1、高頻傳輸線理論(High-Speed Transmission Line Theory)檢測(cè)部頻寬及信號(hào)完整性術(shù)語(yǔ)與說(shuō)明高頻傳輸線引言：CPU的速率由50MHz以上升到200MHz以上，連I/O週邊的速率也由33MHz提升至100MHz以上。原本扮演連接傳導(dǎo)的銅線、銅箔、導(dǎo)線等變成高頻傳輸線。這些傳線類似天線，會(huì)把流經(jīng)信號(hào)的能量耦合或輻射出去，造成電磁串音(訊號(hào)線之間的干擾)及EMI(對(duì)外界的干擾)、也有阻抗匹配的問(wèn)題等. . . ，以下將就高頻傳輸線的特性作討論與分析。基本單位1. 介電常數(shù)(e，Dielectric Constant): 介電常數(shù)定義為電力線密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的比值()，在di

2、electric material(一般用的塑膠)中，介電常數(shù)越小，電容的效應(yīng)越小，電磁波通過(guò)的速率越快，量測(cè)的方法如下:Dielectric Constant 一些常見(jiàn)物質(zhì)的介電常數(shù):MaterialDielectric ConstantAir1Glass4-10Oil2.3Paper2-4Polyethylene (PE)2.3Polystyrene (PS)2.6Porcelain5.7Teflon2.1LCP3.2Polyvinyl Chloride (PVC)3.54SPS2.9PCT2.722.87PPS3.83.9TPE2.12.32. Velocity：電磁波在介質(zhì)內(nèi)的傳遞速度

3、取決於介質(zhì)的介電係數(shù)permittivity,）及導(dǎo)磁係數(shù)（permeability, m）。如下式：在真空中Where & F/m H/m m/s可見(jiàn)電磁波在真空中是以光速在前進(jìn)。假如電磁波在介質(zhì)中傳播，我們必需知道介質(zhì)的相對(duì)介電係數(shù)（）及相對(duì)導(dǎo)磁係數(shù)（），以推算電磁波在介質(zhì)內(nèi)的傳遞速度。舉例而言，電磁波在SCSI Cable （TPO, = 2.3, =1）內(nèi)的傳遞速度為3. ave Length：l根據(jù) ，當(dāng)頻率愈高時(shí)，波長(zhǎng)愈短。若是實(shí)體長(zhǎng)度小於1/10波長(zhǎng)，則可忽略高頻所帶來(lái)的效應(yīng)。當(dāng)傳輸線接近1/4波長(zhǎng)便會(huì)有天線效應(yīng)產(chǎn)生。4. 導(dǎo)電係數(shù)(, conductivity)物質(zhì)導(dǎo)電的能力，

4、導(dǎo)電係數(shù)越大，電阻越小。相當(dāng)於機(jī)械方面的IACS係數(shù)。where R=resistance L=conductor lengthA=conductor area一些物質(zhì)的導(dǎo)電係數(shù)MaterialConductivity (S/m)MaterialConductivity (S/m)Silver6.17 * 107Fresh water10-3Copper5.80 * 107Distilled water2 * 10-4Gold4.10 * 107Dry soil10-5Aluminum3.54 * 107Transformer oil10-11Brass1.57 * 107Glass10-12

5、Bronze1 * 107Porcelain2 * 10-13Iron1 * 107Rubber10-15Seawater4Fused quartz10-17High-Frequency EffectsImpedance(阻抗) = Resistance(電阻) + Reactance(電抗)Reactance有兩種： Inductive reactance (XL = L) 感抗 Capacitive reactance (Xc = 1/C) 容抗低頻時(shí)：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低頻時(shí)，所量測(cè)(譬如用三用電表)到的是電阻。高頻時(shí)：resistance

