ig}-\mathrm{Itg}},$其中Vtg，Itg为原地钳位曲线中拐点对应的电压电流值，Vg，Ig为原地钳位曲线中斜线段线性部分的任一点电压。

本发明通过独立元件组合而成的简单电路来模拟IBIS模型，并在此基础上重建其地钳位曲线，可获得更为精确的IBIS模型，提高仿真结果的可信度和真实性。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种芯片IBIS模型电源钳位曲线重建的方法，可以对IC厂家提供的IBIS模型进行重建以获取精确的电源钳位曲线。

为解决上述技术问题，本发明芯片IBIS模型地钳位曲线重建的方法包括电源钳位曲线拟合，构建一个二极管串连电阻的等效电路，对该等效电路进行spice仿真获取其电流电压曲线作为所述IBIS模型的新的电源钳位曲线。

所述二极管门坎电压为原电源钳位曲线拐点对应电压。

所述电阻Rp为原电源钳位曲线中斜线段的斜率，按下式确定：$\mathrm{Rp}=\frac{\mathrm{\Delta Vp}}{\mathrm{\Delta Ip}}=\frac{\mathrm{Vp}-\mathrm{Vtp}}{\mathrm{Ip}-\mathrm{Itp}},$其中Vtp，Itp为原电源钳位曲线中拐点对应的电压电流值，Vp，Ip为原电源钳位曲线中斜线段线性部分的任一点电压。

本发明通过独立元件组合而成的简单电路来模拟IBIS模型，并在此基础上重建其电源钳位曲线，可获得更为精确的IBIS模型，提高仿真结果的可信度和真实性。

附图说明

图1是IBIS模型的结构示意图；

图2是本发明实施例涉及的原地钳位电流电压曲线；

图3是本发明实施例涉及的原电源钳位电流电压曲线；

图4是本发明实施例中二次重建的地钳位拟合电路图；

图5是本发明实施例中二次重建的电源钳位拟合电路图；

图6是本发明实施例中获得的新的地钳位电流电压曲线图；

图7是本发明实施例中获得的新的电源钳位电流电压曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明的主要构想是根据IC厂商所提供的IBIS模型，推出一些基本参数，据此选用恰当的分立元器件来构造Buffer模型，进行spice仿真以获取更为精确的IBIS模型的电流电压曲线(IV曲线)的方法来提高仿真结果的可信度和真实性。

IBIS模型中对管脚行为描述的模型主要为三种：输出BUFFER，输入BUFFER，IOBUFFER，根据结构的不同还可以再细分为I/O_open_sink，I/O_open_drain等。而这些buffer最基本的数据就是两个：IV曲线，V-t曲线。仿真就是根据这些BUFFER的数据曲线来描述信号的时域响应和电压传输波形的。

IV曲线又分为四种，上拉(pull up)曲线、下拉(pull down)曲线、地钳位(ground clamp)曲线和电源钳位(power clamp)曲线。这些曲线可以由厂商提供，也可以通过SPICE仿真获取。图1为IBIS模型的结构图，标识出了这些曲线分别对应的元器件和参考电压pullup reference、power clamp reference、pulldown reference和ground clamp reference。

通过SPICE仿真获取电源钳位曲线和地钳位曲线的方法如下表所示：

  电源  钳位  曲线  1，禁止被测buffer。  2，在Vcc和输出引脚间放置一个直流电压源Vin  3，让Vin在-Vcc到2*Vcc之间变化，记录每点对应的电流I(Vpin)  地  钳位  1，禁止被测buffer。  2，在Gnd和输出引脚间放置一个直流电压源Vin

  曲线  3，让Vin在-Vcc到2*Vcc之间变化，记录每点对应的电流I(Vpin)

现在以Samsung公司生产的K9K8G08U1M芯片中的IO buffer作为实例对发明所提供的方法进行阐述。

该IO buffer的基本信息如下所示：

[Model]         IO

Model_type     I/O

Polarity       Inverting

Vinl＝0.7200V

Vinh＝2.1600V

Vmeas＝1.6500V

Cref＝50.0000pF

Rref＝0.000

C_comp              -8.2890pF  7.4600pF   9.1190pF

[Temperature Range] 25.0000    90.0000    -40.0000

[Voltage Range]     3.3000V    2.7000V    3.6000V

pullup reference和power clamp reference为VCC(3.3V)，而pulldown reference和ground clamp reference为Ground(0V)。这些数据也可以从该元件的数据手册中电气特性部分获得。

IBIS模型的IV曲线中记录的电压和器件管脚测试得到的电压之间的计算公式为：

V_table＝V_reference-V_out

因此，可以得出：

$V_{{\mathrm{powerclamp}}_{\mathrm{table}}}=V_{\mathrm{reference}}-V_{\mathrm{out}}=3.3-V_{\mathrm{out}}$

$V_{{\mathrm{groundclamp}}_{\mathrm{table}}}=V_{\mathrm{reference}}-V_{\mathrm{out}}=-V_{\mathrm{out}}$

