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[转]特性阻抗之诠释与测试

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发表于 2007-12-24 14:45 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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特性阻抗之诠释与测试                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 一 .前言& R6 m& j% S, |* B. d. L  a6 [
        抽象又复杂的数位高速逻辑原理,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(SignalIntegrity),降低其杂讯(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。  
* Z5 {1 ]3 q1 [7 O* o+ k  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!  
& n* h1 B: V. L. ^4 D6 g  笔者近来获得一份有关阻抗控制的简报资料,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(HiroshiYamazaki)及其上司金井敏彦(ToshihikoKanai)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,多多慨赐类似资料嘉惠学子读者,则功在业界善莫大焉。  ' k7 m5 k  n) o* B3 J
  二 .将讯号的传输看成软管送水浇花
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  2.1 数位系统之多层板讯号线(SignalLine)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!
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- m) C" C$ Y( V: P3 R1 x; D2 j  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。8 x2 q+ P: x& I- u" W  B3 f
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  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(TransmissionLine,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CoaxialCable,与微带线Microstrip Line或带线StripLine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)元件所并联到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(CharacteristicImpedance),使匹配接受端元件内部的需求。, W6 F+ [# ]+ I$ h% n8 b6 {8 f* C
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  三. 传输线之终端控管技术(Termination)) \& v0 S* ]8 T7 U) w4 n, c# c
  3.1由上可知当“讯号”在传输线中飞驰旅行而到达终点,欲进入接受元件(如CPU或Meomery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”,必须要与终端元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,减少杂讯干扰,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,进而形成反射杂讯(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”(SignalIntegrity,为讯号品质之专用术语)也才最好。
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2 S" ~8 i2 l& y& @% D  四.特性阻抗(Characteristic Impedance)
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  4.1 当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(HighLevel)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ReturnPath),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”。  
% f7 l5 _( p; M9 E  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:
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【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”(RelativePermitivity)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。  
5 d$ x; C3 j# t; s) c9 U/ S  `  4.2 阻抗匹配不良的后果  
: G5 A4 ?- {2 l4 i- j/ o  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。数位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,将可使得杂讯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。如此将无法避免杂讯及误动作了。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。  C, u& G- w8 ?% I3 o6 g; p' `

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: x3 Y! g1 |5 D& h1 s3 L9 w0 E  4.3 阻抗匹配不良造成杂讯  , s: f" o4 }+ V( z( M( A
  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)。此等高频杂讯严重时还会引发误动作,而且当时脉速度愈快时杂讯愈多也愈容易出错。
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  五. 特性阻抗的测试  
9 ?* V9 x$ W6 ?  5.1 采TDR的量测  
. ^6 C, D; C& |7 Z# m: G9 Q  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(StepPulse或StepWave),并使之送入待测的传输线中而成为入射波(IncidentWave)。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。1 F' A) V1 O3 s- d- |( w

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  5.2 低频无须量测Z0,高速才会用到TDR  3 Q( f0 |" m! D  l) }6 Y2 R+ K
  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PentiumⅣ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!
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由波动公式可知上述当年10MHz方波之波长为:
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  但当DRAM晶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-4CPU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*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。
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  5.3 TDR由来已久  + a+ S/ ?3 R1 L% h* t! p# O; s6 \; S
  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电脑领域与高频通讯范畴中。
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( v2 |' U+ C0 p8 c: r0 R  5.4 CPU载板的TDR测试    [5 ]5 }: K7 u( }: N
  主动元件之封装(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(LeadFrame)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(AreaArray)球脚式的BGA或CSP,或无脚的LGA。甚至连晶片(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!  ' N. ^  h4 J. q( }
  Hioki公司2001年六月才在JPCA推出的“1109 HiTester”,为了对1.7GHz高速传输FC/PGA载板在Z0方面的正确量测起见,已不再使用飞针式(Flyingprobe)快速移动的触测,也放弃了SMA探棒式的TDR手动触测(Press-type)的做法。而改采固定式高频短距连缆,与固定式高频测针的精准定位,而在自动移距及接触列待测之落点处,进行全无人为因素干扰的高精密度自动测试。* k5 ^, G9 _) Y
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  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、与开关等仲介的麻烦,大幅减少TDR量测的误差。如此已使得“1109HiTESTER”在封装载板上对Z0的量测,远比其他方法更为精确。( e5 f+ M+ u0 b! q' m$ c0 @& |

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  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。7 Y9 L& C. T) o; g9 O

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' `4 T% R0 a* z' g0 J  5.5 精确俐落大小咸宜  
% t  N" z# u) Y, X2 `  此款最新上市的1109,不但能对最高阶封装载板的CPU进行Z0量测,且对其余的高价位CSP、BGA、FC等,也都能在游刃有余下完成逐一精测。其之待测尺寸更可从10mm×10mm的微小,一跃而至到500mm×600mm的巨大,剧变情势下均能应对裕如令人激赏。未来业界也许还要对Coupon以外的实际讯号线要求量测Z0,此高难度的TDR技术,目前亦正在研发中.

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liujie123 该用户已被删除
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发表于 2007-12-25 17:14 | 只看该作者
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该用户从未签到

3#
发表于 2007-12-26 14:12 | 只看该作者
好鐵.xuexi .

该用户从未签到

4#
发表于 2007-12-27 13:14 | 只看该作者
宝贝资料

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5#
发表于 2012-4-6 13:58 | 只看该作者
不错不错,加油哦!   bjbdf466zgl
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