IBIS模型详解中文版

众所周知，一个IC器件的Buffer类型至少有两种：基本的输出或者I/O的Buffer和输入Buffer。一些复杂的器件也许有多种类型的Buffer。例如时钟输出端的Buffer的驱动能力比较强，相对而言地址和数据线的输出端的Buffer的驱动能力就差一些，同样对于一些不太重要的信号的输出端的驱动能力就更低了。现在的趋势是在IC器件内部使用尽可能少或者是单一类型的Buffer。器件的Buffer的作用是提高器件的驱动能力，同时还起到一个隔离的作用。如果器件的Buffer是单一的，这样所有的输出和I/O信号的I/V曲线都相同了，这也意味着IBIS模型的简化。但是在实际的操作中，一般不是单一类型的，即使是单一类型的Buffer，也不是IC所有的输出和I/O管脚的I/V曲线也是不尽相同的。因为每个管脚的输出电容、封装参数以及信号的功能都存在差异。然而我们可以将一些信号分到一些适当的Buffer类型里。具体的操作如下所述。

首先是按管脚的类型将输入管脚和输出或者I/O管脚分开。输入管脚只需要I/V曲线，不需要上升或下降时间的信息。在这基础上根据输入管脚的输入电容和封装参数加以区分，将具有相同的输入电容和封装参数的管脚分为一个集合。

对于输出和I/O管脚。一般情况下首先是根据这些信号的功能分类。然后再根据管脚的输出电容和封装参数分组。例如，对于一个微处理芯片的地址信号线，数据信号线和控制信号线要分为3类，接着将以上的3类根据不同的输出电容和封装参数再分为不同的组。

在创建IBIS模型之前，根据I/O Buffer的特性和结构确定要创建的IBIS模型的版本号。因为不同的版本号所支持的内容是有所区别的。同时一个模型可以代表一个具体存在的器件，也可以代表一个典型封装的器件系列。

实际上IBIS模型提供了3中模式。慢模式（驱动能力最弱，边缘变换最慢）、典型的模式和快模式（驱动能力最强，边缘变换最快）。这些工作的模式一般是以下几种情况所决定：

? 硅片的工作环境。如器件的功率和周围环境的温度。 ? 硅片的操作的限制。 ? 同步输出开关的数量。

2.1.2 数据列表的信息

当我们一旦完成了以上工作后，就开始需要一些具体的信息来创建器件的一个IBIS模型。有些具体的信息对于器件而言是整体性质的，直接填到IBIS文件的列表中；而有些条目则是用来做仿真的数据。一般而言创建者需要以下的信息：

? IBIS Specification：IBIS的说明信息（如IBIS的版本号）。

? Buffer Schematics：器件的Buffer的类型（如标准的CMOS推拉电路、漏极开路等）。 ? Clamp Diode and Pullup references：钳位二极管和上拉参考电平。对于一些器件而言钳位二极管

和上拉参考电平可能是不同的（一般是钳位二极管连接的电平要比上拉参考电平小一些），尤其是多电源供电的器件。

? Packaging Information：封装信息。IBIS模型需要的管脚名和信号名以及管脚名和Buffer类型的

对应关系列表。

? Packaging Electrical：封装的电气信息。主要包括器件管脚的封装信息。如R_pin、L_pin以及

C_pin。

? Signal Information：决定某些信号在创建IBIS模型可以忽略。如一些测试盘垫或者一些静态的

控制信号等可以忽略。

? Die Capacitance：器件的电容。这是由盘垫看进去的电容（C_comp参数）。

? VinL and VinH Parameters：一个完整的IBIS模型的输入和I/O Buffer的信息应该包括VinL 和

VinH参数。

2.2 数据的提取

作完了准备工作，就需要确定器件所需要的I/V曲线和转换时间（U/T曲线）数据了。对于输出和I/O管脚需要I/V曲线和rise/fall 时间的信息，而对于输入管脚 则只需要I/V曲线。

2.2.1 利用Spice模型

如果我们可以得到有关器件的HSPICE模型或者是其他可以使用的SPICE模型，那么可以使用S2ibis（一个可以将SPICE模型转换位IBIS模型的软件）提取有关Buffer的I/V和V/T的曲线数据。在没有SPICE模型或者是我们需要自己创建一个IBIS模型时，我们可以按照以下的一些方法进行数据的测量和校正，最终获得一个比较合理的IBIS数据模型。

2.2.2 确定I/V数据

为了确定所需的I/V数据，首先要了解Buffer的操作。分析Buffer的类型方案并且确定怎样将Buffer的输出变为逻辑低、逻辑高以及高阻状态。下面的内容将详细的做一介绍。

仿真的操作。对于器件的输出或者是I/O Buffer的典型的仿真示意图可以用图2.2.2表示。被测器件是一个标准的推拉3－state Buffer。 图2.2.2 I/V仿真的实例 图2.2.2_1 IBIS模型的示意图

