1、特性阻抗之诠释与测试 一. 前言 抽象又复杂的数字高速逻辑原理，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），降低其噪声（ 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！二 .将讯号的传
2、输看成软管送水浇花2.1 数字系 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？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！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
3、才能正中下怀皆大欢喜。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（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）组件所并联到 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
4、抗（Characteristic Impedance），使匹配接受端组件内部的需求。三. 传输线之终端控管技术（Termination）3.1 由上可知当“ 讯号” 在传输线中飞驰旅行而到达终点，欲进入接受组件（如CPU 或 Menomery 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”，必须要与终端组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，减少噪声干扰，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，进而形成反射噪声（Noise）的烦恼。3.2 当传输线本身的特性阻抗（ Z0）被设计者订定为
5、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。四.特性阻抗（Characteristic Impedance ）4.1 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 Pa
6、th），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标与计算公式如下：【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
7、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。4.2 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。数字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，将可使得噪声减少而误动作也可避免。 但当上述微带线中 Z0 的四种变量（
8、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。如此将无法避免噪声及误动作了。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。4.3 阻抗匹配不良造成噪声 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
9、细内容另见 TPCA 会刊第 13 期“嵌入式电容器” 之内文）。此等高频噪声严重时还会引 发误动作，而且当时脉速度愈快时噪声愈多也愈容易出错。五. 特性阻抗的测试5.1 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（Step Pulse 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
10、会出现 Z0 欧姆值的上下起伏振荡。5.2 低频无须量测 Z0，高速才会用到 TDR 当讯号方波的波长（ 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 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 芯片组的 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
11、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，均已逼近到了讯号的波长，当然就必须要重视传输线效应，也必 须要用到 TDR 的测量了。5.3 TDR 由来已久利用时域反射仪量测传输线的特性阻抗（Z）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计算机领域与高频通讯范畴中。5.4 CPU 载板的
12、 TDR 测试主动组件之封装（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 Frame）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。甚至连芯片（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，
13、整体电子工业冲锋之快几乎已到了瞬息万变！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、与开关等中介的麻烦，大幅减少 TDR 量测的误差。如此已使得“1109 HiTESTER”在封装载板上对 Z0 的量测，远比其它方法更为精确。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。5.5 精确俐落大小咸宜
