Tecnología de PCB - Una interpretación comprensible de la impedancia característica

El principio abstracto y complejo de la lógica digital de alta velocidad, y cómo transmitir la señal de Onda cuadrada en la línea de transmisión, y cómo garantizar la integridad de la señal (integridad de la señal), reducir su ruido (ruido) para reducir el mal funcionamiento y otras expresiones profesionales, si se puede utilizar un simple Ejemplo de vida para explicar, Pero si traes un montón de fórmulas matemáticas y lenguajes físicos difíciles en lugar de moverse, la iluminación y la bendición de un novato o interventor serán más efectivas si se requiere menos esfuerzo.

¿Sin embargo, muchos profesionales de pregrado, incluso sus profesores de doctorado y profesores en Xingtan, no saben si realmente no han entrado en esta situación, y no saben por qué? ¡O alardean deliberadamente de lo que saben para asustar a la gente educada, pero no lo saben, o tienen dos tipos de Psicología! Hay muchos libros y artículos de revistas en el mercado, la mayoría de los cuales son difíciles de explicar. Hay varios ejemplos. Realmente hace que la gente vea las flores en la niebla. ¡Es extraño entenderlo!

Los autores han obtenido recientemente una breve información sobre el control de impedancia proporcionada por nissho hioki, una empresa profesional de pruebas eléctricas. El contenido se puede decir de un vistazo, la gente no puede dejar de amar. Este es el campo que el autor ha estado persiguiendo durante mucho tiempo. Estoy encantado de obtener el consentimiento de la antigua empresa de construcción de Hong Kong, con la asistencia de Liao fengying, Vicepresidente de la empresa de construcción de Hong Kong, el autor original Hiroshi Yamazaki y sus superiores. Gracias a toshihihiko Kanai y a otros por completar este artículo. Todos los estudiantes de último a ño y Senior son bienvenidos a proporcionar una gran cantidad de información similar para beneficiar a los lectores de los estudiantes, usted será excelente en la industria.

1... Considere la transmisión de la señal como una manguera de riego

1.1 In the multi-layer Tabla Línea de señal del sistema digital, Cuando se envía una señal de Onda cuadrada, Se puede imaginar como una manguera que envía agua a las flores. Un extremo se presiona en el mango para expulsar la columna de agua, El otro extremo está conectado con el grifo. Cuando la presión aplicada por la abrazadera es adecuada, Y el rango de la columna de agua se rocía correctamente en el área objetivo, Dar y recibir será feliz, y la tarea será cumplida.. No es un pequeño logro conveniente?

¡1.2 Sin embargo, una vez que el proceso de inyección de agua está demasiado lejos, no sólo puede vaciar el objetivo y desperdiciar los recursos hídricos, sino que también puede no haber descarga debido a la fuerte presión del agua, lo que puede rebotar de la fuente y causar que la manguera se caiga del grifo! La Misión no sólo fracasó, sino que también fue frustrante. ¡Es tan espinoso y lleno de tofu!

1.3 por el contrario, cuando la empuñadura no está suficientemente apretada para acercar el alcance, todavía no se pueden obtener los resultados deseados. Demasiado no es lo que quieres. Sólo en el momento adecuado, todos serán felices.

1.4. Los detalles simples de la vida anteriores pueden utilizarse para explicar que la señal de Onda cuadrada (señal) se realiza en una línea de transmisión multicapa (línea de transmisión compuesta por líneas de señal, capas dieléctricas y capas de tierra). Entrega rápida. En este punto, la línea de transmisión (generalmente llamada cable coaxial, línea MICROSTRIP o línea de banda, Etc..) puede ser considerada como una manguera, manteniendo la presión ejercida por el tubo como el "extremo receptor" en la placa. (receptor) las resistencias conectadas en paralelo con gnd son de uso general (es una de las cinco técnicas finales descritas en detalle en el artículo "desarrollo de resistencias embebidas" en el número 13 del acta tpca). Se puede utilizar para ajustar la impedancia característica de su punto final (impedancia característica) para que coincida con los requisitos internos de los componentes del extremo receptor.

2. Tecnología de control terminal de la línea de transmisión (Terminal)

2.1 de lo anterior se desprende que la "impedancia característica" de la propia línea de señal debe coincidir con la impedancia electrónica interna del elemento terminal cuando la "señal" se propaga a través de la línea de transmisión y llega al punto final y desea funcionar en un elemento receptor, como una CPU o un medidor y otro Ci de diferente tamaño. Para que la tarea no fracase en vano. En terminología, significa ejecutar correctamente las instrucciones, reducir la interferencia acústica y evitar operaciones incorrectas. "Una vez que no coinciden entre sí, un poco de energía rebota hacia el" emisor ", lo que puede causar problemas para reflejar el ruido", dijo.

