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3 E; U& N L' _7 ~( B一. 前言 . @7 q; [2 s) @- v4 W- P
6 h) t& u# D1 r* Z( O7 _& {0 ?8 y6 V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! + I. K5 S5 h! _' S L, x
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二 .将讯号的传输看成软管送水浇花
; P& J( y# ?* w2.1 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?
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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!
$ Y9 B1 @: X3 k2 f: r2.3 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。
3 r* s, N. d5 C( d. M, Q, p2.4 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。
" Z; r3 D! ~2 X% g三. 传输线之终端控管技术(Termination)
$ }( V6 K( n# X3.1 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。
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. d5 t* ~3 R0 Q/ p- e, p$ o3.2 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。
' V9 s$ U1 g0 U1 K9 c/ p" Y# Z# {四.特性阻抗(Characteristic Impedance)
0 x- Y O) i, G5 c3 x" N4.1 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。
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. [/ X. s! w, O, k: N2 G$ r! k" }. H4.2 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 |
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