用测量验证IBIS模型

在日常仿真中，我们一直使用IBIS驱动程序模型。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的部分的测量结果。测量结果的一致性没有在10%的预期范围内，但仍然非常接近。我们介绍了一种简单的方法，将测量数据从范围带入HyperLynx仿真环境。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驱动器模型和传输线互连模型建立关键网络的简单模型，并评估性能。我们使用这些虚拟原型来探索路由拓扑和终止策略对最终性能的影响。

在任何电路仿真中，任何模型都有四个重要的优点，它们强烈影响模型的性能:

• 开路电压，或者叫Thevenin电压
• 输出源电阻或Thevenin电阻(有时上升沿或下降沿不同)
• 10-90或20-80的上升时间
• RX的输入门电容，称为C_comp

这些虚拟样机中的电路性能在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，在使用这些驱动器构建的任何电路中，电路板传输线的属性(如时间延迟、特性阻抗和一些损耗度量)也很重要。一般来说，驱动这些虚拟样机仿真的仿真引擎是非常精确的。人们关心的总是模型的质量。验证模型质量的唯一方法是构建评估工具，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，并直接比较范围内测量的波形与IBIS预测。

评核委员会

采用ATXMega64C3单片机作为控制器，SN74ACT十六进制逆变器作为测试部件，设计、制造和组装了一个简单的4层电路板。堆叠是信号和电源/地/地/信号和电源。图1显示了实际组装板的示例以及在4层板的外层两层上的电路布局。埋在地下的两层都用作地面。

图1所示。实际测试板(上)和外层两层路由(下)。

测量和仿真设置

使用Teledyne LeCroy HDO 9104 4 GHz带宽示波器进行测量，并使用Mentor Graphics HyperLynx获得仿真结果。图2显示了用电路板、电源、电缆和示波器设置的测量结果。

图2。实验室设备安装与评估板插入

HyperLynx还用于绘制来自两个源的数据，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复制测量数据来完成的。

将电压波形读入其绘图工具的HyperLynx文件格式如下:

测量范围跟踪的csv输出格式如下:

由于每个数据集有不同的时间T=0起始点，因此需要对组合图进行时移。示波器的零点是触发瞬间，而HyperLynx将输入刺激应用于驾驶员的时间指定为零。

为了将测量数据和模拟数据一起绘制，对范围数据的每个时间戳应用恒定的偏移量，使边缘对齐。这种方法允许对驱动器的输出特性进行准确的比较，但忽略了传播延迟。包括传播度量需要更复杂的设置，这超出了本文的范围。

这个过程是:

1. 导出一个虚拟HyperLynx电压vs时间文件
2. 记录作用域跟踪
3. 以csv格式导出
4. 导入到excel中
5. 模拟HyperLynx跟踪
6. 用游标测量HyperLynx中信号开启的开始时间
7. 在excel中调整测量信号的偏移量。
8. 将时间步长信息和测量电压信息复制并粘贴到虚拟HyperLynx文件中，并使用新名称保存
9. 加载到HyperLynx并与其他波形一起显示。

所有案例研究都使用相同的硬件和模型配置。硬件包括安装在pcb上的驱动IC，通过42”，52欧姆RG58同轴电缆连接到示波器。HyperLynx型号包括驱动器、同轴传输线和由电容器和终端电阻组成的示波器模型。图3显示了驱动器模型、传输线和示波器输入模型的模拟设置示例。

图3。HyperLynx模拟设置

测量概述

本研究的重点是驱动特性。目的是提取和比较驱动器的三个重要数字的优点，并比较具体的波形模拟和测量。

说明提取驱动器输出阻抗方法的电路如图4所示。模拟或测量进入开路的电压，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，驱动器的内部输出电阻和负载电阻，由范围提供。

进行了两项基本测量。

案例1:来自驱动器的稳定开路输出电压给出Thevenin电压。这是通过使用1 Meg输入到示波器来测量的。当稳态响应给出开路电压时，瞬态响应及其振铃也是对驱动器的所有特性、示波器的输入模型以及从电路板到驱动器的传输线的正确建模的有力考验。

案例2:驱动器对50欧姆负载的稳态响应是由于驱动器输出阻抗导致的驱动器电压降的度量。这也是测量驾驶员上升时间的好环境。

通用和特定供应商IBIS模型的比较

当为由多个制造商制造的部件选择模型时，通常需要在供应商提供的模型和适用于整个设备系列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系列中任何驱动程序的通用模型。

由于TI模型是该IC独有的，因此它提供了选择特定输出引脚(在本例中为5Y)的能力。所有三种模式分别在50欧姆负载和1 Meg欧姆输出的弱、典型和强角落情况下进行了模拟。例如，50欧姆比较的结果如图5所示。

