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2016-12-26 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網
本文假定讀者有一定的SI基礎,了解基本的ibis規(guī)范。另外,墻裂推薦先把下面幾篇文章看完再繼續(xù)。
1. 《I/O BufferInformation Specification》
https://ibis.org/ver6.0/ver6_0.pdf
2. 《一步一步學會創(chuàng)建IBIS模型》
http://wenku.baidu.com/view/fff2f335227916888486d75d.html
3. 《package model的那些事兒》
http://wenku.baidu.com/view/a5cb25a36294dd88d0d26b64.html
一、Ibis model與Package的對應關系
IBIS(I/O BufferInformation Specification)即輸入輸出緩沖器信息規(guī)范,是最常見的PCB級信號完整性仿真模型。與Spice等晶體管級緩沖器模型不同,ibis只描述IO的行為級電氣特性,不涉及IO緩沖器的底層結構和工藝信息(這是IC廠商的核心機密之一,不是能同穿一條內褲的關系,不給看的),避免了泄露知識產權信息的風險。Ibis模型相比spice模型有幾大優(yōu)勢,仿真占用的機時少,沒有spice的不收斂問題,大部分商用EDA仿真平臺都支持,使得其在SI仿真領域被廣泛應用。
圖1是典型的IBISDriver緩沖器模型,紅色部分是IO驅動部分的模型,藍色部分是package的RLC參數(shù)模型,這是本文討論的重點。圖中列出了package參數(shù)與實際封裝結構的對應關系,從中我們可以看出RLC對應了PBGA封裝結構中的Bonding wire、Substrate trace、Via、Solder Ball等結構,對于其他類型的封裝,其對應關系會略有不同。
圖1 IBIS模型及RLC參數(shù)與封裝的對應關系
SI經驗法則,當信號的傳輸延遲小于信號上升沿的1/6時,通?？梢杂?/span>RLC集總參數(shù)表示傳輸線特性,這一法則同樣適用與封裝結構。早期,信號頻率普遍低于100Mhz,上升時間大于1ns,遠大于封裝上的傳輸延遲,這時RLC集總參數(shù)已能準確表征封裝的寄生特性。但隨著信號頻率的提升和上升沿的縮短,RLC集總參數(shù)已經不能準確表征IC等著的寄生特性,業(yè)界開始使用更精確的模型來描述封裝參數(shù),常用的有RLGC參數(shù)、S參數(shù)等。RLGC模型包含了信號之間的耦合信息,更精確的反應了實際封裝結構的電氣特性。下面先介紹package model參數(shù),再介紹提取方法。
圖2 包含信號建耦合信息的Package model
二、Ibis package model
我們知道完整的ibis模型里有三組package參數(shù),分別用[Package]、[Pin]、[Packagemodel]三個關鍵字描述,一般在電路仿真中,默認調用優(yōu)先級[Package ]< [Pin] <[Package model],仿真精確程度也遵循同樣的規(guī)律[Package ]< [Pin] <[Package model]。
下面我們以鎂光內存顆粒的ibis模型為例,這里我們只討論L參數(shù),RC參數(shù)也遵循同樣規(guī)律,不再贅述。
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[Package]參數(shù)L_pkg有typ、min、max三個值,與[Pin]參數(shù)L_pin的關系是:L_pkg-typ=MEAN(L_pin),也即L_pkg的typ值是所有L_pin值的平均值;同理L_pkg-min=MIN(L_pin),L_pkg-max=MAX(L_pin)。
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[Pin]參數(shù)L_pin的值來自哪里,我們對比[Packagemodel]參數(shù)。我們知道[Package model]是矩陣,[Inductance Matrix]代表所有Pin腳信號的自感和互感。L_pin的值等于[Inductance Matrix]矩陣對角線上值,即自感;
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從以上我們知道所有的RLC參數(shù)最終都來自[Package model],那么[Package model]來自哪里?答案是仿真,就是我們前面提到的全波電磁場仿真。