其中，V_table表示IV曲线图上的电压值，

V_reference表示各曲线所参考的电压值，

V_out表示器件管脚上的电压值，

V_{powerclamptable}表示电源钳位曲线中的电压值，

V_{groundclamptable}表示地钳位曲线中的电压值。

Samsung公司所提供的K9K8G08U1M芯片的原始地钳位曲线和电源钳位曲线，如图2和图3所示。地钳位曲线和电源钳位曲线由两段线段组成，这两段线段的相交点称为拐点。按照本发明所构建的等效电路中的二极管门坎电压(又称死区电压)为原始地钳位曲线或电源钳位曲线拐点对应电压。在本例中，上述两个拐点电压均为0.5V，故相应等效电路选取的二极管导通电压均为0.5V。

由于本发明所提供的方法中是用分立元件来搭建作为拟合电路，而且利用的是二极管的正向导通特性，选用的二极管根据材料不同可以分为硅管和锗管，其门坎电压通常是：硅管V_th约为0.5V，锗管V_th约为0.1V。按本发明所提供的方法所建立的具体等效电路中所选二极管门坎电压为地钳位曲线和电源钳位曲线的拐点。

等效电路中，串联电阻的大小计算公式如下：

$R=\frac{\mathrm{\Delta V}}{\mathrm{\Delta I}}=\frac{V-V_T}{I-I_T}$

其中V_T，I_T为拐点对应的电压电流值，V，I为曲线线性部分的任一点电压。

对地钳位曲线来说，按照上述计算公式，等效电路中电阻Rg按下式确定：$\mathrm{Rg}=\frac{\mathrm{\Delta Vg}}{\mathrm{\Delta Ig}}=\frac{\mathrm{Vg}-\mathrm{Vtg}}{\mathrm{Ig}-\mathrm{Itg}},$其中Vtg，Itg为原地钳位曲线中拐点对应的电压电流值，Vg，Ig为原地钳位曲线中斜线段线性部分的任一点电压。

对电源钳位曲线来说，按照前述计算公式，等效电路中电阻Rp按下式确定：$\mathrm{Rp}=\frac{\mathrm{\Delta Vp}}{\mathrm{\Delta Ip}}=\frac{\mathrm{Vp}-\mathrm{Vtp}}{\mathrm{Ip}-\mathrm{Itp}},$其中Vtp，Itp为原电源钳位曲线中拐点对应的电压电流值，Vp，Ip为原电源钳位曲线中斜线段线性部分的任一点电压。如前所述，原地钳位曲线或者原电源钳位曲线一般可从IC厂商处获得，或者通过SPICE仿真得到。

实际上R就是相应曲线线性部分的斜率。从原始地钳位曲线上和电源钳位曲线观测或从IBIS文本文件中或者查阅数据手册电气特性部分可知：

V_T＝0.5000V，I_T＝1.7510mA，再任选一点V＝3.0000，I＝0.2363A，

代入公式计算：

$R=\frac{\mathrm{\Delta V}}{\mathrm{\Delta I}}=\frac{V-V_T}{I-I_T}=\frac{3.0-0.5}{0.2363-0.001751}=\frac{2.5}{0.234549}=10.65875\Omega$

所选二极管为4148型，下面是所选二极管的PSPICE模型参数，其中Vj＝.5表明该二极管的门坎电压为0.5V，是硅管。其参数为：.model D1N4148_1D(Is＝2.682n N＝1.836 Rs＝.5664 Ikf＝44.17m Xti＝3Eg＝1.11 Cjo＝4p+                 M＝.3333Vj＝.5Fc＝.5Isr＝1.565n Nr＝2Bv＝100 Ibv＝100uTt＝11.54n)

*TELEFUNKEN pid＝dln4148 case＝D035*91-08-20dsq

图4为地钳位曲线对应的等效电路其由一个二极管和一个电阻Rg串连组成；图5为电源钳位曲线对应的等效电路，其由另一个二极管和另一个电阻Rp串连组成。图6和图7分别为图4和图5两个等效电路仿真的结果。将图6表示的新的地钳位曲线与图2表示Samsung公司提供的原地钳位曲线进行比较，可以看出，这两条曲线的拟合度是非常接近的，能够满足仿真的要求。将图7表示的新的电源钳位曲线与图3表示的Samsung公司提供的原地钳位曲线进行比较，也可以看出，这两条曲线的拟合度是非常接近的。

本发明公开了一种用简单电路模型重构IBIS的IV曲线的方法，适用于信号完整性分析和电路仿真技术领域，根据电源钳位曲线和地钳位曲线所表现的特点，选择合适的分立元件来搭建不同的等效电路，然后对该等效电路进行仿真而获得IBIS模型的准确的电源钳位曲线和地钳位曲线。这种方法简单易行，可以使得工程师在未获得精确的IBIS模型时可以进行准确的仿真。