№49-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 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 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（ 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（ 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 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 ０）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 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，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