原创 【转】电地完整性、信号完整性分析导论4

14.5. 建模仿真
14.5.1. 电磁场建模方法
SI分析中常用的电磁场建模方法如下表所示。包含场解析核的SI工具通常包含下面一种或者多种方法。了解下面基本方法将有助于SI工程师明了工具的强处和弱处，以及其应用范围。

1.  边界条件法（BEM）和矩量法（MoM），同一种方法不同的名字。
   a) 积分方程表达式
   b) 要求构造和复杂结构（PCB）的复杂度一致的格林函数。不太适合多项性的介质材料。
   c) 需要分解密集矩阵
2.  有限差分时域法（FDTD），一种对于任意几何形状均有效的通用目的和全能方法。
   a) 差分方程表达式
   b) 直接时域法求解Maxwell等式
   c) 计算量密集，未知吞吐量
   d) 无须矩阵求倒
3.  有限元法，一种对于任意几何形状均有效的通用目的和全能算法。
   a) Laplace/Helmholtz等式方程
   b) 计算密集型
   c) 稀疏矩阵
4.  部分元素等效电路PEEC法，MoM的一种简化和近似版本
   a) 准静磁场的积分等式方程

14.5.2. SI 分析工具
    一个优秀的SI工具应该包含以下关键组件：2D场解析核来提取单一/耦合传输线的RLGC矩阵；单一/耦合无损传输线仿真器；3D场解析核来求解邦定线，过孔，金属平面；驱动器和接收器的行为建模。他们应该以物理版图为输入，进行时域（时间和波形测量）和频域（阻抗参数和S参数）的后仿真。表14－1说明当前市场上主要的SI工具：
 
图14-1 主要的信号完整性工具

14.5.3. IBIS
    输入/输出缓冲信息规范是一个用来描述数字集成电路输入/输出（I/O）模拟行为的标准。IBIS利用统一的软件格式来描述核心行为信息。采用IBIS，仿真工具销售商可以在SI仿真时精确建模。
    随着工业竞争而来的芯片和封装设计工艺的改进导致需要新的描述性的模型来建模集成电路的驱动器和接收器。这些模型应该是和知识产权不相关的，并且在传输线和串扰以及电源/地弹等信号完整性分析时候能保证适当精度和仿真速度。
    数字I/O缓冲的仿真，以及芯片封装和印制电路板，可以用两种方式来完成。传统的方法是利用晶体管级模型，在小规模仿真时是有效的，仿真的目标是分析一些特定网络。这种方法在仿真大量缓冲和互连的时候非常的耗时间。晶体管级模型还会泄漏厂家的知识产权信息。作为对此的解决方案，器件的行为模型－IBIS模型就产生了[15]。IBIS模型数据可以的来源可以是测量也可以通过仿真得到。其仿真速度相对于晶体管模型仿真来说会快很多倍。而且行为模型不会泄漏任何设计工艺和其制造过程的细节和敏感信息，所以厂家的知识产权得到了保护。
    基于IBIS的行为化模型提供了直流的电压和电流曲线以及一系列的上升和下降时间驱动输出电压和封装的寄生参数信息。注意到除了稳态的IV曲线之外，IBIS模型并没有包含任何驱动器晶体管状态转变的直接信息。对于正确的SI仿真，提取晶体管瞬态转变信息是必要的。有一些出版物说明关于如何提取[16][17]。
 
图14－11 I/O缓冲的IBIS表示
    器件的IBIS行为模型描述如图14-11，提供缓冲关于电源和地钳位二极管I/V特性，输入和输出片上电容Ccomp和封装的特性（引线电感(Lpkg)，电阻(Rpkg)，和电容(Cpkg)）。