在日常仿真中，我们一直使用IBIS驾驶员模型。在这个项目中，我们比较了供应商提供的IBIS模型的预测结果、通用模型的结果和随机选择部分的测量结果。对度量的一致意见不在10%的预期度量范围内，但仍然非常接近。我们介绍了一种简单的方法，将测量数据从一个范围带入HyperLynx模拟环境。这使得直接比较更加容易。
许多系统设计的第一步是使用IBIS驱动模型和互连传输线模型建立简单的关键网模型并评估性能。我们使用这些虚拟原型来探索路由拓扑和终端策略对最终性能的影响。
在任何电路仿真中，任何模型的四个重要优点都强烈影响模型的性能:
- 即开路电压，或称戴维宁电压
- 输出源电阻或德维宁电阻(上升或下降边有时不同)
- 升温时间10-90或20-80
- RX的输入门电容，称为C_comp
这些虚拟原型中的电路性能很大程度上取决于这些特性，这些特性都内置在IBIS模型中。
当然，板传输线的特性，如延时、特性阻抗和一些损耗度量，在使用这些驱动器构建的任何电路中也很重要。一般来说，驱动这些虚拟原型模拟的模拟引擎是非常准确的。人们关心的总是模型的质量。验证模型质量的唯一方法是建立评估车辆，执行测量，并将模拟结果与测量结果进行比较。
我们描述了一个简单的评估板来测量驱动器的特性，并直接比较范围测量波形与IBIS预测。
评估委员会
以ATXMega64C3单片机为控制器，以SN74ACT Hex逆变器为测试器件，设计、制作和组装了一个简单的4层线路板。堆叠顺序为signal and power/gnd/gnd/signal and power。图1显示了实际组装板的示例和四层板的外两层的电路布局。埋在地下的两层都用作地面。
图1。实际测试板(上)和外部两层路由(下)。
测量和模拟设置
测量使用Teledyne LeCroy HDO 9104 4 GHz带宽示波器进行，仿真结果由Mentor Graphics HyperLynx获得。图2显示了测量设置与板，电源，电缆和范围。
图2。实验室设备设置与插入评估板
HyperLynx还用于绘制来自两个数据源的数据，这需要修改作用域的输出文件以匹配预期的格式。这是通过导出HyperLynx CSV文件作为虚拟模板，并从范围内复制测量数据来实现的。
HyperLynx将电压波形读取到绘图工具中的文件格式如下:
测量范围跟踪的csv输出格式如下:
合并图需要时移，因为每个数据集有不同的时间T=0起点。作用域的零点是触发时刻，而HyperLynx将输入刺激应用到驱动程序的时间分配为零。
为了将测量数据和模拟数据绘制在一起，对范围数据的每个时间戳应用恒定偏移量，以便边缘对齐。这种方法允许对驱动器的输出特性进行精确的比较，但忽略了传播延迟。包括传播度量需要更详细的设置，这超出了本文的范围。
这个过程是:
- 导出一个虚拟的HyperLynx电压vs时间文件
- 记录范围跟踪
- 导出csv格式
- 导入到excel中
- 模拟HyperLynx跟踪
- 用光标测量HyperLynx中打开信号的开始时间
- 在excel中调整测量信号的偏移量。
- 复制并粘贴时间步长信息和测量电压信息到虚拟HyperLynx文件中，并使用新名称保存
- 载入到HyperLynx和显示与其他波形。
所有案例研究都使用相同的硬件和模型配置。硬件由安装在pcb上的驱动IC组成，连接到一个用42”，52欧姆RG58同轴电缆连接的示波器。HyperLynx型号包括驱动器、同轴传输线和由电容和终端电阻组成的范围模型。图3显示了驱动器模型、传输线和用于作用域输入的模型的仿真设置示例。
图3。HyperLynx模拟设置
测量概述
本研究的重点是驱动特性。目的是提取和比较三个重要的数字驱动器的优点，并比较具体的波形模拟和测量。
提取驱动器输出阻抗方法的电路如图4所示。模拟或测量进入开口处的电压，模拟或测量进入负载电阻的电压。从这个简单的分压器电路中，可以提取驱动器的内部输出源电阻为
图4。等效电路的开路电压、驱动器内部输出电阻和负载电阻，由范围提供。
进行了两次基本测量。
情况1:从驱动器输出的稳定的开路电压给出了Thevenin电压。这是通过使用1meg对瞄准镜的输入来测量的。稳态响应给出了开路电压，瞬态响应的振铃也是对驱动器的所有特性、范围的输入模型和从板到驱动器的传输线的正确建模的强有力的测试。
情况2:驱动器进入50欧姆负载的稳态响应是驱动器中由于驱动器的输出阻抗而产生的电压降的度量。这也是测量驱动器上升时间的一个很好的环境。
通用IBIS模型和特定供应商IBIS模型的比较
当选择由多个制造商生产的零件的型号时，通常需要在供应商提供的型号和适用于整个设备家族的通用版本之间进行选择。第一步是比较TI专门为SN74ACT14PWR部件提供的模型的特性，与HyperLynx包含的适用于74ACTXX家族任何驱动程序的通用模型。
由于TI模型是该IC唯一的，它提供了选择特定输出引脚(在本例中为5Y)的能力。所有三种模式都模拟了弱、典型和强拐角情况，负载为50欧姆，输出为1梅格欧姆。例如，50欧姆的比较结果如图5所示。
图5。TI和通用IBIS型号在50欧姆负载下的比较。
模拟结果表明，TI模型比一般的HyperLynx模型要复杂得多，包括上升边缘之前的小倾角和沿边缘可见的额外高频结构。表1比较了两种模型在所有驱动强度下的上升时间、加载和卸载输出电压以及计算输出阻抗的特征。