6、很小，主要是reactance(電容及電感的效應(yīng))。故在高頻時(shí)，reactance就是指阻抗。Ohmic loss在高頻時(shí)，電流愈靠近導(dǎo)體周圍流動(dòng)，稱集膚效應(yīng)（skin effect），此乃導(dǎo)因在更高頻時(shí)，導(dǎo)體中心的inductive reactance增大，強(qiáng)迫電流流向周圍。所以，真正可用的導(dǎo)體面積縮小，導(dǎo)致電阻值增加，損耗增加。集膚深度(Skin depth):一般是指電磁波振幅衰減至0.368倍時(shí)的深度(電流密度是表面0.368倍的深度)。TABLE Skin Depth Of Copperfd60Hz8.5mm1kHz2.09mm10kHz0.66mm100kHz0.21mm1MHz2

7、.6mils10MHz0.82mils100MHz0.26mils1 mil = 0.001 inchDielectric loss在低頻時(shí)，介質(zhì)的導(dǎo)電率低，故其流經(jīng)的電流很小。然而，在高頻時(shí)，介質(zhì)內(nèi)會(huì)被導(dǎo)入電流而有損耗。Radiation loss電磁場(chǎng)散逸在空氣中或介質(zhì)而損失能量。也就是EMI中的輻射干擾(另一種是經(jīng)由電流影響其他裝置的傳導(dǎo)干擾)，這能量若耦合到其它裝置就造成干擾。若輻射損耗要小，則shielding要做好。高頻連接器的發(fā)展與規(guī)畫(一) 電氣特性的量測(cè) 目 的:測(cè)試產(chǎn)品的電氣特性是否達(dá)到客戶的要求主動(dòng)提供產(chǎn)品的電氣特性資料給客戶 電氣特性:Characteristic Im

8、pedancePropagation DelayCrosstalkSelf-inductance Self-capacitanceMutual-inductance Mutual-capacitanceAttenuationSkew .etc. 量測(cè)工具:時(shí)域反射儀 ( Time-Domain Reflectometry, TDR )網(wǎng)路分析儀 ( Network Analyzer, NA ) 阻抗分析儀 ( Impedance Analyzer )(二) 等效電路的建立 目 的: 提供連接器的等效電路, 以利客戶使用時(shí)的分析與 設(shè)計(jì)(Design-In) 等效電路:主要是SPICE Mode

9、l 模擬工具: MicroSim Pspice, 或其它SPICE 的商用軟體 (三) 電磁分析與產(chǎn)品設(shè)計(jì) 目 的:建立電氣分析與設(shè)計(jì)的能力, 改進(jìn)產(chǎn)品的電氣特性分析工具:Ansoft 軟體, 及其它商用軟體, 例如HP-HFSS, Contec, Cadence 軟體流 程:原始設(shè)計(jì)資料 電磁場(chǎng) 電氣特性(幾何形狀, 材料,等效電路 特性, 輸入, 輸出)(四)電磁干擾(EMI)與電磁相容(EMC)的量測(cè)與分析屏蔽效應(yīng) ( Shielding effectiveness ) 一些電學(xué)的基本元件1.電阻(R), 單位是Ohm_+vitime1.) 阻抗是固定的, 也就是電壓與電流的比值, 就是

10、電阻值R, 與頻率無(wú)關(guān)。2.) 電壓與電流是同相的(in-phase)。3.) ; L是長(zhǎng)度，是導(dǎo)電係數(shù)(conductivity)，A是截面積。2.電容(Capacitance, C): 單位是Farady, F_+Vi-Q+Q如果, 則 , , ()1.) 阻抗 (電壓與電流的比值) 是頻率的函數(shù), 頻率愈高阻抗愈小2.) 電壓與電流有一個(gè)相位差(out-of-phase), 電壓落後電流90度相位。time3.) 任何兩個(gè)金屬之間都存在一個(gè)電容。_3.電感(Inductance, L): 單位是Henry, H+Vi如果, 則 , , 1.) 阻抗 (電壓與電流的比值) 是頻率的函數(shù),