其中DUT（Device Under Test）是被测设备。如图2.2.2所示所有的测量数据都是由Output Node（盘垫）处测得。对于图2.2.2_1所示的意义作一个简要的说明。框图1和2代表了标准TTL（BiCMOS或者是CMOS I/O Buffer）上拉和下拉的输出。框图3则是DC的I/V数据的获取，同时还代表了ESD或者是电压钳位。框图4展示了输出的转换时间（上升沿和下降沿的波形）。框图5则为从输出看到的pad和封装参数。C_comp电容代表了输出pad、钳位二极管和输入晶体管的总电容。那么对于封装参数则是管脚出线的电容、电感和电阻。那么对于输入的管脚只需要框图3和5就可以了。 输出Buffer和一个独立的电压源相连。当我们激活输入端时，就可以使得输出端得到我们所期望的输出状态（低、高或者是高阻），这样可以利用DC功能或者是传递函数分析功能扫描电压源的电压范围从－V到2* V同时记录下输出端的电流值。如果直流分析引起收敛的问题（也就是说我们使用DC功能测 量AC信号时出现的问题），那么我们需要使用AC或者是使用瞬态分析功能。电压源变为一个慢的线性变化（100mV/ms）驱动输出端，同时记录输出端的电压和电流值，这样I/U随时间变化的数据就得出了。 I/O Buffer的数据。对于一个I/O（3－stateable）Buffer需要4个I/V曲线来表征其特性，。其相应的4个关键词分别是：[Pullup]、[Pulldown]、[GND Clamp]以及[POWER Clamp]。4个曲线分别是：Pullup晶体管工作（输出为高电平）、Pulldown晶体管工作（输出为低电平）还有两个输出为高阻状态时的曲线。输出状态为高时，得到的数据则是形成[Pullup]的列表；在输出状态为低时，所得到的数据是用来形成[Pulldown]列表的数据。具体的信息如下表2.2.2－1所示。 表2.2.2－1 I/O Buffer的特性曲线 关键词 Pullup Pulldown 特性曲线 输出状态为高时的Pullup曲线 输出状态为低时的Pulldown曲线 备注 Buffer的上拉晶体管导通，电压范围为－V到2*V的数据。 其中V＝V－V Buffer的上拉晶体管导通，电压范围为－V到2*V的数据。 其中V＝V－V 在输出电压的数值小于GND的电压值时的I/V曲线。 GND Clamp 输出为高阻的曲线 POWER Clamp

输出为高阻的曲线

在输出电压的数值大于V的电压值时

I/V的曲线。

对于上述的4个曲线必须在3中情况下分别测量：最小工作电压值、典型的工作电压值和最大的工作电压值。所以这意味着我们最终得到的将有12条I/V曲线。

输出Buffer的数据。对于输出Buffer只需要2套数据曲线就可以了。一个是Pullup曲线；另一个就是Pulldown曲线。两个曲线的定义和前面的内容是一致的。因为输出管脚没有3态的模式，所以电源和地的钳位二极管的两个曲线就不需要晶体管的曲线区分了。

对于漏极开路或者是集电极开路的器件需要3个I/V曲线就可以了。3个曲线分别是：关键词[Pulldown]表示的曲线、关键词[GND Clamp]以及[POWER Clamp]。Pulldown的数据可以通过前面讲到的方法得出数据。对于[GND Clamp]和[POWER Clamp]，可以通过使得Pulldown晶体管截止，然后扫描输出端的电压和电流值。

输入Buffer的数据。当我们测量输入Buffer的数据时，我们可以使用同输出或者I/O Buffer的方法。当然我们必须将电压源放置在输入端。对于输入Buffer只需要[POWER Clamp]和[GND Clamp]的I/V数据。

电压的范围。在创建IBIS模型时，对于I/V曲线的数据取值范围是如何确定的呢？我们知道器件的输出管脚的信号电压值在0－V之间摆动。同时传输线在传输信号时，由于传输线的阻抗可能不匹配，所以

会出现信号的反射现象。我们考虑极端的情况：对于一个短路的传输线的最大的负反射发生时，理论上在传输线上看到的电压为－V；同时如果对于一个开路的传输线的最大的正反射发生时，理论上在传输线上

看到的电压值为2*V。所以我们将电压的范围确定为－V到2*V。然而值得注意的是，如果一个器件的

工作环境比较特殊下，那么该器件的输出可能超出该范围，所以I/V列表的数据限制还需要进一步扩展。例如我们考虑一个3.3V的I/O Buffer在一个多电源的系统中工作（3.3V/5V）。该器件的输出端可以在0到3.3V之间摆动，如果该输出端连接了一个工作电源为5V的器件，那么可能出现驱动端的输出电压超出3.3V。在这种情况下。我们需要将该器件的IBIS模型的电压范围由原来的－3.3V到6.6V扩展现在的－5V到10V。

我们知道半导体器件模型也许在整个电压的范围内不能被测量（尤其是在边缘的电压值），所以减小电压的扫描范围是可以接受的，然后我们利用线性的关系将数据进行外插，以达到我们所需要的电压范围。例如，如果我们需要得到一个5V供电器件的IBIS模型，IBIS的说明规定了电压的范围是从－5V到10V。我们也许选择的扫描范围为－2V到7V，然后在已经得到的数据的基础上外插值，就可以满足－5V到10V的电压范围了。