两种型号的Vout都反映了该部件的可接受VCC水平范围(5V +-10%)。在所有转角情况下，通用模型的输出阻抗都高于TI模型，而通用上升时间略低。
表1 - TI和通用IBIS模型的驱动特性
案例研究1 -高阻抗负载
本案例研究模拟和测量驱动进入1meg输入范围。图6显示了该电路的HyperLynx模型，包括指定的1 Meg Ohm电阻和17 pF的量镜输入电容。HyperLynx模型使用了无损传输线。它的阻抗固定在50欧姆。通过调整传输线的延时，使仿真的振铃频率与实测的一致。在所有三个模拟中都使用了这种传输线模型。
图6。1Meg范围输入的HyperLynx模型
图7显示了在典型拐角情况下用HyperLynx模型绘制的测量范围信号。稳态输出电压为5.00 V，两种模型的输出电压与实测信号一致。外部精密5v电源为单板上的驱动器供电。
图7。测量数据与高z负载模型和典型的角落情况下使用外部精密5v电源为板供电。
只有典型的角落情况可以比较，因为它提供了5.00 V的稳态输出电压。这是驱动器未加载时的戴维宁电压。
此测量的实际作用域屏幕如图8所示，只是为了与处理并导入到HyperLynx查看器中的内容进行比较。
图8。图7显示了导入到HyperLynx的测量数据的范围屏幕截图。
当然，振铃是由于范围输入的高阻抗和驱动器输出的低阻抗之间的阻抗不匹配造成的。测得的峰值位于两个模型之间，说明测得的驱动器输出阻抗略高于TI模型，略低于通用模型。下面将对此进行讨论。
案例研究2 -驱动50欧姆负载
本研究检查实际驱动器输出信号进入50欧姆输入阻抗的作用域作为低阻抗负载。采用精密5.00 V电源为单板供电，符合两款机型典型的转角情况。图9显示了带有典型拐角情况的两个模型的模拟结果与实测数据的关系。
图9。以50欧姆范围输入作为负载的测量和模拟数据。
当驱动50欧姆的范围输入时，没有来自范围的反射，因此被测和模拟的上升时间是被测设备上升时间的直接测量。使用HyperLynx内置的参数提取工具提取每个波形的20-80上升时间。
测量信号的10-90上升时间为3.6ns, 20-80上升时间为2.4ns。这是一个大约100mhz的带宽。波形的形状更接近于TI模型，它的初始倾角和滚滚期间更大的舍入。测量数据的负载输出电压(3.85V)介于两者之间，低于典型的TI模型。由于VCC在IBIS模型和实板之间保持一致，这很可能是由于实部输出阻抗的变化。
每个测量过程的一个关键元素是态势感知。这意味着要意识到测量系统对测量的影响。作用域的4ghz带宽远远高于信号的100mhz带宽。该瞄准镜的固有上升时间约为0.45/4 GHz = 0.11 nsec。测量的采样率为20 GS/s，或每50 psec一次10位测量。瞄准镜的固有上升时间远低于3.6 nsec的实测上升时间，上升边缘有60多个测量点。范围测量应该对信号的上升时间没有影响。
RG58同轴电缆在2 GHz以下的插入损耗小于-1 dB。电缆对测量没有影响。这些是任何测量的重要考虑因素。
总结
使用这种简单的方法测量开路响应和50欧姆负载下的响应，可以提取驱动器上升沿性能的三个重要优点。对于典型的角落情况，这些值是:
我们通常期望在模型中看到10%的精度水平。输出阻抗的变化范围超过80% !测量值正好介于TI模型和通用模型之间。这表明，选择一个源串联电阻来终止一条线路的精度不可能超过+/- 20%。
然而，这种测量-模拟比较只适用于这部分，其噪声裕度非常大。可能在其他部分中，建模部分和度量部分之间的协议要紧密得多。
即便如此，值得注意的是，这个具体的实际的、随机选择的组件的性能测量数字与模拟值匹配得如此之好。它介于供应商提供的两种型号和HyperLynx提供的通用型号之间。
未来的研究
该项目建立了一种比较测量结果与模拟结果的方法。展望未来，我们希望将这种方法应用于:
- 测量输出阻抗和下行负边的下降时间
- 比较来自不同供应商的多个名义上相同的单元
- 从其他驱动设备中提取性能指标。
作者(年代)传记
托马斯资助(2017年硕士)在科罗拉多大学博得分校(University of Colorado at Boulder)获得电气与计算机工程学士学位和电气工程硕士学位。他是科罗拉多州博尔德理光美国公司的软件工程师，为软实时工业应用开发定制Linux发行版。他此前曾在诺克斯维尔的诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman Remotec)担任机器人平台的嵌入式软件工程师。他的兴趣包括在低延迟硬截止的应用程序、混合微处理器/FPGA系统和控制系统中使用Linux。他喜欢与硬件和软件打交道，以及所有与航空有关的东西。
驾车阮是科罗拉多大学博尔德分校的研究生。主要研究方向为信号完整性，射频/微波/毫米波电路。工作之余，他非常喜欢踢足球和看足球。
Eric Bogatin是《信号完整性杂志》的编辑和Teledyne LeCroy信号完整性学院院长。此外，他是科罗拉多大学博尔德分校ECEE系的兼职教授。Eric通过整理所有可用的信息并找到最好的质量内容发布在signalintegrityjournal.com上，提高了信噪比。
确认
这项工作得到了Mentor Graphics和Teledyne LeCroy的部分资助。