11、頻率愈高阻抗愈大,2.) 電壓與電流有一個(gè)相位差，電壓領(lǐng)先電流90度相位。time3.) 任何導(dǎo)體形成一個(gè)迴路時(shí)都可以是一個(gè)電感。4. dB 值dB值的觀念與定義均由 能量(Energy) 或 功率(Power) 的觀點(diǎn)出發(fā) ( Power等於Energy對(duì)時(shí)間的微分, 或單位時(shí)間輸出的能量 )，dB值重要處在於:1. 對(duì)數(shù)值顯示可以看更廣的範(fàn)圍。2. 儀器製造商以dB值來(lái)表示產(chǎn)品性能。3. 數(shù)值的乘除等於用dB值的加減，故用dB值可以方便計(jì)算。以上圖為例，某一個(gè)功率,Pout, 相對(duì)於一個(gè)參考輸入功率Pin的dB值等於: ,因此如果Pout是Pin的10倍, Pout的dB值就是10; 如果

12、是100倍, dB值就是20, 如果Pout是Pin的1/10, P的dB值就是 -10; 如果是1/100, dB值就是 -20。就電能而言, 因?yàn)殡娔芘c電壓V的平方成正比(), 因此Appendix:Basic useful properties of log functions5. 安培定律: 磁場(chǎng)方向: 電流方向當(dāng)電流在一導(dǎo)體上流動(dòng)，它周圍的磁場(chǎng)方向可用安培右手定則決定。安培定律說(shuō)明了時(shí)變的電場(chǎng)能感應(yīng)出磁場(chǎng)。6. 法拉第定律，又稱“感應(yīng)定律”V: 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì): 通過(guò)loop的磁通量通過(guò)loop的磁通量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致loop上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比於loop內(nèi)磁通量對(duì)

13、時(shí)間的變化率， ，法拉第定律說(shuō)明了時(shí)變的磁場(chǎng)能感應(yīng)出電場(chǎng)。高頻連接器的電氣特性1. Characteristic Impedance, Z : 特徵阻抗, W2. Propagation Delay, Tpd : 傳遞延遲, ns or ns/cm3. Crosstalk : 串音雜訊, % or dB4. Self Inductance, L : 自感, nH or pH5. Self Capacitance, C : 自容, nF or pF6. Mutual Inductance, Lm : 互感, nH or pH7. Mutual Cpacitance, Cm : 互容, nF or

14、 pF8. Attenuation (Insertion Loss) : 衰減, dB9. Shielding Effectiveness : 屏蔽效率, dB10. Clock Skew : 時(shí)脈不對(duì)稱, ns or ns/cmm: mili, x10-3m : micro, x10-6n : nano, x10-9p : pico, x10-12f : femto, x10-15 K: kilo, x103M: mega, x106G: giga, x109 一個(gè)假設(shè)性的連接器(For example, PCI connector)電氣規(guī)格Item RequirementCharacter

15、istic impedance(1ns rise/fall time) 40W Zo 60WPropagation delay(1ns rise/fall time) 150 psNear-end crosstalk(1ns rise/fall time) 10% Far-end crosstalk(1ns rise/fall time) 5%Self-capacitance 5 pFSelf-inducdance Noise Margin減低，系統(tǒng)抗雜訊的能力減低，電磁場(chǎng)的效應(yīng)浮現(xiàn)，易造成不穩(wěn)定。高速數(shù)位電路高速數(shù)位電路與低頻邏輯電路的最大差異:強(qiáng)調(diào)被動(dòng)元件的行為被動(dòng)元件包括電路板、連接器、

16、IC封裝，甚至是電路板上的一個(gè)穿孔。從電氣特性 (electrical performance) 而言, 一個(gè)好的高頻連接器 (high-speed connector) 必須能俱備下列特點(diǎn) : 1. Connector的特徵阻抗(characteristic impedance)非常接近PC板上信號(hào)線(PCB trace)的特徵阻抗, 以使電子信號(hào)的反射最小。2. 信號(hào)通過(guò)connector的所需的時(shí)間(propagation delay)必須控制於一定範(fàn)圍內(nèi)。3. 信號(hào)在通過(guò)Connector內(nèi)二相鄰端子時(shí), 其相互之間的串音雜訊(crosstalk noise)必須最小。 *以上Conn

