Особенности экспериментального определения динамических характеристик микросхем для построения IBIS-моделей

№ 1’2014
PDF версия
В статье рассматриваются особенности измерения динамических параметров цифровых интегральных схем для построения их IBIS-моделей. Дается краткое представление о назначении и возможностях использования IBIS-моделей, обозначаются стандартные динамические характеристики, требующие измерения. Предлагается модель оценки влияния частотных свойств пробников-делителей и осциллографов на отображение импульсных временных функций, основанная на энергетическом критерии. Приведен пример измерений динамических характеристик для микросхемы в составе кольцевого генератора импульсов.

Введение

Расширение функциональности радиоэлектронных средств (РЭС) достигается совершенствованием их аппаратной и программной части. Сложность используемых схемных решений уже давно не позволяет реализовывать большую часть РЭС на дискретных компонентах, и поэтому предпочтение отдается микроэлектронной технологии, особенно в сфере цифровой электроники.

Крупные фирмы, выпускающие РЭС широкого потребления, существуют в условиях жесткой конкуренции, заставляющей их оптимизировать процесс проектирования и жизненный цикл своей продукции. Проектные организации стремятся использовать передовую элементную базу, поскольку это позволяет создать более функциональные и качественные электронные устройства [1]. По этой причине рынок интегральных компонентов характеризуется не менее напряженной конкуренцией, требующей четкого сбережения коммерческой тайны.

С другой стороны, развитие микроэлектронной технологии сопровождается расширением номенклатуры цифровых интегральных схем (ЦИС), значительным усложнением их электрических свойств, повышением функциональности и рабочих частот [2]. Это обстоятельство привело к изменению содержания процесса проектирования. В частности, после концептуальной проработки устройства выполняется его логическое построение с использованием систем поведенческого моделирования, например, с применением языка VHDL [3]. Повышение рабочих частот стало причиной проявления проблемы целостности сигналов [4], решение которой достигается комплексом схемных и топологических мер.

По этим причинам возникла необходимость в разработке нового формата спецификации для интегральных компонентов, который отвечает требованиям полноты передачи информации об их электрических свойствах, не раскрывает схемных решений ЦИС и пригоден для непосредственного использования в средствах автоматизации, в частности, при анализе целостности сигналов. Таким форматом стал IBIS (Input/Output Buffer Information Specification), данные которого гармонично дополняют представляемые изготовителями ЦИС справочные сведения.

Модели, формируемые в системах автоматизации проектирования (САПР) на основе этого формата, получили название IBIS-моделей. Их используют преимущественно при электрическом моделировании линий передачи на печатных платах в целях анализа целостности сигналов. Данные для построения спецификации в IBIS-формате могут быть получены экспериментально либо с применением полных моделей ЦИС. Первый метод предпочтителен и используется наиболее часто, поскольку не требует наличия труднодоступной информации и специальных вычислительных комплексов для моделирования полных схем ЦИС в целях извлечения требуемых параметров.

Одним из центральных вопросов в сфере экспериментального построения IBIS-моделей является совершенствование методов измерения динамических характеристик ЦИС, чему и посвящена настоящая статья.

 

Представление об IBIS-моделях и основах их использования

Спецификация в формате IBIS имеет жесткую структуру, что обеспечивает возможность ее автоматизированной обработки [5, 6]. На ее основе строятся модели, представляющие собой совокупность схем замещения входных и выходных каскадов ЦИС. Классическая теория IBIS предполагает, что сигналы на выходах формируются за счет внутреннего тактирования выходного каскада, а входные сигналы анализируются пользователем. Таким образом, IBIS-модели описывают только электрические свойства входных и выходных буферов, и этого вполне достаточно для анализа целостности сигналов.

На рис. 1 представлены схемы IBIS-моделей входного и выходного буферов ЦИС. Элементы C_pkg, L_pkg и R_pkg представляют собой физические характеристики вывода ИМС — емкость, индуктивность и активное сопротивление, C_comp — это обобщенная емкость буфера, отражающая его инерционные свойства.

IBIS-модель буфера ЦИС

Рис. 1. IBIS-модель буфера ЦИС:
а) входного;
б) выходного

Сопротивление Rn является нелинейным. Оно не входит в стандартную IBIS-модель, но бывает часто необходимо, так как моделирует входную вольт-амперную характеристику для данного типа логики (ТТЛ, ЭСЛ и др.). Для КМОП-логики сопротивление Rn не используется, так как токи затворных цепей МДП-транзисторов очень малы.

