對特性阻抗的一種淺顯易懂的解釋

        杭州PCB抄板公司-緯亞電子：抽象又復(fù)雜的數(shù)位高速邏輯原理，與傳輸線中方波訊號的如何傳送， 以及如何確保其訊號完整性（Signal Integrity），降低其雜訊（Noise）減少之誤動作等專業(yè)表達(dá)，若能以簡單的生活實(shí)例加以說明，而非動則搬來一堆數(shù)學(xué)公式與難懂的物理語言者，則對新手或隔行者之啟迪與造福，實(shí)有事半功倍舉重若輕之受用也。

　　然而，眾多本科專業(yè)者，甚至杏壇為師的博士教授們，不知是否尚未真正進(jìn)入情況不知其所以然？亦或是刻意賣弄所知以懾服受教者則不得而知，或是二者心態(tài)兼有之！坊間大量書籍期刊文章，多半也都言不及義缺圖少例，確實(shí)讓人霧里看花，看懂了反倒奇怪呢！

　　筆者近來獲得一份有關(guān)阻抗控制的簡報(bào)資料，系電性測試之專業(yè)日商HIOKI所提供。其內(nèi)容堪稱文要圖簡一看就懂，令人愛不釋手。正是筆者長久以來所追求的境界，大喜之下乃征得原著“問港建”公司的同意，并經(jīng)由港建公司廖豐瑩副總的大力協(xié)助，以及原作者山崎浩（Hiroshi Yamazaki）及其上司金井敏彥（Toshihiko Kanai）等解惑下，得以完成此文，在此一并感謝。并歡迎所有前輩先進(jìn)們，多多慨賜類似資料嘉惠學(xué)子讀者，則功在業(yè)界善莫大焉。

　　一 .將訊號的傳輸看成軟管送水澆花

　　1.1 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號線（Signal Line）中，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號的傳輸時(shí)，可將之假想成為軟管（hose）送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí)，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，豈非一種得心應(yīng)手的小小成就？

　　1.2 然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn)，不但騰空越過目標(biāo)浪費(fèi)水資源，甚至還可能因強(qiáng)力水壓無處宣泄，以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿臉豆花呢！

　　1.3 反之，當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結(jié)果。過猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

　　1.4 上述簡單的生活細(xì)節(jié)，正可用以說明方波（Square Wave）訊號（Signal）在多層板傳輸線（Transmission Line，系由訊號線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成）中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線（常見者有同軸電纜Coaxial Cable，與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等）看成軟管，而握管處所施加的壓力，就好比板面上“接受端”（Receiver）元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般（是五種終端技術(shù)之一，請另見TPCA會刊13期“內(nèi)嵌式電阻器之發(fā)展”一文之詳細(xì)說明），可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗（Characteristic Impedance），使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。

　　二. 傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）

　　2.1 由上可知當(dāng)“訊號”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn)，欲進(jìn)入接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作時(shí)，則該訊號線本身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務(wù)失敗白忙一場。用術(shù)語說就是正確執(zhí)行指令，減少雜訊干擾，避免錯(cuò)誤動作”。一旦彼此未能匹配時(shí)，則必將會有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈，進(jìn)而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。

　　2.2 當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí)，則終端控管的接地的電阻器（Zt）也必須是28ohm，如此才能協(xié)助傳輸線對Z0的保持，使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號的傳輸才會具效率，其“訊號完整性”（Signal Integrity，為訊號品質(zhì)之專用術(shù)語）也才好。杭州PCB|杭州smt

　　三.特性阻抗（Characteristic Impedance）

　　3.1 當(dāng)某訊號方波，在傳輸線組合體的訊號線中，以高準(zhǔn)位（High Level）的正壓訊號向前推進(jìn)時(shí)，則距其近的參考層（如接地層）中，理論上必有被該電場所感應(yīng)出來的負(fù)壓訊號伴隨前行（等于正壓訊號反向的回歸路徑Return Path），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統(tǒng)。該“訊號”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié)，即可想象其所遭受到來自訊號線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值（Instantanious Impedance），此即所謂的“特性阻抗”。