17、ector的電氣特性均由端子與端子間的自感(self-inductance), 自容(self-capacitance), 互感(mutual inductance), 及互容(mutual capacitance)決定。波動(dòng)與波傳現(xiàn)像, Wave or Wave Propagation: 能量經(jīng)過(guò)介質(zhì)由A點(diǎn)傳遞到B點(diǎn)例子:水波繩波彈簧波彈性波(Elastic Wave)聲波(Acoustic Wave)電磁波(Electromagnetic Wave, EM wave)以繩波為例:波動(dòng)的幾個(gè)重要觀念: 1. 速度, v 2. 阻抗, Z 3. 反射與穿射電磁波的傳遞1. 在真空或空氣中 :

18、= 30 cm/ns2. 在介質(zhì)中 : e : 介電常數(shù) 3. 在傳輸線中 : er : 等效介電常數(shù)電磁波在傳輸線(transmission line)中傳遞時(shí), 會(huì)因?yàn)閭鬏斁€中特徵阻抗(characteristic impedance)的不連續(xù)或不匹配(mismatch), 而造成電磁波的部份反射, 產(chǎn)生雜訊(noise), 因此Connector 特徵阻抗的控制相當(dāng)重要。 電腦, 數(shù)位信號(hào) ( Digital Signal, 0與1 ), 與時(shí)鐘脈衝(Clock)1. 數(shù)位電腦或數(shù)位元件是如何工作的 ?傳遞延遲 （Propagation Delay）傳遞延遲為訊號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)物所需的時(shí)間。介

19、質(zhì)的介電常數(shù)（）與傳播速度息息相關(guān)。一般而言，介電常數(shù)愈低的介質(zhì)，訊號(hào)傳遞速度愈快，損耗愈小，如FEP cable、Teflon cableFigure. Propagation delay observed by oscilloscope波形不對(duì)稱(waveform skew)波形不對(duì)稱(clock signal or differential data signal)會(huì)成系統(tǒng)內(nèi)的電子元件不同步工作，造成不可預(yù)知的混亂。通常造成skew的主因是佈線路徑差異，不同路徑間會(huì)因?yàn)闀r(shí)脈信號(hào)的傳送路徑與相鄰線路間的互容(mutual capacitance)路徑上的穿孔(vias)、連接器、IC封裝接

20、腳等因素，造成信號(hào)的上升時(shí)間不同，而有波形不對(duì)稱的情形。可用時(shí)域反射儀(TDR)或示波器去觀察。Figure. Mask testing on an eye diagram2. 數(shù)位信號(hào), Risetime, 與頻寬(Bandwidth)時(shí)鐘脈衝(clock signal)的頻率: 66MHz, 100MHz, 120MHz, 133MHz, 200MHz, 266MHz，愈來(lái)愈高。給予數(shù)位IC一個(gè)工作頻率。理想化的數(shù)位信號(hào)或時(shí)鐘脈衝真實(shí)世界中的數(shù)位信號(hào)的上升時(shí)間 Risetime, Trise頻寬(Bandwidth): (1.) Rise Time 與 頻寬( Bandwidth, BW)

21、 的關(guān)係(Bandwidth : the highest frequency that is significant, 簡(jiǎn)單而言就是能確保訊號(hào)不變的最高頻率)BW( in GHz) * Risetime( in ns ) 0.35Example : Risetime = 1 ns, Bandwidth = 0.35 GHz or 350 MHzBandwidth = 1 GHz, Risetime = 0.35 ns or 350 ps 對(duì)於IC封裝接線、連接器或線纜，決定其所需頻寬是根據(jù)時(shí)脈(clock)信號(hào)的上升時(shí)間，而非時(shí)脈信號(hào)的頻率。頻寬越大，代表更高頻的訊號(hào)成份可以存在，使的一個(gè)脈波

