Timing 分析模型篇

<本文以时序分析为思想，从而引出你要进行SI分析所要具备的一系列的条件，以及如何运用SPECCTRAQUEST 进行SI/EMI分析，以及对波形计算分析>
在SI的分析中虽然有像反射、串扰、地弹、时序(当然把时序归为SI分析有点勉强)的分析，但我认为最为关键的是时序的分析，因为对于使用CADENCE/SPECCTRAQUEST的分析工具，在时序的分析计算中，就可以把反射、串扰、地弹对飞行时间所造成的影响都考虑进去了。所以在对系统的SI分析中，只要你以时序分析作为主要分析链，并保持一定的time margin, 系统就能够按你所设计的速度正常运行。
模型篇
当然不管你要进行什么分析，一定得依赖于模型，对于模型又有以下最常见的几种：
SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）发展最早，在集成电路业界已成为模拟晶体管级电路描述的非正式标准。它基于晶体管和二极管特性参数建模，故运算量特别大，运算特别耗时（可能要几天），因此用户需要在仿真精度和运算耗时之间折中。SPICE模型一般不支持耦合线（或损耗线）的仿真，而这正是高速电路设计中信号完整性仿真的关键因素。所以在它的应用领域中，大多数只用于对电路原理方面的仿真，但对于像PCB板级仿真就显得力不从心了。 IBIS（Input／Output Buffer Information Specification）模型是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准。它基于V－I曲线，对I／O Buffer快速建模，它提供一种标准的文件格式来记录诸如激励源输出阻抗、上升／下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应的系统级计算与仿真。IBIS是一个简单的模型，计算量小，速度快，精度高，已被广泛选用。但它也只用在像对于信号在传输线上传输的这样一个过程进行分析（如PCB、MCM）。对于像电路原理方面的仿真也就不适用了。 VHDL-AMS是针对模拟和混合信号行为的建模语言。它是一个相对较新的标准，还没有广泛的模型开发器基础，也不被很多模拟器支持。在它被广泛地用来作信号完整性仿真之前，模型仿真开发器方面还有很多工作需要完成。 Quantic EMC 是信号完整性和电磁兼容软件模拟分析工具，是西门子公司专用的电磁兼容分析工具。它可以很方便地进行信号完整性和电磁干扰的仿真，它的功能强大，效率高。 XTK是Viewlogic公司在高速系统设计领域研发的高性能信号完整性分析工具，它可以准确地分析复杂的印刷电路板及由多块印刷电路板构成的系统的信号质量和传输线延时。XTK是一个串扰分析工具包，其中包含多种分析工具。 LineSim和BoardSim是HyperLynx公司（PADS Software的子公司）开发的仿真工具。LineSim用在布设设计以前约束布线和各层的参数，设置时钟的布线拓扑结构，选择元器件的速率，诊断并避免信号完整性、电磁辐射及串扰等问题。BoardSim用于布设以后快速地分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。
但在当今的发展中，对于电路设计以及板级仿真，越来越被业界所公认的是SPICE和IBIS模型。对于IBIS 的优劣点也是比较明显的，如下文所述：
IBIS规范最初由一个被称为IBIS开放论坛的工业组织编写，这个组织是由一些EDA厂商、计算机制造商、半导体厂商和大学组成的。IBIS的版本发布情况为：1993年4月第一次推出Version1.0版，同年6月经修改后发布了Version1.1版，1994年6月在San Diego通过了Version2.0版，同年12月升级为Version2.1版，1995年12 月其Version2.1版成为ANSI/EIA-656标准，1997年6月发布了Version3.0版，同年9月被接纳为IEC 62012-1 标准，1998年升级为Version3.1版，1999年1月推出了当前最新的版本Version3.2版。
IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一个标准的IBIS文件中如何记录一个芯片的驱动器和接收器的不同参数，但并不说明这些被记录的参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型的仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际的仿真，需要先完成以下四件工作：
（1）获取有关芯片驱动器和接收器的原始信息源；
（2）获取一种将原始数据转换为IBIS格式的方法；
（3）提供用于仿真的可被计算机识别的布局布线信息；
（4）提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析计算的软件工具。
IBIS是一种简单直观的文件格式，很适合用于类似于Spice（但不是Spice，因为IBIS文件格式不能直接被Spice工具读取）的电路仿真工具。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。换句话说，销售商可以用IBIS模型来说明它们最新的门级设计工作，而不会给其竞争对手透露过多的产品信息。并且，因为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10～15倍的计算量。
