一. 前言 抽象又複雜的數位高速邏輯原理,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)減少之誤動作等專業表達,若能以簡單的生活實例加以說明,而非動則搬來一堆數學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,實有事半功倍舉重若輕之受用也。
2 R% d7 w( S/ V% ^- P: X3 j6 T* J- L
: R# V- W5 x7 r/ \' J2 E0 y, ^ 然而,眾多本科專業者,甚至杏壇為師的博士教授們,不知是否尚未真正進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,確實讓人霧裡看花,看懂了反倒奇怪呢!& d& j D4 n7 Y0 d' V1 i$ F! R1 v
+ N' P5 [7 w' L
筆者近來獲得一份有關阻抗控制的簡報資料,係電性測試之專業日商HIOKI所提供。其內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,大喜之下乃徵得原著“問港建”公司的同意,並經由港建公司廖豐瑩副總的大力協助,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,在此一併感謝。並歡迎所有前輩先進們,多多慨賜類似資料嘉惠學子讀者,則功在業界善莫大焉。《http://www.eurekacp.com.tw》
6 d( A( ^1 t+ ~5 x& A$ g$ l0 r+ j, A [/img] 二 .將訊號的傳輸看成軟管送水澆花; F+ N1 M# {# B1 I9 W, s
% r. Y0 c0 ?5 _* ]
2.1 數位系統之多層板訊號線(Signal Line)中,當出現方波訊號的傳輸時,可將之假想成為軟管(hose)送水澆花。一端於手握處加壓使其射出水柱,另一端接在水龍頭。當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區時,則施與受兩者皆歡而順利完成使命,豈非一種得心應手的小小成就?4 z9 a9 o: D* b3 }3 D
[img=398,206]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img]
d- }$ ?) Y' G$ S4 a7 E' l2.2 然而一旦用力過度水注射程太遠,不但騰空越過目標浪費水資源,甚至還可能因強力水壓無處宣洩,以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務失敗橫生挫折,而且還大捅紕漏滿臉豆花呢!" R" L: m) A9 a- F, j7 T
[img=532,170]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img] 5 W/ D; z- P6 w0 ]! H& V1 w, g; o3 Q
2.3 反之,當握處之擠壓不足以致射程太近者,則照樣得不到想要的結果。過猶不及皆非所欲,唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。
0 L& A, E9 D( ?4 ^$ ^( J8 K* ^# b[img=466,156]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img]
0 s3 |1 M- |3 u n& l2.4 上述簡單的生活細節,正可用以說明方波(Square Wave)訊號(Signal)在多層板傳輸線(Transmission Line,係由訊號線、介質層、及接地層三者所共同組成)中所進行的快速傳送。此時可將傳輸線(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)元件所並聯到Gnd的電阻器一般(是五種終端技術之一,請另見TPCA會刊第13期“內嵌式電阻器之發展”一文之詳細說明),可用以調節其終點的特性阻抗(Characteristic Impedance),使匹配接受端元件內部的需求。
; s7 T; x+ L$ l# U, m) w; S* F3 s[img=596,464]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img]
, t3 M3 a& a( j; H ~《http://www.eurekacp.com.tw [img=680,10]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img] 三. 傳輸線之終端控管技術(Termination)
! s' Y+ _$ E/ i' C# G3.1 由上可知當“訊號”在傳輸線中飛馳旅行而到達終點,欲進入接受元件(如CPU或Menomery等大小不同的IC)中工作時,則該訊號線本身所具備的“特性阻抗”,必須要與終端元件內部的電子阻抗相互匹配才行,如此才不致任務失敗白忙一場。用術語說就是“正確執行指令,減少雜訊干擾,避免錯誤動作”。一旦彼此未能匹配時,則必將會有少許能量回頭朝向“發送端”反彈,進而形成反射雜訊(Noise)的煩惱。+ A, L' s9 N E/ d2 R- O
[img=414,186]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img] ) d' T& A* y2 H% x# x