22、訊號(hào)更接近方波=Rise time 減少。頻寬大的傳輸線，代表它可以承載較高頻訊號(hào)，有更高的資料傳送量。(2.) PC CPU Clock Frequency 與 Rise time, Bandwidth的關(guān)係T = 15 * Rise time T是週期，f是clock frequency。CPU的內(nèi)部頻率與主機(jī)板上的頻率不同，CPU的內(nèi)頻通常是主機(jī)板上的clock frequency再倍頻(x3, x4)上去。BW= 5 * Clock Frequency Example : 133MHz PC 660 MHz 時(shí)域, 頻域, 與傅立葉分析 (Time-Domain, Frequency-

23、Domain, and Fourier Analysis)傅立葉分析的基礎(chǔ):“任何週期性函數(shù),f(t),都可以展開(kāi)成一連串sin函數(shù)和cos函數(shù)的疊加”where the expansion coefficients are其中, , T是函數(shù)f(t)的週期, wo是f(t)的基本頻率, a1, a2,a3,., 及b0,b1,b2,b3,.等係數(shù)稱為f(t)的傅立葉係數(shù), 可以由簡(jiǎn)單的積分計(jì)算出來(lái)。及是函數(shù)f(t)的第n階諧波(nth harmonic)。換言之, 一個(gè)週期函數(shù)可以被改寫成許多諧波的疊加(n=0,1,2,3,4,.), 當(dāng)n愈大, 此諧波的頻率(nwo)愈高。an 及bn 的

24、絕對(duì)值也可以視為是函數(shù)f(t)的頻譜成份。通常經(jīng)過(guò)傅立葉分析，可發(fā)現(xiàn)偶次諧波大小為零，只剩下奇次諧波。例子: Step Function, T=1, trise = 0.1bo = 0.5b1 = -0.626b3 = 0.182b5 = -0.081b7 = 0.033b9 = -0.0078b11 = 0.0052f(t) = 0.5 -0.626cos(wot) +0.182cos(3wot) -0.081cos(5wot) +0.033cos(7wot)-0.0078cos(9wot) +0.0052cos(11wot)+.f(t) = 0.5 -0.626cos(wot) f(t)

25、= 0.5 -0.626cos(wot) +0.182cos(3wot)f(t) = 0.5 -0.626cos(wot) +0.182cos(3wot) -0.081cos(5wot)f(t) = 0.5 -0.626cos(wot) +0.182cos(3wot) -0.081cos(5wot) +0.033cos(7wot)f(t) = 0.5 -0.626cos(wot) +0.182cos(3wot) -0.081cos(5wot) +0.033cos(7wot)-0.0078cos(9wot) f(t) = 0.5 -0.626cos(wot) +0.182cos(3wot) -0

26、.081cos(5wot) +0.033cos(7wot)-0.0078cos(9wot) +0.0052cos(11wot)頻寬(Bandwidth, BW):對(duì)一個(gè)時(shí)間函數(shù)f(t), 它的高頻諧波在某一特定頻率( say, Fo)以上的部份數(shù)值很小, 可以忽略不計(jì), 這時(shí), 頻率Fo稱為f(t)的頻寬。Bandwidth:“The highest sine wave frequency component that is significant”“ 不同的 Risetime, trise , 的時(shí)鐘脈衝波形俱有不同的頻寬 ”T = 1, trise= 0.04例子:T = 1, trise

27、= 0.1bo = 0.5bo = 0.5b1 = -0.626b1 = -0.635b3 = 0.182b3 = 0.207b5 = -0.081b5 = -0.119b7 = 0.033b7 = 0.08b9 = -0.0078b9 = -0.057b11 = 0.0052b11 = 0.041一階諧波, bo + b1 cos(wot)前五階諧波, bo + b1 cos(wot) + b3 cos(3wot)+ b5 cos(5wot)前三階諧波, bo + b1 cos(wot) + b3 cos(3wot)前九階諧波, bo + b1 cos(wot) + b3 cos(3wot)

