IBIS模型: IBIS模型的效能參數

在數個或更多的IBIS模型中,假設它們都通過了Golden Parser的驗證而且運作速度也合乎需求,則吾人要如何才能判斷其中何者較其它更適合我們高速設計上的需求呢?在這篇文章中,我們將試圖定義出一些IBIS模型的效能參數以供參考選擇之用。
IbisRttROn

 

之前的文章已數度談及IBIS模型的基本架構。。。再示於上圖;基本上是由上拉(PU)、下拉(PD)電路決定其穩態電壓及輸出阻抗。而靜電保護電路ESD則由一般在反向偏壓的箝位電路(PC), (GC)所組成。上拉電路能多快地由斷路轉成通路、同時下拉電路由通路變成斷路,則決定了此緩沖器上升時的瞬態表現。下降波形的形成也是同樣一的道理、只是開關的極性方向相反。由於PC, GC電路操作在反向偏壓區間,其漏電電流一般很小。

 

RttTerm

 

另一種常見的狀況則如上圖所示。。。一般是用在動態記憶體裡。這裡因為有晶片上的阻斷電路(On die termination)…由兩個電阻組成一分壓器(voltage divider), 所以即便是緩沖器是在高阻抗無輸出的狀態之下,由分壓器所導致的輸入電流也遠比之前所提的漏電電流來得大而不能加以忽略。

由這兩種常見的操作情況,吾人可合理地將一緩沖器在輸出阻抗及其瞬態反應(以信號斜率及上升、下降需時來表示)的相關參數用做比較用的效能參數。再詳述於下:

IBIS輸出阻抗:

若緩沖器的輸出阻抗和立即接到其輸出端點元件的輸入阻抗不相匹配,則信號在一開始之初就會形成相當的反射而來回振盪;一般而言,緩沖器的輸出即是封裝部份穿過各腳位的拉出傳輸線(特性阻抗一般是50歐姆);而解決這種不能匹配的問題一般則是再加上一個串聯的電阻以便使總阻抗能達到50歐姆左右。下圖為一輸出不匹配而造成巨大振盪的例子:
ZMismatch

 

由於IBIS緩沖器有上拉及下拉的電路, 兩者的輸出阻抗在參考電壓(一般是高位電壓的一半)間的輸出阻抗未必一樣;工程師一般得取這兩者的中間值來做為還要再加上多少串聯電阻的依據。

IBIS的時域參數:

為能有較佳的信號整合性,一般來說我們需要用的緩沖器輸出的信號速度只要夠快就好。。在夠快的條件下愈快其實愈不好。為說明這原因,我們可以常見的對一方波解構的各個諧波為例,如下所示:最上面的是一純Sin的波形、其頻率和方波同(稱基本頻率或基頻);其下則是此Sin及其二倍頻的組合,依此類推;我們可以看到:隨著更高頻Sin Wave的加入,所組合出來的波形就愈來愈像一方波。也就是說:一個信號上升下降速度很快、趨近無窮快、的方波,是由很豐富的頻率信號所組成。
Harmonics

 

又:不同頻率的信號在同一介質中的傳播速度並不相同,故會造成信號的失真。這種傳輸速度隨頻率而異的現象一般稱作“色散”;若一信號速度慢又和緩(在夠快了的前題下,相較於更像方波的快速上升/下降),則其色散的情況會較輕微而傳送的速度也就較不易為高頻部份所影響而形成信號失真。

效能參數:

綜上所述,吾人可建議並定出下列的效能參數以作為IBIS緩沖器模形間的比較之用:

  • PVT: 也就是快/中/慢,供應電壓及環境溫度等的資料。這些值都已在模型裡清楚定義。使用這模形的工程師必需確保應用範圍在這些值的區間內,則仿真出來的模形效能才具有實際上的意義;
  • C_Comp: 也是已在模形裡定義的,總結連到pad的電容負載;
  • Z_PU: 即上拉電路在參考電壓值時的輸出阻抗;
  • Z_PD: 即下拉電路在參考電壓值時的輸出阻抗;
  • Z_PU_MM in %: 即上拉電路在距參考電壓值之下及之下相同的距離(比如說100mv)時輸出阻抗的變化程度;這可視為阻抗線性變化程度的參考;
  • Z_PD_MM in %: 即下拉電路在距參考電壓值之下及之下相同的距離(比如說100mv)時輸出阻抗的變化程度;這可視為阻抗線性變化程度的參考;
  • Z_RTT: 當有之前所述的晶片上阻斷電路時(ODT, on-die termination),緩沖器的輸出阻抗;
  • RT: 輸出自 20%~80% 的上升振幅所需時間;
  • FT: 輸出自 20%~80% 的下降振幅所需時間;
  • FREQ: 在不被超頻的情況下此緩沖器可運作的最高速率。

除此之外,有些時候傳播遲延, 即數位信號輸入到一緩沖器到其輸出跨過參考電壓所需的時間Tco, 也被拿來做為參考數據之一。我們認為這其實是沒太大意義的。原因在於同之前的文章所述,為保存大部份的瞬態反應又容許模型在高頻下操作,建模工程師或是使用的仿真器就常會把一開始平穩的穩態波形點所刪除,在這種操作之下,所量得的Tco也就不準了。其次,信號整合性工程師常看的眼圖(eye plot)本身即由一連串的時脈波形相疊而成,不論Tco的真實與否,因其整個波形被順勢位移了,故在眼圖裡並不會看到任何影響。也就是說, Tco實際上不會對眼圖有任何的改變。

由以上所建議的數項性能參數,則吾人可利用如我們SPISim BPro模組裡的功能,將一個或多個IBIS模形裡的性能製出一表總結以供參考選擇緩沖器之用,並能因使用適當的模型而提高系統的信號完整性。

參數模形:

利用這些參數,我們也可更進一步地建出一假設的IBIS模形;抑或是對其中的數個參數進行掃描以產生多個可能的模形進行比較分析。當有了以仿真結果做依據的分析後,建模或完整性工程師便可以此建議晶片上緩沖器設計師應設計出的效能。也就是說:完整性工程師可坐在一個主導的地位來導引緩沖器所應被設計出的效能。現時的緩沖器設計一般有數個腳位可供微調速度及輸出強度之用,有了建議的效能值,晶片設計師便可試著不同的腳位開關組合或甚至是改變場效體通道的寬度來滿足所需。

 

SPISim BPro's Spec. model generation

SPISim BPro 的參數建模流程

我們SPISim使必信技的 BPro 便在此考量之下加入了參數模形產生的功能。這是完全不需要做任何的仿真的。用戶只要填入適當的效能參數,含兩組上升、下降波形表在內的IBIS模形就會即刻產生。用戶也可進一步利用如下所示的手動微調功能來為一些點或波形做改變,這些人工產生的(非由仿真結果產生的)IBIS模形在前期分析及甚致是外部模形的釋出上都有其實際上的用處及意義。

BPro generated spec model will have smooth transitions.

BPro 建出的參數模形均有平順的變化曲線

 

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