IBIS模型: IBIS模型的資料在仿真時是如何被運用的

*緩沖器模型:IBIS模型是如何組成的
IBISType

IBIS規格裡定義了不同類型的緩沖器,不同類型對於模型裡的構成資料即有不同的要求。一般而言,IBIS模型一般有下列的模型資料/對應表:

  • 環境設置:及這模型建模的環境為何, 一般包括了理想電壓及操作溫度的資訊等。
  • 負載情況:如C_COMP:伴隨電容及各截取各瞬態波型時緩沖器的測試負載等等。
  • I/V:電源/電壓的穩態曲線,通常包括了Pull-up(PU):上拉穩態曲線、Pull-down(PD):下拉穩態曲線、GND Clamp (GC):地箝位曲線及Power Clamp(PC): 電源箝位曲線等。這些曲線可視為對上拉下拉電路通道上非線性電阻的描述。
    要注意的是這些曲線的掃描範圍在規格上是要求要由-Vcc至2Vcc (Vcc是理想的供電電壓), 之所以如此是因為在無耗損傳輸的情況下,若接收端因完全開路或完全閟路而造成全反射,則全反射的Vcc振幅再加在原0~Vcc的工作範圍就會有-Vcc至2Vcc間的可能。另一要注意的是對於上拉型電路、如PU和PC, 其電壓波形相對應是是理想電壓Vcc值而非對地。也就是說:在這些波形裡的V=0實際上是V=0 to Vcc即V=Vcc的。有時在除錯的情況下,要把這值轉換過來才不易出錯。SPISim IBIS模組BPro的模型查驗界面就有直接將對應Vcc轉成Vss/Gnd的按鈕可使用。IBISPUPD
    IBISPCGC
  • ISSO PU/PD:這曲線描述了在非理想供應電壓及接地電壓情況時,緩沖器輸出電流的變化。當分析電路含有電源供應電路(Power delivery network)時,必需要有這些資訊才能對電源完整性的影響做出評估。一般而言,當供電端電壓下降或接地端電壓上升時, 橫跨場效體的端點電壓差會減少而使的輸出強度變弱,這即使所謂的閘道調變效應(Gate modulation effect);所以ISSO PU/PD定義了端點電壓在非理想值時,輸出有效電流的變化。IBISVT
  • V/T:這曲線描述了緩沖器切換後瞬態的輸出電壓;在不同的測試設置中(不同的外接測試阻抗及測試電壓),所產生節VT波形會不同;在稍後會細述的運作過理論可看到,一般的IBIS緩沖器應都至少含有兩組在不同測試設置下所產生的VT波形。這些測試情況需涵括了在現實情況下這被建構的IBIS模型會運作的環境。IBISIT
  • I/T:這曲線描述了緩沖器切換後瞬態的取用電流;亦是IBIS5.0(含)之後才有的關鍵字。這波形裡的橫軸的時域變量和上面的VT裡的時域是同一時間點。也就是說, 這IT曲線的資料用以在VT波形裡的同一瞬間點自電源拉出相對應的電流。這”組合電流”(IBIS關鍵字是Composite Current)大致上包含了下面幾種電流成分(詳細請見IBIS Spec.):旁路電流、前級驅動電流、切換電流及端點阻抗電流。

* IBIS模型是如何運作的:
那這些IBIS模型裡IV/IT/VT的波形資訊又是如何在仿真器裡運用的呢? 為簡化起見, 讓我們先不管靜電保護電路(ESD)的PC/GC電路部份,它們在大多數的操作情形都是在反向偏壓區而有極小的漏電電流。對於主要的上拉(PU)及下拉(PD)電路而言,我們可以把它們看做是非線性電阻; 就好比是場效體的P/N通道般,其電阻值隨著端電電壓值而改變。這兩組電路之相互同時運作,便決定了在不同輸出負載情況下的緩沖器的瞬態反應 VT及IT。
IBISKuKd0
在瞬態的上升期間,上拉電路PU可視為由完全斷路變成到完全通路,而下拉電路是由完全通路而變成完全斷路。由於接到地線間的通路成為斷路而造成輸出電壓的升高到邏輯1態。瞬態的下降期間則是相反地運作。於是吾人可定義一”切換係數(Ku(t), Kd(t))”…來相乘到對應的PU/PD電流的輸出。這切換係數的X變數是時域的…即像VT/IT裡的時域變數般。Ku(t)=1表示PU完全通路。反之,Kd(t)=0表示PD完全斷路。這Ku(t)及Kd(t)的組合即可用以說明VT/IT的相對應變化情形。

為著這Ku(t)及Kd(t)的兩個變數,我們也需要有兩組方程式才能對其求解。假設IBIS模型裡有至少兩組的VT波形及其負載測試情況, 則我們恰用這兩組資料來對Ku(t)及Kd(t)進行求解。因為Ku(t)及Kd(t)只和緩沖器裡的場效體切換的經過時間有關、而和其負載無關,所以我們恰可用兩組方程來得到Ku(t)及Kd(t)的真解。這也就是為什麼一般的IBIS模型裡需要至少有兩組的VT波形原因了。
IBISKuKd1

實務上而言,若欲求兩組波形而不可得,則仿真器也可做另一假設:即在每一時間點都滿足Ku(t) + Kd(t) = 1。大體上而言,這組假設在緩沖器的穩態高電位或穩態低電位輸出時是成立的,但在其間的瞬態轉換期間則未必。另一種可能是仿真器也可用IBIS模型裡的斜率(Ramp rate)資料來形成假設的上升/下降VT波形, 以達到能對切換係數求解的目的。
IBISKuKd2
在這架構之下,為求精確起見,所有有關的支流電流最後也都要加入方程式裡,如此解得的切換係數才算精確。這些後來才加上的支流電流包括了常在反向偏壓的ESD電路PC/GC,以及會通過伴隨電容C_COMP的電流等等。比如我們可用I=C_Comp * dV/dt來算出流過伴隨電容的電流且將其自總輸出電流中減去,才不會在日後模型的仿真時造成重算(double counting)的情形。

IBISCComp
最後, 在IBIS 5.0之後的、含電源完整性資訊的、IBIS模型而言,另一組瞬態端點電壓相關的係數也要再加上去。如此,因為閘道調變效應而使得緩沖器輸出變弱的因素才能被列入考量。

以上所簡述的操作細節,讀者若有興趣,可參閱下列的原學術論文:

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