28、+ b5 cos(5wot) + b7 cos(7wot) + b9 cos(9wot)前七階諧波, bo + b1 cos(wot) + b3 cos(3wot)+ b5 cos(5wot) + b7 cos(7wot)傳輸線 ( Transmission Line ) 及傳輸線的理論 Transmission Line : 由兩金屬導(dǎo)體(signal & ground)與介電物質(zhì)構(gòu)成的信號(hào)傳輸線。傳輸線的特性(特徵阻抗, Propagation Delay,etc.)由導(dǎo)體的幾何形狀, 介質(zhì)的特性 (主要是介電常數(shù), ) 決定。傳輸線的連續(xù)電路模型: Distributed Circuit

29、 Representation for a Real Transmission Line, or Loosy Transmission Line : 因?yàn)樾盘?hào)在傳遞中會(huì)衰減。R(電阻) : Resistance, W/mL(電感):Inductance, H/mC(電容): Capacitance, F/mG(電導(dǎo)):Conductance, 1/WmNote: 這裏的R,L,C都是單位長(zhǎng)度的電阻, 電容, 電感及電導(dǎo), 不同 於一般的電阻, 電容, 電感及電導(dǎo), 注意它們的單位。項(xiàng)目解釋：用電阻來(lái)代表轉(zhuǎn)換為熱的能量損耗，與導(dǎo)體本身與電鍍物質(zhì)有關(guān)。：用電導(dǎo)來(lái)表示電流在介電材料內(nèi)的損耗。：用電感

30、來(lái)描述磁能，與導(dǎo)體大、中、長(zhǎng)、短、粗、細(xì)有關(guān)。：用電容來(lái)描述電能，與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)有關(guān)。利用電路學(xué)的Kirchhoffs theory，可得到 = =是propagation constant是attenuation constant (NP/m); 與信號(hào)衰減有關(guān)。是phase constant (rad/m); 與訊號(hào)傳遞速度有關(guān)。 在傳輸線的任何長(zhǎng)度上，高頻電壓與電流的比值固定，稱之為特徵阻抗不同的傳輸線(不同的CABLE，不同的CONNECTOR)會(huì)有不同的R、L、G、C參數(shù)，這些參數(shù)可經(jīng)由不同材質(zhì)，結(jié)構(gòu)形狀予以設(shè)計(jì)調(diào)整。此外，訊號(hào)在傳輸線內(nèi)的速度其中 是導(dǎo)體的導(dǎo)磁係數(shù)；是介質(zhì)的

31、介電常數(shù)假如知道傳輸線長(zhǎng)度(L)，便可得知傳遞延遲(propagation delay, )假設(shè)連接器的傳遞延遲出問(wèn)題而導(dǎo)致訊號(hào)不同步或skew，那就要查查是否Housing出問(wèn)題，是否塑膠起化學(xué)變化或介電常數(shù)不對(duì)。Foxconn PCI ConnectorPropagation DelayPico-secondPPS124.2SPS118.1PCT103.8簡(jiǎn)化或理想化的傳輸線: R=0, G=0 Lossless Transmission Line:特徵阻抗: ohmAttenuation Constant: Np/mPhase Constant: rad/m信號(hào)傳遞速度: m/sec例:

32、 C = 0.86 pF/cm, L = 3.59 nH/cm 則 Zo = 64.6 W (note:) v = =18 cm/ns = 0.6光速(note: ) 平行線阻抗阻抗不匹配的後果1. 訊號(hào)反射而導(dǎo)致數(shù)位系統(tǒng)判斷錯(cuò)誤。2. Rise Time愈短（更高速數(shù)位系統(tǒng)）時(shí)，阻抗不匹配的情形會(huì)突顯出來(lái)，訊號(hào)反射情形更嚴(yán)重，電磁干擾（EMI）也隨之而生。3. 訊號(hào)傳輸路徑要力求阻抗匹配。譬如 package、connector、trace及cable等。4. 產(chǎn)生駐波。Figure. Error reading owing to reflection傳輸線的阻抗不匹配 (impedance

