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特性阻抗之诠释与测试


特性阻抗之诠释与测试 一. 前言 抽象又复杂的数字高速逻辑原理,与传输线中方波讯号的如何传送, 以及如何 确保其讯号完整性(Signal Integrity) ,降低其噪声(Noise)减少之误动作等 专业表达,若能以简单的生活实例加以说明,而非动则搬来一堆数学公式与难懂 的物理语言者,则对新手或隔行者之启迪与造福,实有事半功倍举重若轻之受用 也。 然而,众多本科专业者,甚至杏坛为师的博士教授们,不知是否尚未真正 进入情况不知其所以然?亦或是刻意卖弄所知以慑服受教者则不得而知, 或是二 者心态兼有之!坊间大量书籍期刊文章,多半也都言不及义缺图少例,确实让人 雾里看花,看懂了反倒奇怪呢! 二 .将讯号的传输看成软管送水浇花 2.1 数字系统之多层板讯号线(Signal Line)中,当出现方波讯号的传输时, 可将之假想成为软管(hose)送水浇花。一端于手握处加压使其射出水柱,另一 端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰好,而让水柱的射程正确洒落在目标区 时,则施与受两者皆欢而顺利完成使命,岂非一种得心应手的小小成就? 2.2 然而一旦用力过度水注射程太远,不但腾空越过目标浪费水资源,甚至还可 能因强力水压无处宣泄,以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱!不仅任务失 败横生挫折,而且还大捅纰漏满脸豆花呢! 2.3 反之,当握处之挤压不足以致射程太近者,则照样得不到想要的结果。过犹 不及皆非所欲,唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。 2.4 上述简单的生活细节,正可用以说明方波(Square Wave)讯号(Signal) 在多层板传输线(Transmission Line,系由讯号线、介质层、及接地层三者所 共同组成)中所进行的快速传送。此时可将传输线(常见者有同轴电缆 Coaxial Cable,与微带线 Microstrip Line 或带线 Strip Line 等)看成软管,而握管处 所施加的压力,就好比板面上“接受端” (Receiver)组件所并联到 Gnd 的电阻 器一般 (是五种终端技术之一, 请另见 TPCA 会刊第 13 期 “内嵌式电阻器之发展” 一文之详细说明) 可用以调节其终点的特性阻抗 , (Characteristic Impedance) , 使匹配接受端组件内部的需求。 三. 传输线之终端控管技术(Termination) 3.1 由上可知当“讯号”在传输线中飞驰旅行而到达终点,欲进入接受组件(如 CPU 或 Menomery 等大小不同的 IC)中工作时,则该讯号线本身所具备的“特性 阻抗” ,必须要与终端组件内部的电子阻抗相互匹配才行,如此才不致任务失败 白忙一场。用术语说就是“正确执行指令,减少噪声干扰,避免错误动作” 。一 旦彼此未能匹配时,则必将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹,进而形成反

射噪声(Noise)的烦恼。

3.2 当传输线本身的特性阻抗(Z0)被设计者订定为 28ohm 时,则终端控管的接 地的电阻器(Zt)也必须是 28ohm,如此才能协助传输线对 Z0 的保持,使整体 得以稳定在 28 ohm 的设计数值。也唯有在此种 Z0=Zt 的匹配情形下,讯号的传 输才会最具效率,其“讯号完整性” (Signal Integrity,为讯号品质之专用术 语)也才最好。 四.特性阻抗(Characteristic Impedance) 4.1 当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(High Level)的正 压讯号向前推进时,则距其最近的参考层(如接地层)中,理论上必有被该电场 所感应出来的负压讯号伴随前行(等于正压讯号反向的回归路径 Return Path) , 如此将可完成整体性的回路(Loop)系统。该“讯号”前行中若将其飞行时间暂 短加以冻结,即可想象其所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的 瞬间阻抗值(Instantanious Impedance) ,此即所谓的“特性阻抗” 。 是故 该“特性阻抗”应与讯号线之线宽(w) 、线厚(t) 、介质厚度(h)与介质常数 (Dk)都扯上了关系。此种传输线之一的微带线其图标与计算公式如下: 【笔者 注】Dk(Dielectric Constant)之正确译词应为介质常数,原文中之...r 其实 应称做“相对容电率” (Relative Permitivity )才对。后者是从平行金属板电 容器的立场看事情。 由于其更接近事实, 因而近年来许多重要规范 (如 IPC-6012、 IPC-4101、IPC-2141 与 IEC-326)等都已改称为... r 了。且原图中的 E 并不正 确,应为希腊字母 (Episolon)才对。