Диоды GND_Clamp и POWER_Clamp используются, например, в ЦИС на основе КМОП-логики. Если напряжение на входе или выходе выходит за интервал от 0 до напряжения электропитания +Vcc, то через один из диодов будет протекать ток. Эти элементы являются защитой от перенапряжения и способствуют гашению паразитных резонансных явлений, возникающих в элементах печатного монтажа.

Моделирование ЦИС выполняется путем введения в схему моделей буферов ЦИС, линий передачи и вспомогательных элементов. Паразитные связи элементов печатного монтажа обычно моделируются емкостями или взаимными индуктивностями.

Представленные модели буферов ИМС позволяют достаточно точно моделировать процессы передачи и приема сигналов при их трансляции линиями печатного узла, что и требуется для численного исследования целостности сигналов. Однако в обычном виде они не позволяют полностью моделировать даже элементарные логические единицы, поскольку не предусматривают связи между моделями буферов. Эта проблема решается совместным использованием поведенческих (логических) моделей и IBIS, а на уровне схемного моделирования она может быть решена на основе теории нормированных сигналов [5, 6].

Важно подчеркнуть, что применение IBIS-моделей не ограничивается решением проблем целостности сигналов. Оно расширяется возможностью анализа статических режимов, переходных процессов, помехоустойчивости и другими применениями.

 

Особенности экспериментального исследования динамических характеристик микросхем и требования к измерительным средствам

Стандарт, регламентирующий содержание IBIS-описания ЦИС [7], предписывает включать в его состав следующие динамические характеристики выходных буферов:

  • время нарастания/спада напряжения в интервале 20–80% его изменения при активной нагрузке выхода;
  • формы фронтов/спадов при использовании специальных нагрузочных схем.

Первые из отмеченных параметров характеризуют быстродействие ЦИС. При их измерении нагрузка может быть симметричной, нагрузочные резисторы могут подключаться одновременно к шине питания и заземления.

Формы фронтов и спадов описываются по точкам, и при использовании в САПР аппроксимируются кусочно-линейными функциями. Схема, используемая для их измерений, приведена на рис. 2. В ней учтены паразитные характеристики измерительной оснастки — емкость С и индуктивность L, которые рассматриваются как характеристики нагрузки, но не относятся к измерительным средствам. Опорное напряжение Vref выбирается в интервале питающих напряжений. Условия измерений в обоих случаях прописываются в спецификации, причем в [7] отмечается, что наилучшим случаем является отсутствие реактивной составляющей нагрузки выходных буферов. При составлении спецификации считается, что в ней указаны все параметры, влияющие на результаты измерений, причем эти параметры присваиваются только измерительной оснастке. Дополнительным параметром, который часто используется при моделировании элементарных ЦИС, но не приводится в IBIS-описании, является задержка распространения сигналов.

Схема измерений динамических параметров выходных буферов ЦИС

Рис. 2. Схема измерений динамических параметров выходных буферов ЦИС

 Основной особенностью измерения динамических характеристик ЦИС является то, что цифровые сигналы не следует рассматривать не как средство передачи логического состояния. Извлекаемой информацией является их форма, и поэтому она должна передаваться средствами измерений с минимальными искажениями. По этой причине основным требованием к используемым измерительным средствам является минимизация их влияния на результаты измерений. Для предъявления обоснованных требований к измерительному оборудованию, в первую очередь осциллографу, следует построить модель внесения погрешностей в исследуемый сигнал. Практика измерений в области IBIS показала рациональность использования пробников с делителями напряжения, чем достигается существенное снижение входной емкости, увеличение входного сопротивления, расширение полосы пропускания (до двух порядков) и уменьшение общего влияния на ЦИС.

Перед выполнением измерений пробники-делители проходят процедуру калибровки, которая заключается в настройке соотношения между регулируемой емкостью пробника С1 и входной емкостью С2 осциллографического канала (рис. 3). Она состоит в подаче на вход осциллографа прямоугольных калибровочных импульсов и регулировки С1 до достижения ими формы, минимально отличающейся от идеальной. Это соответствует равенству постоянных времени цепей R1C1 и R2C2. Далее это условие считается выполненным.