33、 mismatch) 與信號(hào)反射 (Reflection)從觀察點(diǎn)A去看波形 = 反射係數(shù),r 可以證明: 由反射信號(hào)求知待測(cè)物(DUT, device under test)的特徵阻抗-時(shí)域反射儀 (Time-Domain Reflectometry, TDR) 的工作原理示波器觀察到的信號(hào) : 由DUT的反射信號(hào)中求得反射係數(shù), r =, 因?yàn)? 所以求得:例:TDR就是利用反射係數(shù)的原理，可將待測(cè)物的反射波形直接轉(zhuǎn)成特徵阻抗後，可在螢?zāi)簧献x取數(shù)值。如下圖示:利用步階信號(hào)的反射波形，可求得特徵阻抗值。然而在短傳輸線(如connector)中，步階訊號(hào)的rise time大於訊號(hào)走過(guò)長(zhǎng)傳輸線

34、的時(shí)間，所以觀察到的阻抗值隨rise time而變。Eample:Figure. Impedance profile (rise time=35ps & 200ps) of Right-Angle SLOT1 connector利用步階信號(hào)的反射波形，可求得特徵阻抗值。然而在長(zhǎng)傳輸線(如cable)中，步階訊號(hào)的rise time小於訊號(hào)走過(guò)短傳輸線的時(shí)間，所以觀察到的阻抗值不隨rise time而變。Example:ACTUONE TPO 0.025” flat cable, 68 conductors, 30AWG, stranded, 10 feet.Fig. 1 Zprofile of

35、 Flat Cable under different rise time (35ps & 1ns)從Y值(左上角)可讀出特徵阻抗是在78.7481.92 ohm這個(gè)範(fàn)圍。Transmission Line (傳輸線) and PCB (Printed Circuit Board)PCB : 二層板 四層板 六層板 設(shè)計(jì)多層板的意義: 電流迴路面積比單層板小3040倍，所以相對(duì)可以有30到40dB以上的EMI改善如何控制PC板上信號(hào)線(trace)的特徵阻抗,例如50W ?Transmission Line 的特徵阻抗的計(jì)算 :以microstrip 為例:一個(gè)粗略的計(jì)算公式: 一個(gè)例子: 1

36、-oz copper t = 1.4 mil 銅箔厚度 h = 10 mil Trace到Ground的距離 w = 17 mil Trace的寬度 FR-4, er = 4.5 PC板介質(zhì)的介電常數(shù) Zo = 49.25 WMicrostrip特徵阻抗的較精確計(jì)算公式 : Where w, h, t are define in previous figure (page 40). = PC板介電常數(shù) ( 常見(jiàn)的FR-4印刷電路板材料的介電常數(shù)，在低頻其值約為4.7+-20%，當(dāng)進(jìn)入高頻時(shí)，會(huì)變成4.5 )eeff = 等效介電常數(shù)信號(hào)傳遞速度= h=0.1mmh=0.15mmh=0.2mmh

37、=0.254mmPCB 與Connector3W法則2根傳遞訊號(hào)的導(dǎo)體若是太接近時(shí)，會(huì)將已達(dá)RF頻率的能量傳到其它信號(hào)上，也就是電磁串音(crosstalk)。要減低它的影響，通常要求信號(hào)線中心對(duì)信號(hào)線中心的距離，維持3倍信號(hào)線寬度的距離，稱為3W法則，如下圖示。3W法則可保持70%的電場(chǎng)不互相干擾，這法則可適合於高頻電路板及連接器設(shè)計(jì)。若是導(dǎo)體能間隔大點(diǎn)是更好(若是產(chǎn)品要求輕薄短小則另當(dāng)別論)。Ground Bounce這是電流開(kāi)關(guān)雜訊的一種，在晶片的package或connector的電源或接地接腳電感存在，若電流突然變化時(shí)，接腳上將有電壓差存在( )。此時(shí)晶片的接地已不是0V，稱接地反彈

