高速电路信号完整性分析与方案设计书十.docVIP

第十章 信号完整性仿真分析模型 仿真设计可行性和有效性取决于模型的建立，本章在介绍SPICE仿真模型基本原理及其存在的主要问题的基础上，重点介绍IBIS模型原理和应用。 10.1 SPICE仿真模型原理与使用 10.1.1 SPICE模型概述 Spice(Simulation Program with integrated Circuti Emphasis)是一种通用电路分析程序，能够分析和模拟一般条件下的各种电路特性。 Spice的发展已有30多年的历史。20世纪60年代中期，IBM公司开发了ECAP程序。以此为起点，美国加州伯克利大学分校于60年代末开发了CANCER电路分析程序，并在此基础上，于1972年推出了Spice程序。1975年后，伯克利大学又相继推出了升级版。Spice源程序是开放的，能够迅速的进行扩展和改进，使得它的电路分析功能不断扩充，算法不断完善，元器件和模型不断增加和更新，分析精度和运行时间也得到有效的改善，因而成为工业和科研上电路模拟的标准工具。 Pspice是Spice家族的一员，其主要算法与Spice相同。它是美国Microsim公司于1984年推出的。随着版本的升级，Pspice的功能不断完善，具有高超的电路仿真能力。 10.1.2 SPICE的功能和特点 Spice程序能够代替面包板、示波器等整个电子实验室的功能，对复杂的电路与系统进行分析，这主要是由于Spice程序含有高精度的元器件模型。获取准确的器件模型参数对于电路分析和设计人员来说是非常重要的（但又是困难的）。Spice程序具有庞大的器件库。其中包括： （1）无源器件模型，如电阻，电容，电感，传输线等等； （2）半导体器件模型，如二极管，三极管，结型场效应管，MOS场效应管等； （3）各种电源，包括线性和非线性的受控源，如独立电压源、电流源，受控电压源、电流源等； （4）A/D, D/A转换接口电路以及数字电路器件库。 应用Spice程序，可以建立许多宏模型电路，这使得运算放大器、电压比较器等电路功能的模拟成为可能。应用Spice程序还可以进行多种电路分析，这些分析包括： 非线性直流分析（.DC）,计算电路的直流工作点； 线性小信号分析（.AC），分析电路的频率响应； 瞬态分析（.TRAN），确定电路的时域响应； 小信号电路直流传输特性分析（.TF）； 直流灵敏度分析（.SENSS）； 噪声分析（.NOISE），计算特定输出和输入节点的等效输出、输入噪声； 输出变量的付里叶分析（.FOUR）（与瞬态分析同时完成）； 温度分析（.TEMP）； 数字电路分析，包括电路的逻辑运算和延迟时间的计算； A/D, D/A转换电路的分析； Pspice程序与Spice程序和其他微机运行的Spice引伸版本相比，有以下特点： （1）提高了器件模型精度，增加了模型和器件的种类。 （2）具有激励信号波形编辑功能，可以将需要的激励信号波形编辑成以时间，频率等参数为变量的图形，以便进行电路分析。 （3）可输出曲线后外理程序（.Probe）。Probe可以协助用户快确地观察电路特性，并具有软件测量功能。Probe可以测量各种各样的基本电路特性和衍生的电路特性数据。利用曲线显示技术，Pspice可以得到任意电路节点和支路的电压、电流波形；可以显示出一些由记录数据所衍生出来的波形数据，如波特图、相位边界、迟滞图、上升时间等；可以定义多重窗口，在不同窗口显示不同信息，以利于电路特性比较，使用户能够轻松地出电路是否合乎要求。 （4）可进行数字模拟和数模混合模拟。Spice程序没有数字模拟功能，而Pspice有数模接口的IO电路，可以进行数模、模数信号转换，以及数字电路和数模混合电路的分析。 （5）以描述器件的物理性能的方程为出发点模型黑箱（Black box）法即是把器件看作黑箱，着眼于端口的工作特性，用它构成模型。这两种方法特点见表-1。实际上在实行模型化时，是将两种方法混合运用。表-1 两种建模方法的比较 物理法黑箱法不了解器件内部物理结构、性能无法实行模型化。不了解器件内部物理结构、性能时，可依端口特性实行模型化。各个参数与物理结构性能有密切关系。各个参数与端口参数有密切关系。参数值的计算方法和测量较为繁琐。参数值几乎可直接机械测得，精度受限。分析结果精度可能很高。分析结果可靠。SPICE模型作为电路级模型能够提供精确的仿真结果，但是SPICE模型却并不适合于板级仿真的需求，这是因为: 1、用SPICE模型作小规模的电路（几十到几百个元件）的仿真尚是可以考虑的，如果用来作板级仿真，从时间上来说是无法承受的； 2、由于SPICE模型需要详细的芯片内部的设计信息，所以出于可以理解的原因，半导体生产厂家不愿意提供芯片的SPICE仿真模型； 3、不同SPICE仿真