3.2 當傳輸線本身的特性阻抗(Z0)被設計者訂定為28ohm時,則終端控管的接地的電阻器(Zt)也必須是28ohm,如此才能協助傳輸線對Z0的保持,使整體得以穩定在28 ohm的設計數值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,訊號的傳輸才會最具效率,其“訊號完整性”(Signal Integrity,為訊號品質之專用術語)也才最好。
3 W2 x9 w5 h( p# c/ n3 [2 I: @[img=568,140]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img] + R' Z `4 W: P
4 b& c" B& {0 N+ o/ |6 V8 h《http://www.eurekacp.com.tw》% s! ^2 s9 C1 V L9 E: {
[img=680,10]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img] 四.特性阻抗(Characteristic Impedance) - {9 C; O4 @9 f( }+ y
4.1 當某訊號方波,在傳輸線組合體的訊號線中,以高準位(High Level)的正壓訊號向前推進時,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出來的負壓訊號伴隨前行(等於正壓訊號反向的回歸路徑Return Path),如此將可完成整體性的迴路(Loop)系統。該“訊號”前行中若將其飛行時間暫短加以凍結,即可想像其所遭受到來自訊號線、介質層與參考層等所共同呈現的瞬間阻抗值(Instantanious Impedance),此即所謂的“特性阻抗”。6 s" v4 |3 z/ l# A
& Y( @3 K. Q- J- s4 Z/ a9 J7 | 是故該“特性阻抗”應與訊號線之線寬(w)、線厚(t)、介質厚度(h)與介質常數(Dk)都扯上了關係。此種傳輸線之一的微帶線其圖示與計算公式如下:
, q0 t5 @, r( c$ u4 p6 [3 B[img=574,152]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img] `( o* v: I* ~
【筆者註】Dk(Dielectric Constant)之正確譯詞應為介質常數,原文中之...r其實應稱做“相對容電率”(Relative Permitivity )才對。後者是從平行金屬板電容器的立場看事情。由於其更接近事實,因而近年來許多重要規範(如IPC-6012、IPC-4101、IPC-2141與IEC-326)等都已改稱為... r了。且原圖中的E並不正確,應為希臘字母 (Episolon)才對。7 p5 a7 A S; ]. f" S0 r- e
6 u. Q! K& c3 j1 h8 G8 t8 o
4.2 阻抗匹配不良的後果( h2 c$ D @9 h- D# ^: z y
# m9 {: i: I, P8 A7 B
由於高頻訊號的“特性阻抗”(Z0)原詞甚長,故一般均簡稱之為“阻抗”。讀者千萬要小心,此與低頻AC交流電(60Hz)其電線(並非傳輸線)中,所出現的阻抗值(Z)並不完全相同。數位系統當整條傳輸線的Z0都能管理妥善,而控制在某一範圍內(±10﹪或 ±5﹪)者,此品質良好的傳輸線,將可使得雜訊減少而誤動作也可避免。$ u4 ~' `5 N) X, T) B
& o0 a6 ?- L/ {# d! @. `8 P
但當上述微帶線中Z0的四種變數(w、t、h、 r)有任一項發生異常,例如圖中的訊號線出現缺口時,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),而無法繼續維持應有的穩定均勻(Continuous)時,則其訊號的能量必然會發生部分前進,而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動作了。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異常,正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。
( V8 r/ _8 a% D! h[img=586,274]mhtml:file://C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\特性阻抗之詮釋與測試.mht! [/img]
: i$ c, c( `' r2 L2 S' J9 B
0 h. o4 g- \1 w! D# t0 L4.3 阻抗匹配不良造成雜訊
3 N8 c8 K7 D; i; I" F ^8 F4 Z8 S8 l' ~/ j% M+ z: U
上述部分訊號能量的反彈,將造成原來良好品質的方波訊號,立即出現異常的變形(即發生高準位向上的Overshoot,與低準位向下的Undershoot,以及二者後續的Ringing;詳細內容另見TPCA會刊第13期“嵌入式電容器”之內文)。此等高頻雜訊嚴重時還會引發誤動作,而且當時脈速度愈快時雜訊愈多也愈容易出錯。
5 H) ~3 d+ T0 @; k3 V1 S O! m p" a# r" X% ^7 r7 b
[ 本帖最后由 zsq0503 于 2008-5-21 16:24 编辑 ] |