38、（Ground Bounce），接地反彈容易造成訊號(hào)準(zhǔn)位的誤判。解決方式為1. 減少接腳（package或connector）的電感，譬如將導(dǎo)體弄短、弄粗。2. 在接地處多用幾個(gè)貫穿孔連接到地，以並聯(lián)減少電感。改良前改良後衰減（Attenuation） 訊號(hào)行經(jīng)連接器或線纜所損失的能量衰減程度衰減量其中series resistance(串聯(lián)電阻)：* 隨著高頻下的集膚深度(skin depth)減低，而逐漸升高。* 在同一頻率下，導(dǎo)電係數(shù)（）高（或IACS高）則衰減較低。Example: Conductivity:STOL 80 STOL 92 C 172(Beryllium Copper)

39、 C 521(Phosphor Bronze) Attenuation (100MHz):STOL 80 STOL 92 C 172 C 521串音雜訊Crosstalk ( or, crosstalk noise )What is crosstalk ?The origin of Crosstalk :the mutual capacitive coupling ( Cm, mutual capacitance) and mutual inductive coupling ( Lm, mutual inductance) between Conductor 1 and Conductor 2

40、. Crosstalk happens when Conductor 1 and Conductor 2 are parallel and close to each other.forward orfar-endbackward ornear-endCmvictim linedriver line or active lineLmCm : mutual capacitance between conductor 1 and conductor 2.Lm : mutual inductance between conductor 1 and conductor 2.Crosstalk 有兩種:

41、 1. forward crosstalk (又稱far-end crosstalk), 2. backward crosstalk (又稱near-end crosstalk).Crosstalk 有兩種: 1. forward crosstalk (又稱far-end crosstalk), Forward crosstalk is measured at receiver end Forward crosstalk is total effect of capacitive coupling minus inductive coupling.2. Backward crosstalk (

42、又稱near-end crosstalk) Backward crosstalk is measured at driver end Backward crosstalk is total effect of capacitive coupling plus inductive coupling. Quantative characterization of Crosstalk : Forward Crosstalk ( Far End Crosstalk ) Backward Crosstalk ( Near End Crosstalk ) 其中 L : Driver line 與Victi

43、m line 重疊感應(yīng)的長(zhǎng)度 Kf : 感應(yīng)係數(shù) Kb : 感應(yīng)係數(shù)Crosstalk的產(chǎn)生原理經(jīng)的時(shí)間，當(dāng)驅(qū)動(dòng)緣（driven edge）到達(dá)X1時(shí)，會(huì)感應(yīng)Vb1往N傳遞，並感應(yīng)Vf1往F傳遞，再過(guò)的時(shí)間到達(dá)X2，又會(huì)感應(yīng)Vb2往N傳及Vf2往F傳。所以在時(shí)間處，Vf1及Vf2同時(shí)存在故有加成效應(yīng)。Far-end Crosstalk在處發(fā)生就是這原因。而Near-end Crosstalk則是在2時(shí)間內(nèi)都有產(chǎn)生。如下圖示：例: 兩條並排且平行的microstrip lines不同 Risetime, Trise, 下的Backward Crosstalk :不同 Risetime, Tris

44、e, 下的Forward Crosstalk :例 : Slot_1 Connector, Signal : groung = 3:1forward crosstalkbackward crosstalk250 mV減少Crosstalk的方法電磁串音（crosstalk）主要是由傳輸線之間的互感及互容造成，降低的方法如下：1. 降低導(dǎo)線與ground plane的距離或是增加signal-ground ratio(connector)。2. 增加導(dǎo)體間的距離。3. 在兩信號(hào)線間加上接地屏蔽通路以降低互容。4. 使信號(hào)的上升時(shí)間(rise time)及下降時(shí)間(fall time)增長(zhǎng)。5. 傳輸線長(zhǎng)短要遠(yuǎn)小於波長(zhǎng) (當(dāng)傳輸線長(zhǎng)短接近1/4波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線有天線效應(yīng))。6. Cable可弄成雙絞線的形式。7. 減小介質(zhì)的介電常數(shù)()。8. 相鄰層走正交線，避免走平行線。IC_chip + PCB t