特性阻抗之解释与测试

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。

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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，为讯号质量之专用术语）也才最好。

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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示与计算公式如下：

【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，此质量良好的传输线，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的四种变数（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，将造成原来良好质量的方波讯号，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，而且当频率速度愈快时噪声愈多也愈容易出错。

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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，则荧光幕上也会出现Z0奥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，其频率速率仅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芯片组的频率速率已跃升到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（Z０）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质量上的“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）