元器件模型通常包括IBIS模型和Spice模型。由于板级仿真只关心输出管脚经过互联系统到输入管脚的信号响应,同时IC厂家不希望泄漏器件内部详细的电路信息,且晶体管级Spice模型仿真时间通常难以忍受,所以IBIS模型在高速PCB设计领域逐渐被越来越多的器件厂家和信号完整性工程师所接受。
对于千兆位设备PCB系统的仿真,工程师经常会对IBIS模型的精确性提出质疑。当器件工作在晶体管的饱和与截止区时,IBIS模型缺乏足够详细的信息来描述,在瞬态响应的非线性区域,用IBIS模型仿真的结果不能像晶体管级模型那样产生精确的响应信息。然而,对于ECL类型器件,可以得到和晶体管级模型仿真结果很吻合的IBIS模型,原因很简单,ECL驱动器工作在晶体管的线性区域,输出波形更接近于理想的波形,按IBIS标准可以得到较为精确的IBIS模型。
随着数据传输速率提高,在ECL技术基础上发展起来的差分器件得到很大发展。LVDS标准和CML等使得千兆位信号传输成为可能。从上面的讨论可知,由于电路结构和相应的差分技术应用,IBIS标准仍然适用于千兆位系统的设计。已发表的一些IBIS模型在2.5GbpsLVDS和CML设计中的应用文章也证明了这一点。
由于IBIS模型不适用于描述有源电路,对于许多有预加重电路进行损耗补偿的Gbps器件,IBIS模型并不合适。因此,在千兆位系统设计中,IBIS模型只有在下列情况下才可以有效工作:
1.差分器件工作在放大区(线性V-I曲线)
2.器件没有有源预加重电路
3.器件有预加重电路但是没有启动(短的互联系统下启动预加重功能可能导致更差的结果)
4.器件有无源预加重电路,但是电路可以从器件的裸片上分离。
数据速率在10Gbps或以上时,输出的波形更像正弦波,这时Spice模型就更适用。
损耗影响
当信号频率升高,传输线上的衰减就不可忽略。此时需要考虑由导体串连等效电阻和介质并联等效电导引起的损耗,需使用有损传输线模型进行分析。
有损传输线等效模型如图1,从图中可以看出,表征损耗的是等效串连电阻R和等效并联电导G。等效串连电阻R是直流电阻和趋肤效应引起的电阻,直流电阻为导体本身的电阻,由导体的物理结构和导体的电阻率决定。当频率升高,趋肤效应开始作用,趋肤效应是当高频信号通过导体时,导体中的信号电流集中于导体表面的现象。在导体内部,沿导体截面信号电流密度呈指数衰减,电流密度减小为原来1/e时的深度叫趋肤深度。频率越高,趋肤深度越小,导致导体的电阻增加。趋肤深度与频率的平方根成反比。
等效并联电导G也称为介质损耗(DielectricLoss)。在低频时,等效并联电导与介质的体电导率和等效电容有关,而当频率升高时,介质损耗角开始起主导作用。此时介质电导率由介质损耗角和信号频率决定。