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标题: 对特性阻抗的一种浅显易懂的解释 [打印本页]

作者: 单片机门徒 时间: 2010-8-25 09:02 标题: 对特性阻抗的一种浅显易懂的解释

对特性阻抗的一种浅显易懂的解释

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（Signal Integrity），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。

　　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（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，多多慨赐类似资料嘉惠学子读者，则功在业界善莫大焉。

　　一 .将讯号的传输看成软管送水浇花

　　1.1 数位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？

　　1.2 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！

　　1.3 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。

　　1.4 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）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（Characteristic Impedance），使匹配接受端元件内部的需求。

　　二. 传输线之终端控管技术（Termination）

　　2.1 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。

　　2.2 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，为讯号品质之专用术语）也才最好。

　　三.特性阻抗（Characteristic Impedance）

　　3.1 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。

　　3.2 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。

　　3.3 阻抗匹配不良造成杂讯

　　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。

　　四. 特性阻抗的测试

　　4.1 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（StepPulse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，则萤光幕上也会出现Z0欧姆值的上下起伏振荡。

　　4.2 低频无须量测Z0，高速才会用到TDR

　　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，岂仅是霄壤云泥而已！由波动公式可知上述当年10MHz方波之波长为：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-4 CPU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。

　　4.3 TDR由来已久

　　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。

　　4.4 CPU载板的TDR测试

　　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（Lead ）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（Area Array）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！

　　Hioki公司2001年六月才在JPCA推出的“1109 Hi Tester”，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（Flying probe）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。

　　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。
　　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。

　　4.5 精确俐落大小咸宜

　　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.

作者: bnbv 时间: 2010-8-26 15:26

“热情服务是我们的名片
-------深圳市飞达亿电子有限公司（百能网成功案例）
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作者: bnbv 时间: 2010-8-26 15:27

“从一开始就信任”
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深圳市鼎恒新精密电子有限公司是一家专业生产电路板的高科技企业，现拥有2000平方米的专业厂房，月产量10000平米。产品表面处理工艺有电镀金、化学沉金、有铅喷锡、无铅喷锡、无铅沉锡、化学沉银、抗氧化等。
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“当初刚接触到百能网的时候，我还以为它和其它平台一样，无非是让用户出钱做做广告、宣传之类的，后来，接触了一段时间后，发现百能网不但免费为我们服务，还定期的给我们发送和行业相关的动态资讯，而且，重要的是，我看到每天有采购商发出求购商机，不少公司都通过百能网成交了。忍不住心动，自己尝试了下，结果也尝到了来自百能的甜头。”

至于通过网络与客户达成交易，同平常与客户达成交易的不同方面，卢先生个人认为“网上的订单都具有时效性，交货时间很重要，而且，网络竞争力很强，客户往往都是货比多家才挑选生产商，因此，有时候在线报价要比市场价格稍低一些。”

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