對特性阻抗的一種淺顯易懂的解釋

1、抽象又復(fù)雜的數(shù)位高速邏輯原理，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），降低其雜訊（Noise）減少之誤動(dòng)作等專業(yè)表達(dá)，若能以簡單 的生活實(shí)例加以說明，而非動(dòng)則搬來一堆數(shù)學(xué)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(shí)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(jìn)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(shí)讓人霧里看花，看懂了反倒奇怪呢！筆者近來獲得一份有關(guān)阻抗控制的簡報(bào)資料，系電性測試之專

2、業(yè)日商HIOKI所提供。 其內(nèi)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(jìn)們，多多慨賜類似資料嘉惠學(xué)子讀者，則功在業(yè)界 善莫大焉。將訊號的傳輸看成軟管送水澆花2.1數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號線（Signal Line）中，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號的傳輸時(shí)，可將之假想 成為軟管（hose）送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當(dāng)握 管處

3、所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí)，則施與受兩者皆歡而順利完 成使命，豈非一種得心應(yīng)手的小小成就？2.2然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn)，不但騰空越過目標(biāo)浪費(fèi)水資源，甚至還可能因強(qiáng)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(wù)失敗橫生挫折，而且還 大捅紕漏滿臉豆花呢！2.3反之，當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結(jié)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(xì)節(jié)，正可用以說明方波（Square Wave）訊號（Signal）在多層板 傳輸線（Transmission Line，系由訊號線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同

4、組成）中所進(jìn)行 的快速傳送。此時(shí)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）元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般（是五種終端技術(shù)之一，請另見TPCA會(huì)刊 第13期內(nèi)嵌式電阻器之發(fā)展一文之詳細(xì)說明），可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗 （Characteristic Impedance），使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。 HYPERLINK .tw .tw傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）3.1由上可知當(dāng) 、訊號在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn)，欲進(jìn)入接受

5、元件（如 CPU或 Meomery等大小不同的【0中工作時(shí)，則該訊號線本身所具備的特性阻抗，必須要與 終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務(wù)失敗白忙一場。用術(shù)語說就是正確 執(zhí)行指令，減少雜訊干擾，避免錯(cuò)誤動(dòng)作。一旦彼此未能匹配時(shí)，則必將會(huì)有少許能量回 頭朝向發(fā)送端反彈，進(jìn)而形成反射雜訊（Nois e）的煩惱。3.2當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí)，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(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號的傳輸才會(huì)最具效率，其訊號完 整性（Signa

6、l Integrity，為訊號品質(zhì)之專用術(shù)語）也才最好。.tw特性阻抗（Characteristic Impedance）4.1當(dāng)某訊號方波，在傳輸線組合體的訊號線中，以高準(zhǔn)位（High Level）的正壓訊號向前推進(jìn)時(shí)，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(yīng)出來的負(fù)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(shí)間暫短加以凍結(jié)，即可想象其所遭受到來自 訊號線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值（Instantanious Impedance），此 即所謂的特性阻抗。是故該特性阻抗

7、應(yīng)與訊號線之線寬（w）、線厚（t）、介質(zhì)厚度（h）與介質(zhì)常數(shù)（Dk）都扯上了關(guān)系。此種傳輸線之一的微帶線其圖示與計(jì)算公式如下： 【筆者注】Dk（Dielectric Constant）之正確譯詞應(yīng)為介質(zhì)常數(shù)，原文中之.r其實(shí)應(yīng)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(shí)，因而近年來許多重要規(guī)范（如IPC-6012、IPC-4101、IPC-2141 與IEC-326）等都已改稱為r 了。且原圖中的E并不正確，應(yīng)為希臘字母（Episolon） 才對。4.2阻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

8、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)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善，而控制 在某一范圍內(nèi)（10%或5% ）者，此品質(zhì)良好的傳輸線，將可使得雜訊減少而誤動(dòng)作也 可避免。但當(dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)（w、t、h、r）有任一項(xiàng)發(fā)生異常，例如圖中的訊號線出現(xiàn)缺口時(shí)，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(shí)），而無法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻（Continuous ）時(shí)，則其訊號的能量必然會(huì)發(fā) 生部分前進(jìn)，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動(dòng)作了。下圖中的軟管突 然被山崎的兒子