Модель для оценки погрешности, вносимой пробником и осциллографическим каналом

Рис. 3. Модель для оценки погрешности, вносимой пробником и осциллографическим каналом

На рис. 3 в качестве R1 и R2 обозначено активное сопротивление делителя и входное сопротивление осциллографа, индуктивность L характеризует положительную реактивность пробника. Частотные свойства пробника-делителя совместно с осциллографическим входом могут быть описаны комплексным коэффициентом деления, зависящим от частоты f:

Формула

Для упрощения дальнейшего анализа следует наделить осциллографический канал идеальными свойствами, в частности, следует считать, что все погрешности, не связанные с ограничением полосы пропускания, не оказывают значительного влияния на отображаемый сигнал. Частотные свойства осциллографического тракта, как отмечается в [8], могут быть описаны по аналогии с фильтрами нижних частот высоких порядков с гауссовой либо максимально плоской характеристикой. Поскольку современные приборы характеризуются минимальной неравномерностью частотной характеристики, то целесообразно остановиться на втором варианте и рассмотреть свойства осциллографа как фильтра нижних частот с характеристикой Баттерворта. Она имеет вид:

Формула

где m — порядок фильтра, fc — граничная частота фильтра по уровню –3 дБ (полоса пропускания осциллографа). Функция (2) не учитывает вариаций изменения фазы, однако это допустимо в приближенном анализе, поскольку гармоники импульсных сигналов с частотами, значительно превосходящими несущую гармонику, будут иметь небольшую амплитуду, а приращение фазы будет являться монотонной функцией частоты. Тогда полная передаточная функция будет иметь вид:

Формула

Рассмотрим последовательность прямоугольных импульсов g(t), являющуюся четной функцией времени с амплитудой A и длительностью, равной половине периода T, соответствующего частоте основной гармоники f1. Разложение такой функции в ряд Фурье [9] имеет только четные коэффициенты:

Формула

где n — номер гармоники, причем a0 = A. Для оценки искажения сигнала в схеме на рис. 3 целесообразно применить энергетический критерий. Для этого следует воспользоваться равенством Парсеваля [10]:

Формула

которое следует из равенства энергии сигнала и составляющих его гармоник.

Каждая гармоника с частотой fn = nf1 будет претерпевать ослабление до уровня . Соответственно, левая часть равенства (3) после прохождения сигнала g(t) через схему на рис. 3 станет меньше, что будет характеризовать его искажение. С учетом упрощения интегральной характеристикой погрешности, не учитывающей постоянную составляющую сигнала, будет являться функция:

Формула

где N — количество учитываемых гармоник, в пределе стремящееся к бесконечности, КД — номинальный коэффициент масштабирования пробника-делителя.

Для выполнения оценочных расчетов следует определиться с ориентировочными значениями параметров R1, R2, C2 и L в уравнении (2). Для современных осциллографов значение входных сопротивления R2 и емкости C2 составляют 1 МОм и порядка 15 пФ соответственно. Для пробника-делителя с коэффициентом преобразования 1:10 (КД = 10) сопротивление R1 составит 9 МОм. Значение индуктивности L лежит в интервале 2–50 нГн [7] в зависимости от качества изготовления измерительной установки и пробников. Примем L = 25 нГн. При столь малых реактивных характеристиках измерительной цепи квадратичным членом функции частоты в знаменателе (2), описывающем резонансные явления, можно пренебречь.

На рис. 4 представлены зависимости η(f1), построенные для значений полосы пропускания 100, 200, 350, 500, 1000, 2000 и 4000 МГц. Частота и погрешность отложены в логарифмическом масштабе для улучшения отображения графиков. При расчете учитывались 300 гармоник прямоугольного сигнала.

Зависимости погрешности от частоты следования прямоугольных импульсов для разных полос пропускания осциллографов

Рис. 4. Зависимости погрешности от частоты следования прямоугольных импульсов для разных полос пропускания осциллографов

В теории моделирования допустимой считается погрешность не более 10%. С другой стороны, в практике построения IBIS-моделей можно рекомендовать использовать методы и средства измерений, обеспечивающие погрешность порядка 1%, тогда точность результатов моделирования, вносящего собственные методические погрешности, будет значительно выше. Анализ представленных зависимостей позволяет установить, что в принятых приближениях погрешности не выше 10 и 1% достигаются при соотношении f1/fc < 0,47 и f1/fc < 0,047, что соответствует 2 и 21 гармонике в пределах полосы пропускания осциллографа. При этом следует помнить, что предложенная модель не учитывает ряда дополнительных погрешностей, присущих измерительной установке.