　　是故該“特性阻抗”應(yīng)與訊號線之線寬（w）、線厚（t）、介質(zhì)厚度（h）與介質(zhì)常數(shù)（Dk）都扯上了關(guān)系。此種傳輸線之一的微帶線其圖示與計(jì)算公式如下： 【筆者注】Dk（Dielectric Constant）之正確譯詞應(yīng)為介質(zhì)常數(shù)，原文中之...r其實(shí)應(yīng)稱做“相對容電率”（Relative Permitivity ）才對。后者是從平行金屬板電容器的立場看事情。由于其更接近事實(shí)，因而近年來許多重要規(guī)范（如IPC-6012、IPC-4101、IPC-2141與IEC-326）等都已改稱為... r了。且原圖中的E并不正確，應(yīng)為希臘字母 （Episolon）才對。

　　3.2 阻抗匹配不良的后果

　　由于高頻訊號的“特性阻抗”（Z0）原詞甚長，故一般均簡稱之為“阻抗”。讀者千萬要小心，此與低頻AC交流電（60Hz）其電線（并非傳輸線）中，所出現(xiàn)的阻抗值（Z）并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善，而控制在某一范圍內(nèi)（±10﹪或 ±5﹪）者，此品質(zhì)良好的傳輸線，將可使得雜訊減少而誤動作也可避免?！　〉?dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)（w、t、h、 r）有任一項(xiàng)發(fā)生異常，例如圖中的訊號線出現(xiàn)缺口時(shí)，將使得原來的Z0突然上升（見上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)），而無法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻（Continuous）時(shí)，則其訊號的能量必然會發(fā)生部分前進(jìn)，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動作了。下圖中的軟管突然被山崎的兒子踩住，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常，正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。

　　3.3 阻抗匹配不良造成雜訊

　　上述部分訊號能量的反彈，將造成原來良好品質(zhì)的方波訊號，立即出現(xiàn)異常的變形（即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的Overshoot，與低準(zhǔn)位向下的Undershoot，以及二者后續(xù)的Ringing；詳細(xì)內(nèi)容另見TPCA會刊13期“嵌入式電容器”之內(nèi)文）。此等高頻雜訊嚴(yán)重時(shí)還會引發(fā)誤動作，而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯(cuò)。

　　四. 特性阻抗的測試

　　4.1 采TDR的量測

　　由上述可知整體傳輸線中的特性阻抗值，不但須保持均勻性，而且還要使其數(shù)值落在設(shè)計(jì)者的要求的公差范圍內(nèi)。其一般性的量測方法，就是使用“時(shí)域反射儀”（Time Domain Reflectometry；TDR ）。此TDR可產(chǎn)生一種梯階波（StepPulse或Step Wave），并使之送入待測的傳輸線中而成為入射波（Incident Wave）。于是當(dāng)其訊號線在線寬上發(fā)生寬窄的變化時(shí)，則螢光幕上也會出現(xiàn)Z0歐姆值的上下起伏振蕩。

　　4.2 低頻無須量測Z0，高速才會用到TDR

　　當(dāng)訊號方波的波長（λ讀音Lambda）遠(yuǎn)超過板面線路之長度時(shí)，則無需考慮到反射與阻抗控制等高速領(lǐng)域中的麻煩問題。例如早期1989年速度不快的CPU，其時(shí)脈速率僅10MHz而已，當(dāng)然不會發(fā)生各種訊號傳輸?shù)膹?fù)雜問題。然而，目前的Pentium Ⅳ其內(nèi)頻卻已高達(dá)1.7GHz自然就會問題叢生，相較當(dāng)年之巨大差異，豈僅是霄壤云泥而已！ 由波動公式可知上述當(dāng)年10MHz方波之波長為： 　　但當(dāng)DRAM晶片組的時(shí)脈速率已躍升到800MHz，其方波之波長亦將縮短到37.5cm；而P-4 CPU之速度更高達(dá)1.7GHz其波長更短到17.6cm，則其PCB母板上兩者之間傳輸?shù)耐忸l，也將加速到400MHz與波長75cm之境界?？芍说确庋b載板（Substrate）中的線長，甚至母板上的的線長等，均已*近到了訊號的波長，當(dāng)然就必須要重視傳輸線效應(yīng)，也必須要用到TDR的測量了。

