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。
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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!3 o/ p% s% y' F- U
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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》# {& s T: w' a; u' v" ~+ j7 B% L
![]() [/img] 二 .將訊號的傳輸看成軟管送水澆花
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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?6 o5 |2 t4 K$ _! e; I' A
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" m! t$ I/ X. G* @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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& O$ @# E2 T( h2.3 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。
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2.4 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。* h! u* i4 x" |; `# o/ Y
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《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)
: `% M2 k" g3 }3.1 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。 x6 C! e2 M6 @ l
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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。0 X, a7 `+ j* d1 i
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" R' B# o' \0 P2 V) M- S《http://www.eurekacp.com.tw》
& H5 J; r$ B, k6 m% q [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) z0 z% F! v9 z! ] D9 \6 t/ Z; S
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 g: Z( X" F" e$ Y8 A4 m& G" V
" O, u7 u u) m6 q) J 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:# L! x( ^- r( d" `9 W: C) t
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9 Y2 @, U8 I% i8 j/ f+ u【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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5 n6 x6 w Y, J* Q- l5 T$ [ F4.2 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。, o* ?: B6 |+ l6 i) H: [
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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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+ @( c$ @! a3 x) e4 b$ K$ h+ ?4.3 阻抗匹配不良造成雜訊; g& V* M z+ G' g' n
' d% p/ l3 n q4 ~ 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。
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