图5。驱动负载为50欧姆时TI和通用IBIS型号的比较。

仿真结果表明，TI模型比一般的HyperLynx模型复杂得多，包括上升沿之前的小倾角和沿边缘可见的额外高频结构。表1比较了两种型号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性。

两种型号的Vout反映了该部件可接受的VCC水平范围(5V +-10%)。在所有拐角情况下，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

本案例研究模拟并测量了驱动器到示波器的1 Meg输入。图6显示了该电路的HyperLynx模型，包括指定的1 Meg欧姆电阻和示波器的17 pF输入电容。在HyperLynx模型中使用了无损传输线。其阻抗固定为50欧姆。对传输线的延时进行了调整，使仿真得到的振铃频率与实测结果一致。该传输线模型在三次模拟中均得到了应用。

图6。用于1Meg范围输入的HyperLynx模型

图7显示了用两种HyperLynx模型在典型情况下绘制的测量范围信号。两种型号的稳态输出电压为5.00 V，与实测信号相同。外部精密5v电源用于为电路板上的驱动器供电。

图7。测量数据与高z负载模型和使用外部精密5v电源为电路板供电的典型角落案例。

只有典型的拐角情况可以比较，因为它给出了5.00 V的稳态输出电压。这是未加载的，驱动器的Thevenin电压。

此测量的实际作用域屏幕如图8所示，仅用于与处理并导入到HyperLynx查看器中的内容进行比较。

图8。作用域屏幕截图显示了导入到HyperLynx中的测量数据，如图7所示。

当然，振铃是由于示波器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。测量到的峰值位于两种模型之间，这表明驱动器的测量输出阻抗略高于TI模型，略低于通用模型。这将在下面讨论。

案例研究2 -驱动50欧姆负载

本研究考察了实际驱动器输出信号进入50欧姆的输入阻抗示波器作为低阻抗负载的作用。使用5.00 V精密电源为电路板供电，与两种型号的典型角落情况相匹配。图9显示了测量数据与来自两种模型的典型角情况的模拟结果的图。

图9。以50欧姆示波器输入作为负载的测量和模拟数据。

当驱动50欧姆示波器输入时，没有来自示波器的反射，因此测量和模拟的上升时间是对被测器件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次上升次数。

被测信号的上升时间为10-90，为3.6ns，上升时间为20-80，为2.4ns。这是一个大约100兆赫的带宽。波形的形状与TI模型更接近，其初始倾角和滚转期间更大的舍入。被测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模型和实际板之间保持一致，这很可能是由于实际部分输出阻抗的变化。

每个测量过程的一个关键要素是态势感知。这意味着要意识到测量系统对测量的影响。示波器的4ghz带宽远高于信号的100mhz带宽。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进行一次10位测量。该瞄准镜的固有上升时间远低于测量的3.6 nsec的上升时间，并且在上升沿期间有60多个测点。范围测量应该对测量的信号上升时间没有影响。

RG58同轴电缆在2ghz下的插入损耗小于- 1db。缆绳对这个测量没有影响。这些都是任何测量的重要考虑因素。

总结

利用这种简单的方法测量开路响应和对50欧姆负载的响应，可以提取驱动器上升沿性能的三个重要指标。对于典型的极端情况，这些值是:

我们通常期望在模型中看到10%的准确度。输出阻抗变化超过80%的范围!测量值正好在TI模型和通用模型之间。这表明，选择源串联电阻来终止线路的准确度不能超过约+/- 20%。

然而，这种测量-模拟比较只适用于这部分，它的噪声边界非常大。可能在其他部分中，建模部分和测量部分之间的一致性要紧密得多。

即便如此，值得注意的是，这个特定的实际的、随机选择的组件的测量值与模拟值匹配得如此之好。它正好位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

这个项目建立了一种比较测量和模拟的方法。展望未来，我们希望将此方法应用于:

1. 测量负向边的输出阻抗和下降时间
2. 比较多个，名义上相同的单位从不同的供应商
3. 从其他驱动设备中提取优点数字。

作者(年代)传记

托马斯资助他持有科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado at Boulder)的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市理光美国公司的软件工程师，为软实时工业应用程序开发定制的Linux发行版。此前，他曾在诺克斯维尔的诺斯罗普·格鲁曼Remotec公司工作，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日期应用程序、混合微处理器/FPGA系统和控制系统中使用Linux。他喜欢使用硬件和软件，以及与航空有关的一切。

驾车阮是科罗拉多大学博尔德分校的一名研究生。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，他是足球和看球的狂热爱好者。

Eric Bogatin他是《信号完整性期刊》的编辑，也是Teledyne LeCroy信号完整性学院的院长。此外，他还是科罗拉多大学博尔德分校电子电气工程系的兼职教授。Eric通过对所有可用信息进行分类，并在signalintegrityjournal.com上找到最优质的内容来提高信噪比。

致谢

这项工作得到了Mentor Graphics和Teledyne LeCroy的部分资助。