原创 PCB设计中常用的信号完整性分析模型

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    在基于信号完整性计算机分析的PCB设计方法中，最为核心的部分就是PCB板级信号完整性模型的建立，这是与传统的设计方法的区别之处。 SI模型的正确性将决定设计的正确性，而SI模型的可建立性则决定了这种设计方法的可行性。在电子设计中已经有多种可以用于PCB板级信号完整性分析的模型。其中最为常用的有三种,分别是SPICE、IBIS信号仿真和Verilog-A。 

1. SPICE模型 

SPICE是一种功能强大的通用模拟电路仿真器。现在SPICE模型已经广泛应用于电子设计中，并且衍生出两个主要的版本：HSPICE和PSPICE，HSPICE主要应用于集成电路设计，而PSPICE主要应用于PCB板和系统级的设计。 

SPICE模型由两部分组成：模型方程式(Model Equations)和模型参数(Model Parameters)。由于提供了模型方程式，因而可以把SPICE模型与仿真器的算法非常紧密地联接起来，可以获得更好的分析效率和分析结果。 

采用SPICE模型在PCB板级进行SI分析时，需要集成电路设计者和制造商提供详细准确描述集成电路I/O 单元子电路的SPICE模型和半导体特性的制造参数。由于这些资料通常都属于设计者和制造商的知识产权和机密，所以只有较少的半导体制造商会在提供芯片产品的同时提供相应的SPICE模型。 

SPICE模型的分析精度主要取决于模型参数的来源(即数据的精确性)，以及模型方程式的适用范围。而模型方程式与各种不同的数字仿真器相结合时也可能会影响分析的精度。除此之外，PCB板级的SPICE模型仿真计算量较大，分析比较费时。 

2. IBIS模型 

IBIS模型最初是由Intel公司开发专门为用于PCB板级和系统级的数字信号完整性分析的模型。现在由IBIS开放论坛管理，并且成为了正式的工业标准(EIA/ANSI 656-A)。 

IBIS模型采用I/V和V/T表的形式来描述数字集成电路I/O单元和引脚的特性。由于IBIS模型无需描述I/O 单元的内部设计和晶体管制造参数，因而得到了半导体厂商的欢迎和支持。现在各主要的数字集成电路制造商都能够在提供芯片的同时提供相应的IBIS模型。 

IBIS模型的分析精度主要取决于I/V和V/T表的数据点数和数据的精确度。由于基于IBIS模型的PCB板级仿真采用查表计算，因而计算量较小，通常只有相应的SPICE模型的1/10到1/100。 

3. Verilog-AMS模型和VHDL-AMS模型 

Verilog-AMS和VHDL-AMS出现还不到4年，是一种新的标准。作为硬件行为级的建模语言，Verilog-AMS和VHDL-AMS分别是Verilog和VHDL的超集，而Verilog-A则是Verilog-AMS的一个子集。 

与SPICE和IBIS模型不同的是，在AMS语言中是由用户来编写描述元器件行为的方程式。与IBIS模型相类似，AMS建模语言是独立的模型格式，可以应用在多种不同类型的仿真工具中。AMS方程式还能够在多种不同的层次上来编写：晶体管级、I/O 单元级、I/O 单元组等。 

由于Verilog-AMS和VHDL-AMS是一种新的标准，迄今为止只有少数的半导体厂商能够提供AMS模型，目前能够支持AMS的仿真器也比SPICE和IBIS的要少。但AMS模型在PCB板级信号完整性分析中的可行性和计算精度毫不逊色于SPICE和IBIS模型。