Разработка метода проектирования цифровых узлов радиотехнических систем с применением IBIS-моделей интегральных микросхем

• Автор: Лемешко, Николай Васильевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 132 с. : ил.

1. Анализ моделей и методов моделирования цифровых узлов радиотехнических систем
1.1. Анализ тенденций в проектировании современных радиотехнических систем
1.2. Математические модели в проектировании электронных средств
1.3. Анализ возможностей использования ІВІБ-моделей в проектировании цифровых узлов
1.4. Анализ специализированных макромоделей и ШК-моделей интегральных микросхем
1.5. Постановка задачи
2. Разработка метода проектирования ЦУ с использованием ІВІБ-моделей ИМС и нормированных электрических сигналов
2.1. Разработка методики использования нормированного сигнала и схем приведения к нормированному виду
2.2. Разработка идеальной внутренней логики для ІШв-моделей ИМС
2.3. Классификация ІВІБ-моделей буферов ИМС
2.4. Разработка ІВК-моделей буферов ИМС, управляемых нормированными напряжениями
2.5. Разработка математических моделей входного и выходного буфера ИМС
2.6. Разработка метода проектирования и методики моделирования ЦУ с использованием 1В18-моделей
2.7. Выводы
3. Разработка методик внедрения ШК-моделей в практику проектирования ЦУ РТС и определения характеристик ИМС на основе экспериментальных исследований
3.1. Разработка методики внедрения ІВІБ-моделей в практику проектирования ЦУ РТС
3.2. Разработка методики определения функций управления источниками тока в модели выходного буфера
3.3. Разработка методики моделирования диодов в схемах замещения буферов ИМС с учетом времени транзита носителей заряда
3.4. Разработка методики определения характеристик ИМС для построения ЮІБ-моделей на основе экспериментальных исследований
3.5. Определение характеристик ИМС на основе экспериментальных исследований
3.6. Выводы
4. Внедрение результатов работы в,практику проектирования цифровых узлов
4.1. Использование ІВI Э-мо дел си для моделирования помех в шинах питания
4.2. Внедрение результатов работы в проектирование функционального узла
4.3. Внедрение результатов работы в разработку конструкции печатного узла
4.4. Выводы
Заключение
Литература

Основной тенденцией в развитии радиоэлектронной, электронно-вычислительной техники, радиотехнических систем (РТС) является повышение скорости обработки информации. Вместе с тем, усложнение структуры цифровых устройств и узлов, входящих в состав радиотехнических систем, и требования по сокращению сроков проектирования и доводки аппаратуры приводят к необходимости вовлечения в процесс проектирования РТС средств автоматизации и развития новых методов, позволяющих существенно улучшить технико-экономические показатели процесса разработки электронных устройств.
Цифровые узлы (ЦУ) стали неотъемлемой частью практически любых электронных средств. В связи с постоянным ростом рабочих частот особое значение приобретает внутрисистемная и межсистемная электромагнитная совместимость (ЭМС), обостряется проблема обеспечения целостности сигналов. В условиях рыночной конкуренции стоимость конечного продукта зависит не только от затрат на производство, но и от трудоемкости и длительности проектирования. Важнейшим требованием является разработка такой конструкции устройства, которая обеспечивала бы его бессбойное функционирование.
Задача обеспечения целостности сигналов и электромагнитной совместимости на этапе проектирования цифрового устройства может быть решена на основе исследования его виртуального прототипа. Для этого должна быть построена модель ЦУ, точно отражающая свойства объекта проектирования с учетом влияния его конструкции.
В настоящее время наиболее перспективным для моделирования распространения цифровых сигналов на печатных платах является подход, основанный на использовании макромоделей интегральных микросхем (ИМС), построенных на базе IBIS (IBIS — I/O buffers information specification, или информационная спецификация буферов ввода/вывода). Этот направление предполагает формирование макромоделей ИМС в виде совокупности моделей их входных и выходных сигнальных цепей с учетом особенностей
использованных в ИМС схемотехнических решений.
IBIS-модели буферов ИМС, отражая электрические свойства входных и выходных каскадов, позволяют в ходе проектирования решить задачи анализа перекрестных помех, помех отражения, оценки режимов функционирования выходов ИМС с точки зрения возникновения колебательных процессов и явлений перерегулирования, а также качества захвата и удержания логического состояния входами ИМС. Использование IBIS-моделей ИМС в процессе автоматизированного проектирования ЦУ РТС позволяет проводить
моделирование электрических процессов с существенно меньшими вычислительными и временньми затратами.
В России развитию теории моделирования с использованием IBIS-моделей посвящены работы A.B. Савельева, А.ГТ. Леонова, А.Н. Исаева, Ю.В. Потапова. Из исследований в этой области в других странах следует выделить работы Б. Росса, Д. Дарена, В. Хаббса, А. Мурея, Д. Чена, Р. Ена, X. Клоса.
В работах этих авторов показано, что применение IBIS-моделей на практике дает возможность повысить эффективность процесса проектирования ЦУ РТС. Она определяется временными затратами, его трудоемкостью, количеством итераций по доработке изделия и др.
Проведенный анализ современного состояния развития теории IBIS-моделирования показал, что в данном направлений’ Іімеются вопросы, которые требуют дополнительной проработки и развития. В частности, одной из основні,ix проблем является потребность в обеспечении взаимосвязанного функционирования буферов в модели ИМС, что, как показала практика, необходимо для более полного анализа целостности сигналов в печатных узлах и большего приближения IBIS-моделей к физически существующим образцам ИМС.
На основании приведенного в'рамках диссертационной работы анализа развития IBIS-моделирования ИМС и использования IBIS-моделей в процессе проектирования ЦУ можно сформулировать цели и задачи диссертационной работы. Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования цифровых узлов как составной части РТС путем совершенствования IBIS-моделей ИМС, разработки нового метода проектирования ЦУ с использованием IBIS-моделей и методики практического применения IBIS-моделей в ходе проектирования ЦУ. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.
1. Проведен анализ логического и схемотехнического моделирования ЦУ в составе РТС, указано место IBIS в моделировании ЦУ, рассмотрены достоинства и недостатки IBIS-моделирования, сформулированы цель и задачи работы.
2. Предложены концепция и методика использования нормированных электрических
сигналов для моделирования раЬпространения сигналов внутри ИМС, разработаны

