1、特性阻抗之詮釋與測試白蓉生一 . 前言抽象又復雜的數(shù)字高速邏輯原理 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降低其噪聲 Noise 減少之誤 動作等專業(yè)表達 若能以簡單的生活實例加以說明 而非動則搬來一堆數(shù)學公式 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 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 確實讓人霧 里看花 看懂了反倒奇怪呢筆者近來獲得一份有關

2、阻抗控制的演示文稿資料 系電性測試之專業(yè)日商 HIOKI 所提供 其內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們 多多慨賜類似資料嘉惠學子讀者 則功在業(yè)界善莫大焉 二 .將訊號的傳輸看成軟管送水澆花2.1 數(shù)字系統(tǒng)之多層板訊號線 Signal Line中 當出現(xiàn)方波訊號的傳輸時 可將之假想成為軟管 hose 送水澆花 一端于手握處加壓

3、使其射出水柱 另一 端接在水龍頭 當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區(qū) 時 則施與受兩者皆歡而順利完成使命 豈非一種得心應手的小小成就 2.2 然而一旦用力過度水注射程太遠 不但騰空越過目標浪費水資源 甚至還可 能因強力水壓無處宣泄 以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫 ! 不僅任務失 敗橫生挫折 而且還大捅紕漏滿臉豆花呢 2.3 反之 當握處之擠壓不足以致射程太近者 則照樣得不到想要的結果 過猶 不及皆非所欲 唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜 2.4 上述簡單的生活細節(jié) 正可用以說明方波 Square Wave訊號 Signal 在多層板傳輸線 Transmission

4、Line系由訊號線 介質層 及接地層三者所 共同組成 中所進行的快速傳送 此時可將傳輸線 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 組件所并聯(lián)到 Gnd 的電阻 器一般 是五種終端技術之一 請另見 TPCA 會刊第 13期 內嵌式電阻器之發(fā)展 一文之詳細說明 可用以調節(jié)其終點的特性阻抗 Characteristic Impedance 使匹配接受端組件內部的需求 三 . 傳輸線之終端控管技術 Termination3.1 由上可知當 訊號 在傳輸

5、線中飛馳旅行而到達終點 欲進入接受組件 如 CPU 或 Menomery 等大小不同的 IC 中工作時 則該訊號線本身所具備的 特性 阻抗 必須要與終端組件內部的電子阻抗相互匹配才行 如此才不致任務失敗 白忙一場 用術語說就是 正確執(zhí)行指令 減少噪聲干擾 避免錯誤動作 一 旦彼此未能匹配時 則必將會有少許能量回頭朝向 發(fā)送端 反彈 進而形成反 射噪聲 Noise 的煩惱 3.2 當傳輸線本身的特性阻抗 Z0被設計者訂定為 28ohm 時 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的設計數(shù)值 也唯有在此種 Z0=Zt

6、的匹配情形下 訊號的傳輸 才會最具效率 其 訊號完整性 Signal Integrity為訊號品質之專用術語 也才最好 四 . 特性阻抗Characteristic Impedance 4.1 當某訊號方波 在傳輸線組合體的訊號線中 以高準位 High Level的正 壓訊號向前推進時 則距其最近的參考層 如接地層 中 理論上必有被該電場 所感應出來的負壓訊號伴隨前行 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間暫 短加以凍結 即可想象其所遭受到來自訊號線 介質層與參考層等所共同呈現(xiàn)的 瞬間阻抗值Instantani

7、ous Impedance此即所謂的特性阻抗 是故該 特性阻抗 應與訊號線之線寬 w 線厚 t 介質厚度 h 與介質常數(shù) Dk 都扯上了關系 此種傳輸線之一的微帶線其圖標與計算公式如下 筆者注 Dk Dielectric Constant 之正確譯詞應為介質常數(shù) 原文中之 .r 其實應稱做 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 因而近年來許多重要規(guī)范 如 IPC-6012IPC-4101IPC-2141與 IEC-326等都已改稱為 . r了 且原圖中的 E 并不正確 應為希臘字母 Episolon 才對4.2 阻