4.2 阻抗匹配不良的后果 由于高频讯号的“特性阻抗” (Z0)原词甚长,故 一般均简称之为“阻抗” 。读者千万要小心,此与低频 AC 交流电(60Hz)其电线 (并非传输线)中,所出现的阻抗值(Z)并不完全相同。数字系统当整条传输 线的 Z0 都能管理妥善,而控制在某一范围内(±10﹪或 ±5﹪)者,此品质良 好的传输线,将可使得噪声减少而误动作也可避免。 但当上述微带线中 Z0 的四种变量(w、t、h、 r)有任一项发生异常,例如图中的讯号线出现缺口时, 将使得原来的 Z0 突然上升(见上述公式中之 Z0 与 W 成反比的事实) ,而无法继 续维持应有的稳定均匀 (Continuous) 则其讯号的能量必然会发生部分前进, 时, 而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免噪声及误动作了。下图中的软管突然 被山崎的儿子踩住,造成软管两端都出现异常,正好可说明上述特性阻抗匹配不 良的问题。 4.3 阻抗匹配不良造成噪声 上述部分讯号能量的反弹, 将造成原来良好品质 的方波讯号,立即出现异常的变形(即发生高准位向上的 Overshoot,与低准位 向下的 Undershoot,以及二者后续的 Ringing;详细内容另见 TPCA 会刊第 13 期“嵌入式电容器”之内文) 。此等高频噪声严重时还会引发误动作,而且当时

脉速度愈快时噪声愈多也愈容易出错。 五. 特性阻抗的测试 5.1 采 TDR 的量测 由上述可知整体传输线中的特性阻抗值,不但须保持均匀性,而且还要使其 数值落在设计者的要求的公差范围内。其一般性的量测方法,就是使用“时域反 射仪”Time Domain Reflectometry; ( TDR )此 TDR 可产生一种梯阶波 。 (Step Pulse 或 Step Wave) ,并使之送入待测的传输线中而成为入射波(Incident Wave) 。 于是当其讯号线在线宽上发生宽窄的变化时,则萤光幕上也会出现 Z0 欧姆值的 上下起伏振荡。 5.2 低频无须量测 Z0, 高速才会用到 TDR 当讯号方波的波长 (λ读音 Lambda) 远超过板面线路之长度时, 则无需考虑到反射与阻抗控制等高速领域中的麻烦问 题。例如早期 1989 年速度不快的 CPU,其时脉速率仅 10MHz 而已,当然不会发 生各种讯号传输的复杂问题。然而,目前的 Pentium Ⅳ其内频却已高达 1.7GHz 自然就会问题丛生,相较当年之巨大差异,岂仅是霄壤云泥而已!由波动公式可 知上述当年 10MHz 方波之波长为: 但当 DRAM 芯片组的时脉速率已跃升到 800MHz,其方波之波长亦将缩短到 37.5cm;而 P-4 CPU 之速度更高达 1.7GHz 其波长更短到 17.6cm,则其 PCB 母板 上两者之间传输的外频,也将加速到 400MHz 与波长 75cm 之境界。可知此等封装 载板(Substrate)中的线长,甚至母板上的的线长等,均已逼近到了讯号的波 长,当然就必须要重视传输线效应,也必须要用到 TDR 的测量了。 5.3 TDR 由来已久 利用时域反射仪量测传输线的特性阻抗(Z0)值,此举并非新兴事物。早 年即曾用以监视海底电缆(Submarine Cable)的安全,随时注意其是否发生传 输品质上的“不连续(Disconnection)的问题。目前才逐渐使用于高速计算机 领域与高频通讯范畴中。5.4 CPU 载板的 TDR 测试 主动组件之封装(Packaging)技术近年来不断全面翻新加速进步,70 年 代的 C-DIP 与 P-DIP 双排脚的插孔焊装(PTH) ,目前几已绝迹。80 年金属脚架 (Lead Frame)的 QFP(四边伸脚)或 PLCC(四边勾脚)者,亦渐从 HDI 板类或 手执机种中迅速减少。代之而起的是有机板材的底面格列(Area Array)球脚式 的 BGA 或 CSP,或无脚的 LGA。甚至连芯片(Chip)对载板(Substract)的彼此 互连(Interconnection) ,也从打金线(Wire Bond)进步到路径更短更直接的 “覆晶” (Flip Chip; FC)技术,整体电子工业冲锋之快几乎已到了瞬息万变! 在 CCD 摄影镜头监视平台的 XY 位移,及 Laser 高低感知器督察 Z 方向 的落差落点,此等双重精确定位与找点,再加上可旋转式接触式测针之协同合作 下,得以避免再使用传统缆线、连接器、与开关等中介的麻烦,大幅减少 TDR 量测的误差。如此已使得“1109 HiTESTER”在封装载板上对 Z0 的量测,远比其 它方法更为精确。 实际上其测头组合,是采用一种四方向的探针组(每个方向分别又有 1 个 Signal 及 2 个 Gnd) 。在 CCD 一面监视一面进行量测下,其数据当然就会更为准

确。且温度变化所带来的任何误差,也可在标准值陶瓷卡板的自动校正下减到最 低。5.5 精确俐落大小咸宜


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