IBIS提供两条完整的V－I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的曲线。V－I曲线的作用在于为IBIS提供保护二极管、TTL晶体管驱动源和射极跟随输出等非线性效应的建模能力。
一、由上可知，IBIS模型的优点可以概括为：
在I/O非线性方面能够提供准确的模型，同时考虑了封装的寄生参数与ESD结构； 提供比结构化的方法更快的仿真速度； 可用于系统板级或多板信号完整性分析仿真。 可用IBIS模型分析的信号完整性问题包括：串扰、反射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。IBIS尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细的仿真，它可用于检测最坏情况的上升时间条件下的信号行为及一些用物理测试无法解决的情况； 模型可以免费从半导体厂商处获取，用户无需对模型付额外开销； 兼容工业界广泛的仿真平台。
二、当然，IBIS不是完美的，它也存在以下缺点：
许多芯片厂商缺乏对IBIS模型的支持。而缺乏IBIS模型，IBIS工具就无法工作。虽然IBIS文件可以手工创建或通过Spice模型自动转换，但是如果无法从厂家得到最小上升时间参数，任何转换工具都无能为力 IBIS不能理想地处理上升时间受控的驱动器类型的电路（但在3.2的版本中有提供），特别是那些包含复杂反馈的电路； IBIS缺乏对地弹噪声的建模能力。IBIS模型2.1版包含了描述不同管脚组合的互感，从这里可以提取一些非常有用的地弹信息。它不工作的原因在于建模方式，当输出由高电平向低电平跳变时，大的地弹电压可以改变输出驱动器的行为。
虽然IBIS已经被业界大多数的企业所认同，而且也成为了工业的标准。但也有一些企业有不同的认识：
最近，IBIS模型联合体受到日本电子工业协会（EIAJ）半导体制造商的批评，他们认为， IBIS模型刻意简化了模型的某些方面，使之不能精确仿真摆率(Slew rate)、数字地对模拟地的干扰和复杂引脚结构的影响。EIAJ的建议是使用一个基于Spice的查表系统。
“IMIC”集成电路I/O接口模型(Interface Models for Integrated Circuits)，建立了电源线、地线和连接器引脚/引脚之间的RLC网络模型。尽管IMIC是一个简化的查询表格，但是多数权威人士认为，它能提供更为精确的信号异常的描述方法，如数字地对模拟地的干扰。
EIAJ的异军突起令IBIS联合体进退两难，把EIAJ模型融合到IBIS模型兼容？让下一代IBIS标准逼近EIAJ的思路？或者干脆让半导体和EDA工具供应商来决定应该给顾客提供何种模型？在今年2月SAN JOSE举行的DesignCon’99上将共同探讨这些问题。
有损集总负载 在深入研究三维(3D)内部互连结构的影响方面，Ansoft公司以“场论解决方案”而著称，它采用Maxwell电磁场方程对印制板走线、过孔、IC引脚和连接器引脚的金属互连的辐射模式进行计算。为计算涡流的大小，Ansoft的软件从金属互连的3D几何结构中提取一个RC网络模型。提取出来的模型重新定义一个3D金属互连结构，就像由许多RS或CS组成的网络回路一样。例如一个连接器引脚，在显微镜下就像纽约帝国大厦或香港中国银行大厦。这些RC网络可依次输入Spice仿真器来分析它们对信号时序的影响。
虽然说众说纷纷，但我认为让他们吵吧，因为无论如何，对于以上各个牛人和牛公司的说法，建议。而我使用的是CADENCE/SPECCTRAQUEST分析工具，因为在它的工具里面，有它自已的DML、IML语法、语言来描述模型，只要你熟悉DML、IML语法，你就可以对任何的模型作任何的描述，而且它也支持IBIS、QUAD的模型，所以对于我们使用者来说，以不变应万变。
既然大概地了解了各种模型的特点和应用的领域,下一步关心的当然是模型的来源和模型的正确与否。因为模型的来源和模型的正确与否这都意味着企业的开支，研发成本，以及分析的精度。
模型的来源有多种方法：
首先以芯片厂商提供为主要的来源。大多数厂商提供的模型也比较准确，所以如果能从这个渠道获得，哪么研发部门也不用在这一步上花费付额外开销，但通常来说，这一步大多数要建立在双方有贸易上。 其次也可以向一些专门从事模型编写的企业获得。因为在现在的硬件开发流程中信号完整性越来越被重视，所以也诞生了这样一些以写模型的企业，虽然他们可能没有多大的规模。当然这一渠道是要付费的，但模型相对来说是比较准确的。 当然在网上也有一些免费获得的途径，但除了数量很少以外，模型也较为不准确，通常在高要求的设计中很少用到这一渠道。 最后，研发部门也可以建立自己的模型编写部门，既可以内也可对外供应。
当你得到了模型，也不定马上就可以用的，通常还要求有一个合适的模型检查工具，许多公司都提供了这方面的工具：
Cadence/model integrity工具，它是基于Windows平台的 IBIS模型编辑、它不但可以检查IBIS的语法错误，而且也可以以图形方式显示IBIS模型的V/I曲线； IBISCHK，是IBIS模型的语法分析器，用来检查IBIS模型的语法错误； S2iplt，此工具可以以图形方式显示IBIS模型的V/I曲线，它是属于UNIX版本的； S2IBIS，此工具可以将现有的HSPICE、PSPICE或SPICE3模型转换为IBIS模型； Visual IBIS Editor，是Hyperlynx公司开发的基于Windows平台的 IBIS模型编辑、语法检查及V/I曲线显示工具。