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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?
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2.2 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!
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. M' L5 k; f1 `( U3 E/ C" N% g2.3 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。7 U& n6 Q1 n& \/ v) ?0 o6 b
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5 ?/ K A$ i8 v, m. ]0 K3 i0 c) U2.4 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。
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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”。$ H- E3 q1 ? J7 \( p" Y
0 P* F3 x7 A: P/ e. S7 A5 q 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:8 a! |/ C' H3 R$ |, C5 w
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【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。
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4.2 阻抗匹配不良的後果
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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。
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! x: ]5 {1 y. P; s1 ~4 \ 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。
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4.3 阻抗匹配不良造成雜訊
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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。