我们之所以对Pullup和POWER Clamp的数据被V减，是因为当器件的工作电压变化时，那么所测

得的数据的开始和终点会随着电压的变化而变化。上面所涉及到的电压范围是对于器件的典型工作电压值而定的。因为器件的工作电压的数值有一个浮动，那么怎样处理这种情况下的电压的范围的界定呢！下面就这个问题我们用一个例子说明。例如一个器件的工作电压为3.3V（典型值）。其工作电压的的说明为：3.3V＋/－10％（也就是说器件的工作电压的浮动范围由最小值3V到最大值3.6V）。因为器件的工作电压的典型值为3.3V，所以IBIS模型中的电压范围（在典型的情况下列表中的电压范围）为－3.3V到6.6V。那么对于最小的工作电压情况下，电压的范围调整为：－3.6V到6.3V；对于工作电压为最大值时，电压的范围调整为：－3V到6.9V。

2.2.3 边缘速率或者是V/T波形的数据的测量

提取上升和下降速率的数据。如果器件的输出转换波形（U/T曲线）可以看作是线性的变化，那么可以使用关键词 [Ramp] 将U/T曲线的特性描述为上升和下降的速率（dv/dt）。那么关键词 [Ramp]的数据是通过下面的步骤仿真得出的。这种情况适用于以下几个Buffer：标准的单个状态的Buffer、Push-pull TTL或者是CMOS Buffer等。具体的操作如图2.2.3所示。 图2.2.3 提取Ramp Rate数据的示意图

由图2.2.3可以知道，在外部接一个电阻，然后将电阻接V，就可以得出下降速率的数据。如果将电阻接

地，那么就可以得出上升速率的数据。所用到的电阻值是50欧姆。如果使用的阻抗值50不是欧姆，那么需要在IBIS文件中做一说明。

提取上升沿和下降沿波形的数据。如果器件的输出转换（两个状态的转换）波形具有明显的非线性，那么就需要 [Rising Waveform] 和 [Falling Waveform] 的数据来描述。

2.2.4 试验测量获取I/V和转换信息的数据

我们可以通过测量具体的IC器件的管脚数据来获取I/V和上升/下降的数据。所用到的试验设备如下描述：

? 可变的电压源。在输入电流或者是灌电流时都能够提供需要的稳定电压值。 ? 曲线跟踪器。

? 数字采样滤波器，同时要求示波器的带宽至少为4GHz。 ? 低阻抗的探针。例如FET探针。

? 一个模板或者是固定的设备用来测量AC和DC的数据。

? 如果可能最好是再具有一个热电子的冷/热板（如珀耳帖元件：用来调节温度），这样可以控制

器件工作的温度。

为了获取I/V曲线的数据，将被测设备安装在DC的固定设备上，并且将电源和地管脚同电压源连接。将设备固定在涂有热敏的冷/热板板上，这样我们就可以控制器件工作的温度，等器件的温度稳定在我们所期望的温度值，选择被测器件的一个输出管脚的输出为一个状态（高或者是低），在使用曲线跟踪器获取输出管脚的输出I/V的特性。

要获取Pullup和POWER Clamp相对于V的数据，需要将跟踪器的负参考端和被测设备的V相连，

同时将跟踪器的跟踪方式设为负的扫描方式。同理，为了获取Pulldown和GND Clamp的数据，将跟踪器的负参考端和被测设备的GND相连，并且使用跟踪器正向扫描方式。

值得注意的是，跟踪器也许不能扫描IBIS说明的电压范围。在这种情况下，模型创建者必须对剩余的数据进行推测估计。

为了获得上升/下降时间的数据，需要一个特定的测试固定设备或者是一个母板用来安装被测设备。测量上升/下降时间需要一个带宽不小于4GHz的示波器。考虑器件封装和容性负载对上升/下降时间测量的影响，要求使用阻抗非常高的探针，如1pf或者是更小，例如FET探针。探针的地回路应该小于0.5inchs（减小地回路地长度，就可以减小由于地回路所带来的电感，减小电感意味着减小了电路的Q值，那么就减小了过冲的影响 1[1]。），不要使用标准的6inch探针地回路。

2.3 数据的写入

在确定了一个器件的Buffer的I/V曲线和转换信息的数据后，需要将这些数据写入IBIS文件中。IBIS文件有一些特定的语法和说明。下面的内容涉及到怎样构建一个IBIS文件。

一个IBIS文件包含3个部分和一个可选的器件的外部封装说明。那么这3部分的内容具体如下。

1. 文件本身和器件的一些基本信息。

2. 器件的名字；管脚号、管脚名以及管脚的Buffer类型的对应关系（对于POWER、GND和NC

管脚不能定义Buffer的类型）。

3. 对于器件内部的每一个Buffer的特性描述；

2.3.1 IBIS文件的头信息

IBIS文件的第一部分包括了文件本身的一些基本信息。这部分所用到的关键词有如下2.3.1所示。

表2.3.1 IBIS文件的头信息表