9、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阻抗匹配不良造成雜訊上述部分訊號能量的反彈，將造成原來良好品質(zhì)的方波訊號，立即出現(xiàn)異常的變形（即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的Overshoot，與低準(zhǔn)位向下的Undershoot， 以及二者后續(xù)的Ringing；詳細(xì)內(nèi)容另見TPCA會(huì)刊第13期嵌入式電容器之內(nèi)文）。此 等高頻雜訊嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作，而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯(cuò)。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 還要使其數(shù)值落在設(shè)計(jì)者的要求的公差范圍內(nèi)。其一般性的量測方法，就是使用時(shí)域反射 儀（Time

10、 Domain Reflectometry； TDR ）。此 TDR 可產(chǎn)生一種梯階波（StepPulse 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(dāng)其 訊號線在線寬上發(fā)生寬窄的變化時(shí)，則螢光幕上也會(huì)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(huì)用到TDR當(dāng)訊號方波的波長（入讀音Lambda）遠(yuǎn)超過板面線路之長度時(shí)，則無需考慮到反射與阻抗控制等高速領(lǐng)域中的麻煩問題。例如早期 1989年速度不快的CPU，其時(shí)脈速率僅10MHz而已，當(dāng)然不會(huì)發(fā)生各種訊號傳輸?shù)膹?fù)雜 問題。然而，目前的Pentium W其內(nèi)頻卻已高達(dá)1.7GHz

11、自然就會(huì)問題叢生，相較當(dāng)年之 巨大差異，豈僅是霄壤云泥而已！由波動(dòng)公式可知上述當(dāng)年10MHz方波之波長為：但當(dāng)DRAM晶片組的時(shí)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(dá)1.7GHz其波長更短到17.6cm，則其PCB母板上兩者之間傳輸?shù)?外頻，也將加速到400MHz與波長75cm之境界?？芍说确庋b載板（Substrate）中的 線長，甚至母板上的的線長等，均已*近到了訊號的波長，當(dāng)然就必須要重視傳輸線效應(yīng)， 也必須要用到TDR的測量了。5.3 TDR由來已久 利用時(shí)域反射儀量測傳輸線的特性阻抗（Z 0 ）值，此舉并非新興事 物。早年即曾用

12、以監(jiān)視海底電纜（Submarine Cable）的安全，隨時(shí)注意其是否發(fā)生傳輸 品質(zhì)上的不連續(xù)（Disconnection ）的問題。目前才逐漸使用于高速電腦領(lǐng)域與高頻通訊 范疇中。5.4 CPU載板的TDR測試 主動(dòng)元件之封裝(Packaging)技術(shù)近年來不斷全面翻新加 速進(jìn)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 或手執(zhí)機(jī)種中迅速減少。代之而起的是有機(jī)板材的底面格列(Area Array)球腳式的BGA 或CSP，或無腳的LGA。甚至連晶片(Ch

13、ip)對載板(Substract)的彼此互連 (Interconnection)，也從打金線(Wire Bond)進(jìn)步到路徑更短更直接的覆晶(FlipChip; FC)技術(shù)，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(dòng)的觸測，也放棄了 SMA探棒式的TDR手動(dòng)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(zhǔn)定位，而在自動(dòng)移距及接觸列待測之落點(diǎn)處，進(jìn) 行全無人為因素

14、干擾的高精密度自動(dòng)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(diǎn)， 此等雙重精確定位與找點(diǎn)，再加上可旋轉(zhuǎn)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(guān)等仲介的麻煩，大幅減少TDR量測的誤差。如此已使得 “1109HiTESTER在封裝載板上對Z0的量測，遠(yuǎn)比其他方法更為精確。實(shí)際上其測頭組合，是采用一種四方向的探針組(每個(gè)方向分別又有1個(gè)Signal及2 個(gè)Gnd)。在CCD 一面監(jiān)視一面進(jìn)行量測下，其數(shù)據(jù)當(dāng)然就會(huì)更為準(zhǔn)確。且溫度變化所帶 來的任何誤差，也可在標(biāo)準(zhǔn)值陶瓷卡板的自動(dòng)校正下減到最低。5.5精確俐落大小咸宜 此款最新上市的1109,不但能對最高階封裝載板的CPU進(jìn)行 Z0量測，且對其余的高價(jià)位CSP、BGA