методы обеспечения взаимосвязанного функционирования моделей буферов ИМС в составе макромодели.
3. Разработано 17 новых “моделей, для которых возможно использование нормированных электрических сигналов и которые развивают IBIS-стандарт описания свойств буферов ИМС.
на резистор 144. Его номинал должен быть равен характеристическому сопротивлению линии, которое мы будем обозначать Z0. Если 114 = Z0, то в линии не будут возникать отраженные волны, и управляюіций.сигнал без искажений пройдет через линию, запоздав

при этом на заданное время задержки ТБ.
Поскольку второй вывод инвертирующий, то управляЕощий сигнал следует подавать на ключи буфера так, как показано на рисунке. При этом сигнал на втором выводе окажется сдвинутым на определенное время, и будет инвертирован относительно сигнала на первом выводе (неинвертирующем).
В рассматриваемой схеме замещения использован общий источник напряжения VI для выполнения операции инвертирования (оно, как и в других схемах, осуществляется путем вычитания из единицы управляющего сигнала). Это позволяет сократить число узлов в схеме
Сопротивления Ш, 112, Ю и 115 обеспечивают замкнутость, контуров для источников Е1, Е2, VI и ЕЗ соответственно. Стрелками на схеме показаны управляющие напряжения для ИНУН Е2 и ЕЗ. 'м
На схеме цифрами обозначены узлы и точки подключения к моделям выходных буферов. Схема замещения построена в предположении, что сигнал на инвертирующем выходе запаздывает относительно сигнала на неинвертирующем на некоторое время. В случае, если временной сдвиг между этими сигналами отсутствует, то схема упрощается, из неё исключаются линия задержки ТЬ и согласованное с ней сопротивление 144, а также 115. Сигнал из узла 1 подается одновременно в точки 1 и 4, а из узла 2 — в точки 2 и 3.
Если же сигнал на инвертирующем выходе опережает сигнал на неинвертирующем, то тогда схема остается той же, но узлы в ней следует подключать по-другому: узел 1 подключается к точке 4, 2 — к точке 3,3 — к2и4 — к точке 1. Замена в подключении, по сути, приводит к тому, что инвертирующий и неинвертирующий выходы
С < *
дифференциальной пары меняются местами.
Дифференциальный выход с третьим состоянием (3-з1а1е_(Ш1). Схема замещения дифференциального выхода с третьим состоянием показана на рис.2.21. Она почти совпадает с предыдущей схемой на рис.2.20, поэтому здесь мы отметим только их различия. Предыдущая модель не содержала пары ключей, обеспечивающих переход в третье состояние. Эти ключи, обозначенные на рис.2.21 как 8'У1 (на выносной схеме), обладают теми же свойствами, которые были рассмотрены выше для ключа 8У1 на рис.2.17 (одинаковая двухсторонняя проводимость и т.д.).