影响特性阻抗的主要因素分析

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特性阻抗之解 特性阻抗之解释与测试

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! 笔者近来获得一份有关阻抗控制的简报数据, 系电性测试之专业日商 HIOKI 所提供. 其 内容堪称文要图简一看就懂,令人爱不释手.正是笔者长久以来所追求的境界,大喜之下乃 征得原著"问港建"公司的同意,并经由港建公司廖丰莹副总的大力协助,以及原作者山崎 浩(Hiroshi Yamazaki)及其上司金井敏彦(Toshihiko Kanai)等解惑下,得以完成此文,在此 一并感谢. 并欢迎所有前辈先进们, 多多慨赐类似数据嘉惠学子读者, 则功在业界善莫大焉.《http://doc.guandang.net》

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?

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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

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配接受端组件内部的需求.

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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.

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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,为讯号质量之专用术语)也才最好.

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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示与计算公式如下:

【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.

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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,此质量良好的传输线,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 的四种变数(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)时,则其讯号的能量必然会发生部分前进,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,将造成原来良好质量的方波讯号,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,而且当频率速度愈快时噪声愈多也愈容易出错.

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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,则荧光幕上也会出现 Z0 奥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

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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, 其频率速率仅 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 …… 此处隐藏：3810字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……