對(duì)特性阻抗的一種淺顯易懂的解釋

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(hào)的如何傳送， 以及如何確保其訊號(hào)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(jiǎn)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(yǔ)言者，則對(duì)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(jiǎn)報(bào)資料，系電性測(cè)試之專業(yè)日商HIOKI所提供。其內(nèi)容堪稱文要圖簡(jiǎn)一看就懂，令人愛不釋手。正是筆者長(zhǎng)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。

一 .將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花

1.1 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線(Signal Line)中，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號(hào)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?

1.2 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!

1.3 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。

1.4 上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié)，正可用以說明方波(Square Wave)訊號(hào)(Signal)在多層板傳輸線(Transmission Line，系由訊號(hào)線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成)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(qǐng)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。

二. 傳輸線之終端控管技術(shù)(Termination)

2.1 由上可知當(dāng)“訊號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn)，欲進(jìn)入接受元件(如CPU或Meomery等大小不同的IC)中工作時(shí)，則該訊號(hào)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(chǎng)。用術(shù)語(yǔ)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(Noise)的煩惱。

2.2 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(duì)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(hào)的傳輸才會(huì)最具效率，其“訊號(hào)完整性”(Signal Integrity，為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語(yǔ))也才最好。

三.特性阻抗(Characteristic Impedance)

3.1 當(dāng)某訊號(hào)方波，在傳輸線組合體的訊號(hào)線中，以高準(zhǔn)位(High Level)的正壓訊號(hào)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(chǎng)所感應(yīng)出來的負(fù)壓訊號(hào)伴隨前行(等于正壓訊號(hào)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(hào)”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(hào)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”應(yīng)與訊號(hào)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(duì)容電率”(Relative Permitivity )才對(duì)。后者是從平行金屬板電容器的立場(chǎng)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(duì)。

3.2 阻抗匹配不良的后果

由于高頻訊號(hào)的“特性阻抗”(Z0)原詞甚長(zhǎng)，故一般均簡(jiǎn)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?！　〉?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(hào)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(hào)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。

3.3 阻抗匹配不良造成雜訊

上述部分訊號(hào)能量的反彈，將造成原來良好品質(zhì)的方波訊號(hào)，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)。

四. 特性阻抗的測(cè)試

4.1 采TDR的量測(cè)

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(cè)方法，就是使用“時(shí)域反射儀”(Time 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(cè)的傳輸線中而成為入射波(Incident Wave)。于是當(dāng)其訊號(hào)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。[!--empirenews.page--]

4.2 低頻無須量測(cè)Z0，高速才會(huì)用到TDR

當(dāng)訊號(hào)方波的波長(zhǎng)(λ讀音Lambda)遠(yuǎn)超過板面線路之長(zhǎng)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(hào)傳輸?shù)膹?fù)雜問題。然而，目前的Pentium Ⅳ其內(nèi)頻卻已高達(dá)1.7GHz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(zhǎng)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(zhǎng)亦將縮短到37.5cm;而P-4 CPU之速度更高達(dá)1.7GHz其波長(zhǎng)更短到17.6cm，則其PCB母板上兩者之間傳輸?shù)耐忸l，也將加速到400MHz與波長(zhǎng)75cm之境界?？芍说确庋b載板(Substrate)中的線長(zhǎng)，甚至母板上的的線長(zhǎng)等，均已*近到了訊號(hào)的波長(zhǎng)，當(dāng)然就必須要重視傳輸線效應(yīng)，也必須要用到TDR的測(cè)量了。

4.3 TDR由來已久

利用時(shí)域反射儀量測(cè)傳輸線的特性阻抗(Z0)值，此舉并非新興事物。早年即曾用以監(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。

4.4 CPU載板的TDR測(cè)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(Chip)對(duì)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”(Flip Chip; 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(duì)1.7GHz高速傳輸FC/PGA載板在Z0方面的正確量測(cè)起見，已不再使用飛針式(Flying probe)快速移動(dòng)的觸測(cè)，也放棄了SMA探棒式的TDR手動(dòng)觸測(cè)(Press-type)的做法。而改采固定式高頻短距連纜，與固定式高頻測(cè)針的精準(zhǔn)定位，而在自動(dòng)移距及接觸列待測(cè)之落點(diǎn)處，進(jìn)行全無人為因素干擾的高精密度自動(dòng)測(cè)試。

在CCD攝影鏡頭監(jiān)視平臺(tái)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(cè)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(cè)的誤差。如此已使得“1109HiTESTER”在封裝載板上對(duì)Z0的量測(cè)，遠(yuǎn)比其他方法更為精確。

實(shí)際上其測(cè)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(cè)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。

4.5 精確俐落大小咸宜

此款最新上市的1109，不但能對(duì)最高階封裝載板的CPU進(jìn)行Z0量測(cè)，且對(duì)其余的高價(jià)位CSP、BGA、FC等，也都能在游刃有余下完成逐一精測(cè)。其之待測(cè)尺寸更可從10mm×10mm的微小，一躍而至到500mm×600mm的巨大，劇變情勢(shì)下均能應(yīng)對(duì)裕如令人激賞。未來業(yè)界也許還要對(duì) Coupon以外的實(shí)際訊號(hào)線要求量測(cè)Z0.