2.2 Cuando el diseñador establece la impedancia característica (Z0) de la propia línea de transmisión a 28 ohmios, la resistencia de puesta a tierra controlada por el terminal (ZT) también debe ser de 28 ohmios para ayudar a la línea de transmisión a mantener Z0 y estabilizar todo el valor de diseño de 28 ohmios. La transmisión de la señal es más eficaz sólo si Z0 = zt coincide, y su "integridad de la señal" (un término especial para la integridad de la señal y la calidad de la señal) también es óptimo.

3. Impedancia característica

3.1 cuando la Onda cuadrada de la señal se mueve hacia adelante junto con la señal de tensión positiva de alto nivel en la línea de señal del conjunto de la línea de transmisión, es necesaria la capa de referencia teóricamente más cercana (por ejemplo, la capa de puesta a tierra). La señal de presión negativa inducida por el campo eléctrico se mueve hacia adelante (igual a la trayectoria de retorno de la señal de tensión positiva), Por lo tanto, todo el sistema de bucle se puede completar. Si la "señal" viaja hacia adelante y congela su tiempo de vuelo durante un corto período de tiempo, puede imaginar la impedancia instantánea (impedancia instantánea) que las líneas de señal, la capa dieléctrica y la capa de referencia experimentarán juntos. Esto se llama impedancia característica.

Por lo tanto, la "impedancia característica" debe estar relacionada con el ancho de línea (w), el espesor de la línea (t), el espesor dieléctrico (h) y la constante dieléctrica (DK) de la línea de señal. La línea MICROSTRIP es una de las líneas de transmisión y tiene los siguientes gráficos y fórmulas de cálculo: [Nota del autor] la conversión correcta de DK (constante dieléctrica) debe ser constante dieléctrica. En el texto original, R debería llamarse realmente "Capacitancia relativa", y "Capacitancia relativa" es correcta. Este último es un problem a desde el punto de vista del condensador paralelo de placas metálicas. En los últimos años, muchas especificaciones importantes (por ejemplo, IPC - 6012, IPC - 4101, IPC - 2141 e IEC - 326) han cambiado su nombre a... R debido a su proximidad a los hechos. Si la e en la imagen original no es correcta, debe ser la letra griega (Epsilon).

3.2 consecuencias de la mala correspondencia de impedancia

Debido a que el término original para señales de alta frecuencia "impedancia característica" (Z0) es muy largo, a menudo se llama "impedancia". El lector debe tener cuidado de que esto no es exactamente el mismo valor de impedancia (z) que aparece en los cables de corriente alterna de baja frecuencia (60Hz) (no en las líneas de transmisión). En un sistema digital, la línea de transmisión de alta calidad reduce el ruido y evita el mal funcionamiento cuando el Z0 de toda la línea de transmisión puede gestionarse adecuadamente y si se controla dentro de un cierto rango (± 10% o ± 5%). Sin embargo, si alguna de las cuatro variables (W, T, H, r) de Z0 en la línea MICROSTRIP descrita anteriormente es anormal, como la brecha en la línea de señal en la figura, el Z0 original se elevará repentinamente (ver la fórmula anterior, es decir, la relación inversa entre Z0 y w), y no se puede mantener una estabilidad y uniformidad adecuadas (continuidad), la energía de la señal inevitablemente se moverá parcialmente, Sin embargo, faltan algunos reflejos de rebote. Por lo tanto, el ruido y el mal funcionamiento son inevitables. El hijo de Yamazaki pisoteó repentinamente la manguera en la siguiente imagen, causando que ambos extremos de la manguera fueran anormales, lo que ilustra el problema de la mala correspondencia de impedancia característica.

3.3 ruido causado por una mala correspondencia de impedancia

El rebote de algunas de las energías de la señal descritas anteriormente causará una distorsión anormal inmediata de la señal de Onda cuadrada original de alta calidad (es decir, un exceso de alto nivel hacia arriba, un descenso de bajo nivel, y un zumbido posterior de ambos; para más detalles, véase tpca Records No. 13, "Embedded capacitors"). Este tipo de ruido de alta frecuencia causará fallas cuando sea grave. Cuanto más rápido sea la velocidad del pulso, mayor será el ruido y más fácil será cometer errores.

4. Prueba de impedancia característica

4.1 Medición del TDR

Se puede ver desde arriba Impedancia característica Los valores en toda la línea de transmisión no sólo deben ser consistentes, Y dejar su valor dentro de la tolerancia requerida por el diseñador. The general measurement method is to use Time Domain Reflectometry (TDR). This TDR can generate a step wave (StepPulse or Step Wave) and send it into the transmission line to be tested to become an incident wave (Incident Wave). Por consiguiente,, Cuando el ancho de la línea de señal cambia, Los valores de Z0 Ohm arriba y abajo también se mostrarán en la pantalla.

