В статье рассматривается общая методика построения IBIS-моделей цифровых устройств на примере логического элемента НЕ и решается сопутствующая задача моделирования нелинейных емкостей, индуктивностей и сопротивлений. Далее проводится анализ адекватности моделей нелинейной индуктивности и емкости.
Развитие технологии производства цифровых интегральных схем (ЦИС) привело к возникновению новых методик их описания. Одним из наиболее распространённых стандартов описания ЦИС является IBIS-описание [1], которое основано на рассмотрении конкретной микросхемы как «черного ящика», для которого неизвестны внутренние схемотехнические решения. Такой подход выгоден фирмам-производителям, поскольку информация о технологии производства микросхем и их внутреннем устройстве является коммерческой тайной.
Такая система типа «черного ящика» имеет вполне определенное число входов и выходов, сигналы на которых связаны известными, как правило, функциональными зависимостями (Булевы уравнения и др.). Поэтому её можно моделировать, если для каждого входа и выхода определены вольтамперные и вольтфарадные характеристики. Они предоставляются организациям, разрабатывающим цифровые устройства, фирмами-производителями ЦИС с указанием номинальных, минимальных и максимальных значений токов, напряжений и емкостей. Такое описание ЦИС и называется IBIS-описанием.
На основании характеристик входов и выходов ЦИС и известных функциональных зависимостей осуществляется построение IBIS-моделей, которые используются при проектировании как цифровых схем, так и печатных плат для них. Это позволяет избежать использования моделей другого рода, которые строятся путём полного схемного моделирования ЦИС, что оказывается чрезвычайно сложным для современных микросхем даже при известной их схемотехнике.
Таким образом, процесс построения IBIS- модели ЦИС включает в себя следующие стадии:
1. Снятие вольтамперных (ВАХ) и вольтфарадных (ВФХ) характеристик входов и выходов ЦИС. При этом для входов снимается по одной ВАХ и ВФХ, а для выходов по две — для режима логического нуля и логической единицы. Снятие характеристик производится в лабораториях фирм-производителей ЦИС.
2. Построение модели ЦИС или её части. При этом, как правило, не учитывают функциональное назначение ЦИС, но обращают особое внимание на распространение сигналов внутри микросхем, паразитные параметры и др.
3. Обеспечение соответствия параметров моделей (ВАХ, ВФХ, времен задержек и пр.) полученным на практике зависимостям. При этом ВАХ и ВФХ, которые заданы по точкам, аппроксимируют функциями напряжения.
4. Проверка адекватности моделей путём сравнения результатов моделирования и эксперимента.
Мы рассмотрим методику построения простого цифрового устройства — элемента НЕ. Однако подход, изложенный выше, является универсальным, и в принципе применим для любой ЦИС.
Постановка задачи и её решение
Итак, пусть есть гипотетическая микросхема, которая состоит из одного логического элемента НЕ, и для неё требуется построить IBIS-модель. Будем считать, что для неё сняты зависимости IВХ = f(UВХ), IВЫХ = f0(UВЫХ), IВЫХ = f1(UВЫХ), т.е. входная и выходные ВАХ для режимов логического нуля и единицы, зависимости выходных емкостей на шину питания и на земляную шину от напряжений на этих емкостях, т.е. С1 = fc1(UПИТ - UВЫХ) и С2 = fc2(UВЫХ) и входной емкости СВХ = fc(UВХ). В общем случае эти зависимости заданы по точкам; под f, f0, f1 и т.д. здесь понимается подобранные аппроксимирующие функции. Данный подбор можно выполнять при помощи ЭВМ или вручную [2] путём масштабирования известных функций. Эти функции должны быть кусочно-непрерывными.
Пусть, кроме того, известно напряжение питания ЦИС UПИТ, время задержки рас TD, пороговое напряжение UПОР и функциональное описание устройства . На основе этих данных построим IBIS-модель устройства, которую можно было бы использовать при расчете в общедоступной программе WinSPICE 3.0.
Предлагаемая модель изображена на рис.1. Рассмотрим, как она работает. Пусть на вход подается цифровой сигнал в виде прямоугольных импульсов. Он подается на нелинейное входное сопротивление RВХ, параллельно которому включена нелинейная емкость СВХ. Нелинейность данных элементов (как, впрочем, и других, отмеченных на рис.1 стрелкой) означает, что их характерный параметр — емкость или сопротивление — зависят от напряжения на них.
Первый источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), обеспечивает независимость следующих за входными цепей от нелинейных входных элементов. Однако напряжение не меняется (в скобках указаны номера узлов, между которыми измеряются напряжения): U(3,4)=U(1,0). Первый ИНУН нагружен на линию передачи без потерь, причем волновое сопротивление линии и нагрузки линии одинаковы и выбраны равными 50 Ом. Линия обеспечивает задержку распространения сигнала, моделируя таковую в реальной ЦИС.
Далее следует следующая «развязка» в виде второго ИНУН. Сигнал, который снимается с этого источника, в точности равен входному сигналу, но только сдвинут во времени на TD.
К выходу второго ИНУН подключены четыре управляемых ключа. Ключи S1 и S2 замкнуты, если управляющее напряжение превосходит пороговое напряжение срабатывания. Если же напряжение меньше суммы порогового напряжения и некоторого напряжения U1, то открыты ключи S3 и S4. В промежутке от UПОР до UПОР+U1 ключи S1 и S2 отпираются, а ключи S3 и S4 запираются, причем их сопротивления меняются от очень больших значений до очень малых, либо наоборот, причем эти значения можно задать при описании моделей ключей.