Полученные результаты подчеркивают важность правильного выбора средств измерений при экспериментальном построении IBIS-моделей.

 

Пример экспериментального определения динамических характеристик ЦИС

Перед выполнением основных измерений следует качественно оценить влияние выбора пробников на результаты измерений формы сигналов. Для этого можно использовать схему, приведенную на рис. 5а. Она содержит генератор испытательных импульсов И1-15, осциллограф R&S RTM2054 с полосой пропускания 500 МГц и четырьмя каналами, радиочастотный несогласованный разветвитель с четырьмя выходами. На один из его выходов устанавливалась согласованная нагрузка сопротивлением 50 Ом. Фотография измерительной установки приведена на рис. 5б.

Для сравнения были выбраны:

  • пассивный пробник R&S RTM-ZP10 с полосой рабочих частот до 500 МГц;
  • активный пробник R&S RT-ZS20 с полосой рабочих частот до 1500 МГц;
  • пассивный пробник PP016 фирмы LeCroy с полосой рабочих частот до 350 МГц.
Измерительная установка для сравнения пробников

Рис. 5. Измерительная установка для сравнения пробников:
а) схема;
б) фотография

 Генератор И1-15 формировал импульсы с длительностью и периодом около 75 нс и 10 мкс соответственно, что обеспечивало скважность не менее 130 и формирование широкополосного спектра. Согласно техническому описанию [11], формируемые импульсы имеют длительность фронта не более 0,25 нс, длительность среза не более 10 нс и выброс с амплитудой не более 3% установившегося значения с длительностью не более 10 нс.

Результат измерений представлен на рис. 6. Пробник R&S RTM-ZP10 подключался к каналу 1, активный пробник R&S RT-ZS20 — к каналу 2, пробник PP016 — к каналу 3. Все они работали в режиме с коэффициентом деления 1:10. Как видно из представленных осциллограмм, пробники R&S RTM-ZP10 и PP016 дают визуально одинаковую форму сигналов, однако для первого скорость нарастания и спада оказывается выше и обеспечивается лучшая детализация отображения за счет большей полосы. Сопоставление пассивного пробника R&S RTM-ZP10 и активного пробника R&S RT-ZS20 позволяет отметить значительно большую равномерность и лучшее приближение к паспортному описанию импульса во втором случае, что достигается за счет минимизации индуктивно-емкостных свойств пробника. В случае использования активного пробника на фронте сигнала виден перепад, в то время как в других случаях он не отображается.

Результат измерений при сопоставлении свойств пробников

Рис. 6. Результат измерений при сопоставлении свойств пробников

 Таким образом, правильный выбор пробников наряду с приборами и режимами измерений оказывает первостепенное влияние на правильность измерения временных параметров сигналов. Здесь можно рекомендовать использование активных пробников, обладающих лучшими частотными характеристиками.

Рассмотрим в качестве примера измерения динамических характеристик элементов 2И-НЕ в составе ЦИС К561ЛА7, выполненной по КМОП-технологии. Для их проведения был изготовлен кольцевой генератор импульсов со схемой, приведенной на рис. 7. Схема смонтирована на небольшом фрагменте монтажного поля с минимальной длиной соединений.

Принципиальная схема кольцевого генератора импульсов

Рис. 7. Принципиальная схема кольцевого генератора импульсов

 В приведенной схеме резисторы R1–R6 имеют сопротивление 10 кОм и служат для создания симметричной нагрузки выхода каждого логического элемента. Генерация импульсов выполняется при замкнутом ключе S1, в противном случае она блокируется. О включении генератора сигнализирует свечение светодиода VD1. Резисторы R7 и R8 имеют номинал 750 Ом. Выходное напряжение снимается с вывода 10 микросхемы. Схема кольцевого генератор позволяет измерять время нарастания/спада и формы фронтов/спадов, а также задержку распространения сигналов в единичном логическом элементе.