4.2 no es necesario medir Z0 en baja frecuencia y TDR en alta velocidad

Cuando la longitud de onda de la Onda cuadrada de la señal (λ) es mucho mayor que la longitud del Circuito de la placa, no es necesario tener en cuenta los problemas en la región de alta velocidad, como la reflexión y el control de impedancia. Por ejemplo, a principios de 1989 la CPU de baja velocidad tenía una frecuencia de reloj de sólo 10 MHz y, por supuesto, no había problemas complejos en la transmisión de señales. Sin embargo, la frecuencia interna actual del Pentium 4 es de hasta 1,7 GHz, lo que naturalmente causará problemas. ¡En comparación con las grandes diferencias del pasado, es sólo un cielo! De la fórmula de onda se desprende que la longitud de onda de la Onda cuadrada de 10 MHz es la siguiente:

But when the clock rate of the DRAM chipset has risen to 800MHz, La longitud de onda de la Onda cuadrada también se reducirá a 37.5cm; and the speed of the P-4 CPU Hasta 1.7 GHz and the wavelength is shorter to 17.6 cm, Así que... Placa de Circumfluenceo impreso MadreTabla Las frecuencias externas transmitidas entre las dos anteriores también se acelerarán a los rangos de longitud de onda de 400 MHz y 75 cm.. It can be seen that the line length in these packaged substrates (substrate), Incluso la longitud de la línea en la madre Tabla, Longitud de onda de la señal alcanzada. Por supuesto., Debe prestarse atención al efecto de la línea de transmisión, También deben utilizarse mediciones TDR. .

4.3 TDR tiene una larga historia

La medición de la impedancia característica (Z0) de la línea de transmisión con un reflectómetro de dominio de tiempo no es nueva. En sus primeros años, se había utilizado para vigilar la seguridad de los cables submarinos y siempre se había prestado atención a la calidad de la transmisión en caso de "desconexión". Ahora se utiliza gradualmente en computadoras de alta velocidad y comunicaciones de alta frecuencia.

4.4 ensayo TDR de la placa portadora de la CPU

En los últimos años, la tecnología de embalaje de los principios activos se ha actualizado y acelerado continuamente. La soldadura de enchufes de doble fila (PTH) de C - DIP y P - DIP casi desapareció en la década de 1970. En la década de 1980, el qfp (cuatro patas salientes) o plcc (cuatro patas de gancho) del trípode metálico (marco de plomo) disminuyó gradualmente de la placa HDI o del modelo de mano. En su lugar, bga o CSP, o lga sin piernas, es la parte inferior de la matriz orgánica. Incluso la interconexión de chips (chips) y portadores (sustracciones) ha evolucionado de la Unión de cables a una tecnología de "Flip chip" (Gastos permanentes) más corta y directa. ¡La velocidad de carga de la industria electrónica cambia casi rápidamente!

En junio de 2001, hioki lanzó "1109 hi Tester" en jpca. Con el fin de medir correctamente el Z0 de la placa portadora FC / PGA de alta velocidad de 1,7 GHz, la sonda de vuelo ya no se utiliza para el movimiento rápido. También se han abandonado las pruebas manuales de contacto TDR (tipo de presión) basadas en sondas SMA. En su lugar, los cables fijos de corto alcance de alta frecuencia se utilizan para posicionar con precisión los contactos fijos de alta frecuencia y para realizar pruebas automáticas de alta precisión en los puntos de medición del desplazamiento automático de la distancia y los cables de contacto.

El desplazamiento XY de la Plataforma de monitoreo de lentes de cámara CCD y el sensor de altura láser detectan el punto de caída en la dirección Z. Estas posiciones de doble precisión y posicionamiento de puntos, junto con la cooperación de la pluma de contacto rotativa, pueden evitar la repetición. El uso de cables, conectores e interruptores convencionales reduce en gran medida el error de medición de TDR. Esto hace que la medición "1109hitester" de Z0 en la placa portadora encapsulada sea más precisa que otros métodos.

De hecho, la combinación de sondas utiliza conjuntos de sondas en cuatro direcciones (1 señal y 2 gnd en cada dirección). Cuando el CCD monitorea y mide simultáneamente, los datos son ciertamente más precisos. Y cualquier error causado por el cambio de temperatura también puede ser minimizado bajo la corrección automática de la placa de cerámica de valor estándar.

4.5 precisión y limpieza

El nuevo 1109 no sólo puede realizar mediciones Z0 en la CPU de la placa de carga de sello final más alta, sino que también puede realizar fácilmente mediciones precisas en otros CSP de alto precio, bga, FC, Etc.. Las dimensiones a probar pueden ser incluso tan pequeñas como 10 mm * 10 mm y tan grandes como 500 mm * 600 mm, y pueden hacer frente a cambios drásticos. En el futuro, la industria también puede requerir la medición de Z0 para líneas de señal reales además de cupones. Esta difícil tecnología TDR se está desarrollando actualmente.