В процессе переключения ключей в цепи питания течет сравнительно большой ток сквозной проводимости, характерный для ЦИС. Таким образом, при переключении ЦИС из состояния логической единицы в состояние логического нуля пара нелинейных сопротивлений R1 и R2 заменяется на R3 и R4. Сопротивление RДОБ моделирует наличие других каскадов с постоянным токопотреблением. Его можно измерить. Однако для элемента НЕ постоянное токопотребление мало.
Наличие емкостей C1 и C2 ведёт в реальной ЦИС к тому, что мгновенное переключение из одного состояния в другое невозможно. Этому же способствует и наличие входной емкости СВХ. Эти емкости составляют единицы пикофарад и заданы в виде соответствующих вольтфарадных характеристик.
Что касается сопротивлений R1 — R4, то их можно рассчитать из эквивалентной схемы выходного буфера ЦИС (рис.2). Пусть, например, требуется определить, как зависят R1 и R2 от напряжения на них, если известна зависимость UВЫХ = f(UВЫХ) и напряжение питания UПИТ. С учетом подключения к источнику питания ЦИС и других её каскадов однозначного решения данной задачи не существует, что следует из общей теории цепей.
Однако, если задать сопротивление R2 определённым образом и считать его постоянным, то можно определить зависимость сопротивления R1 от напряжения на нём. Можно показать, что для обеспечения выполнения зависимости UВЫХ = f(UВЫХ) сопротивление R1 должно определяться функцией вида
Задаваемое сопротивление R2 можно выбирать, исходя из величины сквозных токов, текущих в момент переключения через выходной буфер ЦИС. Из формулы (1) следует, что сопротивление R1 не превзойдет величины UПИТ/IВЫХ.
Рассмотрим на примере, как работает предложенная модель элемента НЕ. Для этого положим, что уровень логической единицы равен 3,5 В, логического нуля 0,5 В, пороговое напряжение 2 В, сопротивления и емкости постоянны (в целях упрощения). Время задержания распространения сигнала равно 0,1 мкс. Входное сопротивление логического элемента равно 10 кОм, сопротивление нагрузки равно 10 кОм. Ниже приведено описание модели и тестовой схемы на входном языке WinSPICE для проверки работоспособности модели.
Пример схемы
*Источник сигнала
Vs 1 0 PULSE(0.5 3.5 0 0.1E-7 0.1E-7 4.8E-7 10E-7)
*Сопротивление сигнальной шины
Rsignal 1 2 0.5
*Источник питающего напряжения
Vpit 3 0 DC 5
*Сопротивление шины питания
Rpit1 3 4 0.1
*Ссылка на подсхему, описывающую модель элемента НЕ
X1 2 5 4 log_ne
*Сопротивление нагрузки
RN 5 0 10000
*Далее следует описание модели
.subckt log_ne i o pit
*Входное сопротивление
Rin 0 i 10000
*Входная емкость
Cin 0 i 2E-12
*Первый ИНУН
E1 2 0 i 0 1
*Описание линии задержки
T1 2 0 3 0 Z0=50 TD=0.1E-6
*Сопротивление Rс
Rc 3 0 50
*Второй ИНУН
E2 4 0 3 0 1
*Описание ключей
S1 pit 12 4 0 smodel1
S3 9 o 4 0 smodel1
S2 pit 11 4 0 smodel2
S4 8 o 4 0 smodel2
*Описание модели управляемого ключа, открытого при Uвх>Uпор
.model smodel2 sw(RON=1E-7 ROFF=1E8 VON=2.01 VOFF=2.0)
*Описание модели управляемого ключа, открытого при Uвх<Uпор
.model smodel1 sw(RON=1E8 ROFF=1E-7 VON=2.0 VOFF=2.01)
*Описание сопротивлений делителей
R4 11 8 900
R5 8 0 100
R6 12 9 300
R7 9 0 700
*Описание выходных емкостей
C1 o 0 10E-12
C2 o pit 10E-12
.ENDS log_ne
*Задание на моделирование
.TRAN 1E-7 3E-6
*Вывод результатов
.PLOT TRAN V(1) V(5)
.PLOT TRAN ABS(Vpit#BRANCH)
.END
Ниже показан результат моделирования (рис.3). Здесь V(1) — напряжение, подаваемое на вход ИС, а V(5) — напряжение на её выходе. На рис.4 изображена зависимость тока в цепи питания от времени. Импульсы тока в цепи питания показывают, что при переключении ЦИС из одного логического состояния в другое токопотребление резко увеличивается, а затем — резко спадает, что означает течение в цепи питания токов сквозной проводимости. Именно эти токи, особенно при переключении одновременно многих ключей, могут привести к недопустимому понижению напряжения питания, если шина обладает существенной индуктивностью. Это можно наблюдать, если ввести в цепь питания индуктивность, величина которой при решении практических задач рассчитывается из топологии печатной платы, на которой устанавливается микросхема.
Итак, построенная модель логического элемента НЕ полностью функционирует.
Таким образом, мы рассмотрели общую концепцию построения моделей ЦИС на основе их IBIS-описания. Построенная модель, иллюстрирующая эту концепию, не отражает всех свойств реального элемента НЕ, в частности, разброс характеристик в зависимости от индивидуальных особенностей элементов, температуры и др. Эти и другие вопросы IBIS-моделирования требуют дополнительной, более существенной проработки.
Литература
1. Пауэлл Дж. Как разрабатывать IBIS-модели // Журнал “EDA EXPERT”, №10 (73), декабрь, 2002.
2. Рыбасено В.Д., Рыбасенко И.Д. Элементарные функции // «Наука», М., 1987.
Искренне Ваш, Главный научный сотрудник
P.S. Прошу подписываться на мой канал! Считаю, что мой опыт и научные достижения должны стать общедоступными. Только оригинальные статьи, собственные наработки!
