PCB设计：仿真分析为什么需要IBIS模型

对于很多初学PCB设计的人员来说，高速信号是神秘的，设计人员可能更多关注的是怎么布局，怎么调整布线拓扑，怎么把信号走通，对信号仿真模型更是了解的不多。而对于初学仿真的小伙伴们，则可能从学习传输线开始，需要了解高速信号是怎么传输的，要学习反射，串扰，端接，匹配，损耗……然而，当我们真正准备仿真一个DDR信号质量时，却是从学会调用IBIS模型开始的。

我们在接到仿真项目时，总是免不了要向客户索要芯片模型。俗话说：巧妇难为无米之炊。没有米，是不可能做出香喷喷的米饭的，没有准确的芯片模型，我们的仿真就无法进行。 在仿真分析中，最常见的模型就是IBIS模型了。小编这篇文章不是要介绍怎么去使用IBIS，也不是要去阐述 IBIS是怎么得来的，只是先让初学者对IBIS有一个感性的认识。

进入正题。我们知道IBIS模型是行为级模型，它描述了芯片的输入输出状态，它不同于Spice模型，不会泄露芯片内部的电路结构。

首先，让我们来思考一下仿真分析为什么需要IBIS模型。

从根源说起。在数字电路中，芯片与芯片之间传输的是数字信号，数字信号是0、1这样的脉冲信号。完美的数字信号应该是图一这样的，它的上升时间和下降时间几乎为零

图一

但实际传输的信号，可能是图二这样的，或者是图三这样的

图 二 图 三

我们可以看到，上图这些信号都是幅值为5V的脉冲，频率为100M，但是它们的特点不一样。图二波形的上升沿很陡峭，图三波形的上升沿却很平缓。

实际应用中，我们使用的芯片也是这样，不同芯片输出的波形也不一样。它们不仅周期频率不同，上升时间、幅值也会不同。

先来了解一下芯片的构造。看来做为一名SI工程师，需要学习和掌握的东西还真不少。不光是关注传输线外部互连，还需要学习很多芯片知识。

我们姑且认为IC芯片由三部分组成： Core、Buffer和封装。Core是芯片内部的核心逻辑电路，工作电压较低，驱动能力也低。Buffer是终端接口电路，电源电压一般较高，驱动能力较强，是core和其他IC之间的连接桥梁，封装则是连接Buffer和外部器件的金线和管脚。芯片核心与核心之间的通信就是通过buffer、封装和传输线来完成的。Buffer和封装是外围电路能“看见”的部分。就是说芯片内的指令是由core来发出的，至于指令是以什么形式，以多高的电压来表现，这就要看 Buffer来发挥作用了。

说到Buffer，那么Buffer究竟是什么呢？就像传输线可以用分布模型RLGC来定义，Buffer也可以用一些等效电路来描述。IBIS里面的Buffer有Input Buffer，Output Buffer，Input/Output Buffer等类型。

下图就是Buffer和封装的等效电路，图四是Output buffer，图五是Input Buffer。这里要强调一下，下图是包含了Buffer和封装的，图四右边部分是封装等效电路。图五左边部分是封装等效电路。我们需要明白的是IBIS模型是考虑了封装的影响的。小编的模电学的不是很好，不想去详细分析这些器件是怎么工作的。

图四 图五

那么仿真时调用不同的IBIS模型有什么区别呢？我们调用实际的IBIS模型来仿真一下，看看仿真时调用不同的IBIS模型之间到底有什么区别。

首先来挑选几个不同的IBIS模型，加载一个上升沿，输出的结果如图六：

图六

上图这些上升沿的上升边陡峭程度不一样，对应的幅值也不一样。可见，调用不同的模型，同样是一个上升沿，会有这么多的表现形式。

我们再来看看接收端模型对信号有什么影响。驱动端加载一个上升沿，输入到输出之间的线很短，可以忽略传输线对信号的影响。终端调用了不同的Input模型，结果如下图七。

图七

仿真时，驱动端加载的是5V上升沿信号。接收端接收的电压有5V，3.3V。同样的输入，但是在终端接收的电压不一样。对于供电电压是3.3V的接收端器件，就算驱动电压是5V，它也会在保护二极管的作用下，最终电压被拉回到3.3V。而对于供电电压本来就是5V的器件，调用不同的Input buffer模型对信号波形的影响是比较小的。这里我们就明白了，为什么在仿真中，如果我们不能准确找到接收芯片模型，可以用类似的模型去替代。

通过仿真我们了解到，Buffer本身并不能产生信号波形，它本身是个被动器件，只是起驱动的作用。我们在仿真的时候自己会定义各种码型，码型只是定义一种逻辑关系而已，至于这种逻辑关系是以什么形式表现出来，就要看芯片的Buffer了。在仿真中，我们想要知道主控芯片输出的波形长什么样，那就要借助我们的IBIS模型了。

编辑：hfy