8、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)字系統(tǒng)當整條傳輸線的 Z0都能管理妥善 而 控制在某一范圍內10或 5 者 此品質良好的傳輸線 將可使得噪聲減少而誤動作也可避免 但當上述微帶線中 Z0的四種變量 w t h r有任一項發(fā)生異常 例如 圖中的訊號線出現(xiàn)缺口時 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 而無法繼續(xù)維持應有的穩(wěn)定均勻 Continuous 時 則其訊號 的能量必然會發(fā)生部分前進 而部分卻反彈反射的缺

9、失 如此將無法避免噪聲及 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 4.3 阻抗匹配不良造成噪聲上述部分訊號能量的反彈 將造成原來良好品質的方波訊號 立即出現(xiàn)異常 的變形 即發(fā)生高準位向上的 Overshoot 與低準位向下的 Undershoot 以及二 者后續(xù)的 Ringing 詳細內容另見 TPCA 會刊第 13期 嵌入式電容器之內文 此等高頻噪聲嚴重時還會引發(fā)誤動作 而且當時脈速度愈快時噪聲愈多也愈容易 出錯 五 . 特性阻抗的測試5.1 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

10、其 數(shù)值落在設計者的要求的公差范圍內 其一般性的量測方法 就是使用 時域反 射儀Time Domain Reflectometry TDR 此 TDR 可產(chǎn)生一種梯階波 Step Pulse 或 Step Wave 并使之送入待測的傳輸線中而成為入射波 Incident Wave于是當其訊號線在線寬上發(fā)生寬窄的變化時 則螢光幕上也會出現(xiàn) Z0歐姆值的 上下起伏振蕩 5.2 低頻無須量測 Z0高速才會用到 TDR 當訊號方波的波長 讀音 Lambda 遠超過板面線路之長度時 則無需考 慮到反射與阻抗控制等高速領域中的麻煩問題 例如早期 1989年速度不快的 CPU 其時脈速率僅 10MHz 而已

11、 當然不會發(fā)生各種訊號傳輸?shù)膹碗s問題 然而 目前的 Pentium 其內頻卻已高達 1.7GHz 自然就會問題叢生 相較當年之巨大 差異豈僅是霄壤云泥而已 由波動公式可知上述當年 10MHz 方波之波長為 但當 DRAM 芯片組的時脈速率已躍升到 800MHz 其方波之波長亦將縮短到 37.5cm 而 P-4 CPU之速度更高達 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 可知此等封裝 載板 Substrate 中的線長 甚至母板上的的線長等 均已逼近到了訊號的波 長 當然就必須要重視傳輸線效應 也必須

12、要用到 TDR 的測量了 5.3 TDR由來已久利用時域反射儀量測傳輸線的特性阻抗 Z 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 隨時注意其是否發(fā)生傳 輸品質上的 不連續(xù) Disconnection 的問題 目前才逐漸使用于高速計算機 領域與高頻通訊范疇中 5.4 CPU載板的 TDR 測試主動組件之封裝 Packaging 技術近年來不斷全面翻新加速進步 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

13、執(zhí)機 種中迅速減少 代之而起的是有機板材的底面格列 Area Array球腳式的 BGA 或 CSP 或無腳的 LGA 甚至連芯片 Chip 對載板 Substract 的彼此互連 Interconnection 也從打金線 Wire Bond進步到路徑更短更直接的 覆 晶 Flip Chip; FC技術 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

14、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定位 而在自動 移距及接觸列待測之落點處 進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 此等雙重精確定位與找點 再加上可旋轉式接觸式測針之協(xié)同合作下 得以避免再使用傳統(tǒng)纜線 連接器 與開關等中介的麻煩 大幅減少 TDR 量測的 誤差 如此已使得 1109 HiTESTER在封裝載板上對 Z0的量測 遠比其它方法 更為精確 實際上其測頭組合 是采用一種四方向的探針組 每個方向分別又有 1個 Signal 及 2個 Gnd 在 CCD 一面監(jiān)視一面進行量測下 其數(shù)據(jù)當然就會更為準 確 且溫度變化所帶來的任何誤差 也可在標準值陶瓷卡板的自動校正下減到最