IBIS模型中的[Package]、[Pin]、[Package model]參數(shù)
[Package model]的電感矩陣
[Package model]中的幾個參數(shù),如下:
==================================
[Resistance Matrix] Banded_Matrix
[Bandwidth] 0
…
[Inductance Matrix] Full_Matrix
…
[Capacitance Matrix] Sparse_Matrix
…
==============================
[Resistance Matrix]、 [Inductance Matrix]、[Capacitance Matrix]統(tǒng)稱RLC Matrix,直譯就是阻容感矩陣,其后面的參數(shù)Banded_Matrix(帶狀矩陣)、Sparse_Matrix(稀疏矩陣)、Full_Matrix(全矩陣)是指其不同的矩陣類型,不同的矩陣類型在數(shù)據(jù)存儲和運算的算法上有區(qū)別,可以優(yōu)化存儲空間、減少運算量,這里是在提醒仿真器調用相應的算法求解器,關于其詳細概念,可去網上搜索或去翻翻《線性代數(shù)》課本。另外,[Bandwidth]帶寬,此參數(shù)只有Banded_Matrix矩陣才有,其值為0代表矩陣帶寬為0,就是矩陣除了對角線上的元素外,其他元素值全為0,即只有自感(或自阻、自容),此參數(shù)常用于[Resistance Matrix],主要是由于的互阻一般要小自阻幾個數(shù)量級,可以忽略為0。如何得到Banded_Matrix、Sparse_Matrix、Full_Matrix,下面的仿真中再講。
三、怎樣得到package model
通過仿真得到封裝的寄生參數(shù)是最常用的方法,但和一般的SI仿真不同,由于封裝結構不是均勻的傳輸線,它包含了Bonding wire、Substrate trace、via、Solder Ball等結構,且缺乏完整的參考平面,普通的二維仿真已經不再適用,必須使用全波3D仿真才能等到精確的結果。業(yè)界已有成熟的工具可用、比如Ansoft、CST等。
首先,建立精確的仿真模型。包含兩個方面,一是準確的反映封裝結構的3D模型,如圖3;其次,是材料準確的電性參數(shù),包括結構中的導體(如金線bongding wire、銅trace和via,錫球等)和介質(如substrate、Solder resistor、molding compound等);
圖3 DDR4封裝結構及仿真模型
其次,是軟件的設置。主要包含以下幾個方面,一是軟件本身的設置,可以參考幫助文件。二是與仿真結果相關的參數(shù)設置。[Capacitance Matrix]電容矩陣的求解是靜態(tài)的,即Maxwell矩陣;[Resistance Matrix]、 [Inductance Matrix]有DC和AC之分,需要根據(jù)實際的情況選擇;另外,端口的設置,需要統(tǒng)一方向,這關系到提取參數(shù)的有序性,參考圖4。處理完以上設置,就可以運行仿真了。
圖4 電壓極性和電流方向
最后,仿真結果的后處理。原始結果RLGC矩陣,這里都是Full_Matrix,如圖5。通過設置耦合系數(shù),將低于自感(或自阻、自容)值一定比例的互感(或自阻、自容)消去,即可得到Sparse_Matrix;過濾系數(shù)設置成1,則得到[Bandwidth]帶寬為0的Banded_Matrix。
圖5 C矩陣Full_Matrix
圖6 RLGC矩陣過濾耦合系數(shù)設置
另外,還可以通過將電源地網絡設置成回流路徑,將RLGC矩陣降階,體現(xiàn)在package model里就是所有的電源地網絡對應的RLC值全為0;不降階的RLGC矩陣還可以用來做封裝級的PI、SSN等電源相關的仿真,降階的則只能用來SI仿真了。
最后,將處理完的數(shù)據(jù)導出,整理成符合ibis標準的格式如圖7。
圖7 [Packagemodel]模型參數(shù)
最后,將[package model]與IO的ibis模型打包,即可在電路仿真器里調用,如圖8。
圖8 電路仿真器調用ibis模型及其封裝模型的選擇
四、總結
本文粗略講解ibis模型中package model各參數(shù)的意義,并通過仿真和后處理方法得到各參數(shù)。RLGC模型是集總參數(shù)模型,適用的頻率范圍有限,有更高頻率的仿真要求,則推薦使用S參數(shù)模型。考慮到package與PCB的相互影響,高端的仿真,則推薦chip-pkg-PCB聯(lián)合仿真。
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