基于IBIS建模仿真分析的信號(hào)完整性問題

高速數(shù)字設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)就是處理其電路板上的過沖、下沖、錯(cuò)配阻抗振鈴、抖動(dòng)分布和串?dāng)_問題。這些問題都可歸入信號(hào)完整性范疇。許多高速設(shè)計(jì)人員都使用輸入/輸出緩沖信息規(guī)范 (IBIS) 建模語言來預(yù)見并解決信號(hào)完整性問題。該建模語言自 20 世紀(jì) 90 年代以來便得到廣泛的運(yùn)用，并已發(fā)展成為一種正式的標(biāo)準(zhǔn)：EIA-ANSI 656-B。IBIS 論壇2008 年 8 月發(fā)布的第 5 版標(biāo)準(zhǔn)仍然盛行。IBIS 使用電流-電壓 (I-V) 和電壓-時(shí)間 (V-t) 數(shù)據(jù)表來描述某個(gè)器件的 I/O 引腳特性。廠商們通過仿真或測量其器件 I/O 單元生成這些表。

對(duì)于那些現(xiàn)在高達(dá) 20 Gbits/秒時(shí)鐘頻率的高速設(shè)計(jì)來說，我能夠理解對(duì)于這類系統(tǒng)仿真工具的需求。IBIS 使得 SPICE 仿真選項(xiàng)顯得不那么重要，因?yàn)榉抡鏁r(shí)間大大縮短，并且擁有同樣的準(zhǔn)確度。我所說的 IBIS 仿真時(shí)間更短，是相對(duì)于一個(gè)大型 PCB 系統(tǒng)需要數(shù)天或數(shù)周時(shí)間來完成一次晶體管級(jí) SPICE 仿真而言的，其執(zhí)行一次 IBIS 仿真只需數(shù)分鐘或幾小時(shí)的時(shí)間。通過一次 IBIS 仿真，您可以生成許多傳輸線響應(yīng)和眼圖。

IBIS 格式已經(jīng)表明了其在高速應(yīng)用行業(yè)中的價(jià)值。然而，它讓我真正感到吃驚的地方是廣大客戶現(xiàn)在正要求提供對(duì)更低頻率器件(例如：低于 40 MHz 的時(shí)鐘器件)的 IBIS 支持。最初，我以為組件工程師們一直試圖標(biāo)準(zhǔn)化其校驗(yàn)表?，F(xiàn)在，我并不那么確定了。即使在更低頻率下，我們也面臨許多信號(hào)完整性問題，這是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)邊緣速率。這些快速邊緣速率負(fù)責(zé)振鈴的時(shí)鐘信號(hào)，從而引起一條命令甚至 ADC 突發(fā) 2 增益的錯(cuò)譯。IC 廠商擁有非常成熟的 SPICE 仿真宏模型，可用于精密器件，但是他們正緊跟我們的 IBIS 數(shù)字 I/O 模型庫。圖 1 描述了一個(gè) IBIS 模型仿真非常有效的例子。

圖 1 ADC 處理器時(shí)鐘信號(hào) (CH3) 和處理器上 ADC 的數(shù)據(jù)信號(hào) (CH12)。可在線獲取該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 中，設(shè)計(jì)人員并未注意線路阻抗。該圖顯示了系統(tǒng)中 ADC 的測得結(jié)果。ADC 和處理器均位于其各自的板上，設(shè)計(jì)人員只是簡單地通過一條 1 米長的 CAT-5 雙絞線將兩塊板連接到一起。在圖 1 中，處理器的時(shí)鐘信號(hào)頻率 (CH3) 為 2.25 MHz。該 ADC 使用這一信號(hào)來將數(shù)據(jù)傳輸同步回處理器 (CH2)。

最初，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為這兩個(gè)器件之間的慢時(shí)鐘速度不會(huì)引起端接問題。然而，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)端接方法會(huì)形成許多超出規(guī)定高電平和低電平閾值(過沖和下沖)的信號(hào)，存在錯(cuò)誤邊緣(振鈴)的信號(hào)并降低操作余量(弱化眼圖)的信號(hào)。

IBIS 仿真來幫忙!在您將電路實(shí)現(xiàn)為硬件以前可節(jié)省時(shí)間并降低成本。在進(jìn)行原型設(shè)計(jì)以前，您對(duì)某種設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真時(shí)，廠商提供的 IBIS 模型以及您電路板的模型都是您工具箱中有用的東西。信號(hào)完整性問題對(duì)您的高速系統(tǒng)和低速系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生影響。利用早期階段的仿真電路分析，您可以給您的系統(tǒng)施加許多不同的條件，以防止并檢測常見信號(hào)完整性問題。