|
EDA365欢迎您登录!
您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册
x
特性阻抗之诠释与测试 一 .前言
& U) ]% `9 x* a" } 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。 $ \* k, P! F9 J# i9 M( P' x
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!
, @1 |8 `! q; j4 K& m! b 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。 0 ^$ i. u. _0 `
二 .将讯号的传输看成软管送水浇花 |1 A5 y! k9 Q: g9 T6 q. J' o
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?
9 M& I7 ]. H* F# f) G. }6 V2 k
' V0 G, L% Q% n- U: ~6 d( g% [% k![]()
g% X8 {* G0 [1 {& N ) k2 C/ ]' q/ r) u* E
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!* S6 l* p. B, M0 M+ u- k
- Z0 Q/ D8 ]4 J: Z) k9 r; l" L
![]()
% j/ O/ Z( X# w0 X
) t; ~) d$ O0 K, }6 Y6 t1 R 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。5 Q& [& r9 J3 e
8 N. e' U0 R% |( Z* |, r! s 1 W; `9 m3 x2 e* D/ u0 C
0 K3 W7 h, Q- x6 @: l N- O6 c6 W, i 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。
|- v" @3 i# n! o/ D( W6 e% B y( B8 ^" e
![]()
: Z/ I) B3 Y" P* ^0 \- M) x4 i, K 4 @. P! Y- m V- r2 M6 _
三. 传输线之终端控管技术(Termination)# d9 v; }3 x9 L& R- X
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。
5 o* u% V# |. D7 ~, L7 T" T. G
" U! S9 ]& Q2 Z7 D( B6 L4 t, ?![]()
/ x' |$ F# [# a. y! }+ C' Q 6 {, E3 @% M% |' }5 m: A
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。8 |! w; }3 w. {
+ T1 {7 u$ ` ?; p, |* b![]()
9 ~' R) C9 L! Q# o8 j
# w6 U: q3 v' c: K. h. f3 b 四.特性阻抗(Characteristic Impedance)
( S6 H6 @+ w3 S" |8 @ 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”。
! [1 K4 T$ p" M 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: 6 K, d5 G& X. m9 j
8 X* K$ [( b% G# `; r+ \4 p * j# b2 Y- V+ P, s7 u
/ h2 Z5 m; b, ~1 z" z# `% E4 r【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。 7 M( T( n9 o: m. w: ]
4.2 阻抗匹配不良的后果
: l2 u, P% P. C M( [/ O9 D8 ] 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。6 W3 ], A' }( o( I/ p, J+ B
0 x/ D7 d0 }; M
![]()
) O: P: F' s# G) H8 L2 A/ m k! P) b8 \& x# X- x9 D6 w3 I ?
4.3 阻抗匹配不良造成杂讯 ; b* w# J% q! H
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。
( p; K1 W1 j, u2 W
) c9 `: Y$ T: R% A/ q ( p% |% M7 K( H: I8 _
7 ~4 X$ I, g+ `+ a( ?5 i
五. 特性阻抗的测试 ) l4 G4 E; R) q* x$ A5 i2 f" ?
5.1 采TDR的量测 8 S1 z3 ]! q0 l5 o& F* B1 E
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。
: V9 V3 }+ p" w" N/ o- W1 Q
! a+ V! b r+ `: {![]()
% }6 ~& Z$ g; g- \) g# t c9 ^
( |# C3 |( _4 J2 L- x0 T0 ?9 ~ 5.2 低频无须量测Z0,高速才会用到TDR . h; p6 T$ y/ L- K$ m! Y4 E
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!
" j; _9 }# f: [; ~( Q4 S' G5 p" S! Q
, B# E8 b: u+ p3 P+ e) v$ v9 m- r
2 Y) Q; m7 W% o- g7 R# K
由波动公式可知上述当年10MHz方波之波长为:
1 e9 R: E% _3 l* W
3 j) o' O4 d; F- E, i% Q0 }: p![]()
4 \$ C% W1 j# k3 R- N 9 p: v4 f3 e2 d4 i" ~( U0 e
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。- p) k7 u! T/ v9 L( `. h2 g/ d( q) X
& W) g9 n& y- t$ A
6 o) k% u; _4 e" U7 P& V% r
+ S# _) d, C! W 5.3 TDR由来已久 3 n8 Z1 Q. w; d# \! p6 |* a) `1 n
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。) H- e$ t* S% w. N: D; v
8 W8 B' [# @4 M5 m
+ ?, r& M! i& h- p9 D
. I/ p- T4 _0 P
5.4 CPU载板的TDR测试
+ z( Z9 a' a7 q) g- K- | 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! ) @2 z' O! [2 n" l
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。
! {7 i! t* y2 B$ x
3 b8 h. I7 f/ C; m: S- [# H ; ~2 \/ ?# J+ p+ }+ p+ b
* ~5 o0 u2 q' f% e8 i 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。* x7 }2 X7 o4 Q, A( G" Z
- g+ c# }0 P$ V M8 x2 N! f5 P0 D2 d/ u
6 @4 u! k$ z4 j9 G
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。/ O% g* i/ {& T+ `! F: o% x# a
/ D% V. m _, q
" t% j1 q7 |. _( v2 t$ H, [3 i, p
- [/ Z O( @! h, O3 s6 v
5.5 精确俐落大小咸宜 1 w* \+ s0 `9 ^$ o0 T/ i
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. |
评分
-
查看全部评分
|