　　4.3 TDR由來已久

　　利用時(shí)域反射儀量測傳輸線的特性阻抗（Z０）值，此舉并非新興事物。早年即曾用以監(jiān)視海底電纜（Submarine Cable）的安全，隨時(shí)注意其是否發(fā)生傳輸品質(zhì)上的“不連續(xù)（Disconnection）的問題。目前才逐漸使用于高速電腦領(lǐng)域與高頻通訊范疇中。

　　4.4 CPU載板的TDR測試

　　主動元件之封裝（Packaging）技術(shù)近年來不斷全面翻新加速進(jìn)步，70年代的C-DIP與P-DIP雙排腳的插孔焊裝（PTH），目前幾已絕跡。80年金屬腳架（Lead Frame）的QFP（四邊伸腳）或PLCC（四邊勾腳）者，亦漸從HDI板類或手執(zhí)機(jī)種中迅速減少。代之而起的是有機(jī)板材的底面格列（Area Array）球腳式的BGA或CSP，或無腳的LGA。甚至連晶片（Chip）對載板（Substract）的彼此互連（Interconnection），也從打金線（Wire Bond）進(jìn)步到路徑更短更直接的“覆晶”（Flip Chip; FC）技術(shù)，整體電子工業(yè)沖鋒之快幾乎已到了瞬息萬變！

　　Hioki公司2001年六月才在JPCA推出的“1109 Hi Tester”，為了對1.7GHz高速傳輸FC/PGA載板在Z0方面的正確量測起見，已不再使用飛針式（Flying probe）快速移動的觸測，也放棄了SMA探棒式的TDR手動觸測（Press-type）的做法。而改采固定式高頻短距連纜，與固定式高頻測針的精準(zhǔn)定位，而在自動移距及接觸列待測之落點(diǎn)處，進(jìn)行全無人為因素干擾的高精密度自動測試。

　　在CCD攝影鏡頭監(jiān)視平臺的XY位移，及Laser高低感知器督察Z方向的落差落點(diǎn)，此等雙重精確定位與找點(diǎn)，再加上可旋轉(zhuǎn)式接觸式測針之協(xié)同合作下，得以避免再使用傳統(tǒng)纜線、連接器、與開關(guān)等仲介的麻煩，大幅減少TDR量測的誤差。如此已使得“1109HiTESTER”在封裝載板上對Z0的量測，遠(yuǎn)比其他方法更為精確。
　　實(shí)際上其測頭組合，是采用一種四方向的探針組（每個(gè)方向分別又有1個(gè)Signal及2個(gè)Gnd）。在CCD一面監(jiān)視一面進(jìn)行量測下，其數(shù)據(jù)當(dāng)然就會更為準(zhǔn)確。且溫度變化所帶來的任何誤差，也可在標(biāo)準(zhǔn)值陶瓷卡板的自動校正下減到低。

　　4.5 精確俐落大小咸宜

　　此款新上市的1109，不但能對高階封裝載板的CPU進(jìn)行Z0量測，且對其余的高價(jià)位CSP、BGA、FC等，也都能在游刃有余下完成逐一精測。其之待測尺寸更可從10mm×10mm的微小，一躍而至到500mm×600mm的巨大，劇變情勢下均能應(yīng)對裕如令人激賞。未來業(yè)界也許還要對Coupon以外的實(shí)際訊號線要求量測Z0，此高難度的TDR技術(shù)，目前亦正在研發(fā)中.

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