Измерительная установка

Рис. 8. Измерительная установка:
а) схема;
б) внешний вид

Схема и фотография измерительной установки приведена на рис. 8. Измеряемый сигнал снимался с выхода 10 микросхемы и подавался на вход осциллографа R&S RTM2054 через пробник R&S RTM-ZP10 с дополнительно подключенным заземлением. Форма генерируемого импульсного сигнала приведена на рис. 9. С использованием функции автоматических измерений измерены частота генерации, длительности фронта и спада по критерию изменения напряжения в интервале 20–80% его изменения, составившие соответственно 7,134 МГц, 11,8 нс, 8,8 нс. По частоте генерации может быть рассчитана собственная задержка для единичного логического элемента, в данном случае составляющая 23,4 нс.

Осциллограмма выходного сигнала кольцевого генератора

Рис. 9. Осциллограмма выходного сигнала кольцевого генератора

Форма фронтов и спадов измеряется по той же схеме. Здесь целесообразно использовать курсорные измерения для отсчета времени и напряжения. В качестве примера на рис. 10 показано курсорное измерение длительностей фронта и спада по отмеченному выше критерию. Для получения временной функции напряжения, описывающей фронт или спад, первый маркер устанавливается на его начало, и относительно него измеряются время и напряжение. Возможности синхронизации осциллографа R&S RTM2054 позволяют добиться устойчивого отображения фронтов и спадов даже для сложных, немонотонных сигналов.

Важно отметить, что точность измерений форм фронтов и спадов во многом зависит от точности установки временных и амплитудных курсорных линий, которая должна четко выдерживаться. Например, при небольшом намеренном сдвиге второго курсора, как это показано на рис. 10б, измеренное время спада составило 8,55 нс, в то время как точное его значение равно 8,8 нс. Наиболее простым способом устранить возможность ошибки при измерении скоростей нарастания и спада является использование автоматических измерений, предусмотренных в осциллографах серии R&S RTM.

Измерение длительности

Рис. 10. Измерение длительности:
а) фронта;
б) спада выходного сигнала кольцевого генератора при помощи курсорных измерений

 Представленный пример свидетельствует о том, что использование функции автоматических измерений осциллографов, в частности, R&S RTM2054, позволяет упростить и в значительной степени автоматизировать измерения динамических параметров цифровых микросхем, в том числе в целях построения их IBIS-моделей.

 

Заключение

Использование экспериментальных методов определения динамических характеристик ЦИС для построения их IBIS-моделей не допускает формальных подходов и требует тщательного подбора измерительного оборудования, в отдельных случаях — его дополнительного исследования. Погрешности, внесенные в IBIS-модель, могут проявляться при ее использовании с эффектом накопления, например вызывать ошибки в расчете переходных процессов при моделировании с использованием САПР. Это может стать причиной последующего критического нарушения целостности сигналов в экспериментальном образце РЭС, в то время как при моделировании оно выявлено не будет.

Таким образом, рассмотренные динамические характеристики следует получать с использованием измерительных средств и оснастки, в совокупности обеспечивающих минимальное влияние на исследуемые интегральные компоненты и характеризующихся допустимыми частотными ограничениями.

Литература
  1. Кечиев Л. Н., Шнейдер В. И. Современные проблемы обеспечения ЭМС и целостности сигналов электронных модулей быстродействующих цифровых электронных средств // Технологии ЭМС. 2004. № 4.
  2. Новожилов О. П. Основы цифровой техники. М.: Радиософт. 2004.
  3. Бибило П. Н. Основы языка VHDL. М.: Солон-Пресс. 2002.
  4. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ». 2007.
  5. Лемешко Н. В., Кечиев Л. Н. Моделирование цифровых устройств с использованием IBIS-описания интегральных схем. М.: МИЭМ. 2006.
  6. Лемешко Н. В. IBIS-модели интегральных схем в проектировании электронных устройств. Германия, Саарбрюкен: ИД LAMBERT Academic Publishing. 2013.
  7. IBIS-standart, ver. 6.0. 2013.
  8. МакТиг М. Оптимальная амплитудно-частотная характеристика осциллографа. 
  9. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа. 2003.
  10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука. 1974.
  11. Генератор испытательных импульсов И1-15. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Документ ГВ3.264.107 ТО. 1985.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *