PCB Tecnico - Una spiegazione facile da capire dell'impedenza caratteristica

Principi logici digitali astratti e complessi ad alta velocità, e come trasmettere segnali di onda quadrata nella linea di trasmissione, e come garantire la sua integrità del segnale (integrità del segnale), ridurre il suo rumore (rumore) per ridurre il malfunzionamento e altre espressioni professionali, se è possibile utilizzare semplici esempi di vita sono utilizzati per illustrare, Ma se portate un mucchio di formule matematiche e linguaggi fisici difficili invece di muoversi, l'illuminazione e le benedizioni dei novizi o degli intervenienti saranno più efficaci se sarà necessario meno sforzo.

Tuttavia, molti professionisti universitari, anche medici e professori i cui insegnanti sono a Xingtan, non sanno se non sono ancora realmente entrati nella situazione e non sanno perché? O mostrano deliberatamente ciò che sanno per spaventare gli istruiti, ma non lo sanno, o hanno entrambe le mentalità! Ci sono un gran numero di libri e articoli di riviste sul mercato, e la maggior parte di loro sono inspiegabili. Ci sono pochi esempi. Fa davvero guardare i fiori nella nebbia. E' strano capirlo!

L'autore ha recentemente ottenuto un briefing informativo sul controllo dell'impedenza, che è stato fornito da Nissho HIOKI, una società professionale di test elettrici. Si può dire che il contenuto è comprensibile a colpo d'occhio, il che fa amare la gente. È il regno che l'autore persegue da molto tempo. Sono felicissimo del consenso dell'azienda originale "Wen Kong Construction", con la forte assistenza del vicepresidente Liao Fengying della Hong Kong Construction Company, così come dell'autore originale Hiroshi Yamazaki e dei suoi superiori. Grazie a Toshihiko Kanai e altri per essere stati in grado di completare questo articolo. E diamo il benvenuto a tutti gli anziani e agli studenti avanzati per dare un sacco di informazioni simili a beneficio dei lettori degli studenti, e sarete molto bravi nel settore.

1. Trattare la trasmissione del segnale come un tubo flessibile per innaffiare i fiori

1.1 Nella linea di segnale della scheda multistrato del sistema digitale, quando il segnale dell'onda quadrata viene trasmesso, può essere immaginato come un tubo flessibile per inviare acqua ai fiori. Un'estremità è pressurizzata nell'impugnatura per farlo sparare fuori la colonna d'acqua, e l'altra estremità è collegata al rubinetto. Quando la pressione esercitata dal tubo di presa è giusta e la portata della colonna d'acqua viene spruzzata correttamente sull'area di destinazione, sia il dare che il ricevere saranno felici e la missione sarà completata con successo. Non è un piccolo successo pratico?

1.2 Tuttavia, una volta che il processo di iniezione dell'acqua è troppo lontano, non solo libererà l'obiettivo e le risorse idriche reflue, ma potrebbe anche avere un posto dove sfogarsi a causa della forte pressione dell'acqua, in modo che possa rimbalzare dalla fonte e causare la rottura del tubo flessibile dal rubinetto! Non solo la missione è fallita, è stata anche una grande frustrazione. E' cosi' pungente e piena di cagliata di fagioli!

1.3 Al contrario, quando l'impugnatura non è sufficientemente stretta da rendere la distanza troppo vicina, il risultato desiderato non sarà ancora ottenuto. Troppo non è quello che vuoi. Solo quando è giusto, tutti possono essere felici.

1.4 I semplici dettagli della vita di cui sopra possono essere utilizzati per illustrare che i segnali ad onda quadrata (onda quadrata) (Signal) sono effettuati in linee di trasmissione multistrato (Transmission Line, che è composta da linee di segnale, strati dielettrici e strati di terra). Consegna veloce. In questo momento, la linea di trasmissione (comunemente conosciuta come cavo coassiale, linea microstrip o striscia, ecc.) può essere considerata come un tubo flessibile e la pressione applicata dal tubo di tenuta è come l'"estremità ricevente" sulla scheda. (Ricevitore) La resistenza collegata in parallelo a Gnd è generale (è una delle cinque tecnologie terminali, si prega di fare riferimento all'articolo "Sviluppo di resistenze incorporate" nel 13 ° numero di TPCA Proceedings per la descrizione dettagliata), che può essere utilizzato per regolare il suo punto finale Caratteristico Impedenza (Impedenza Caratteristica) per soddisfare i requisiti interni dei componenti finali riceventi.

2. Tecnologia di controllo terminale della linea di trasmissione (terminazione)

2.1 Da quanto sopra risulta che quando il "segnale" viaggia nella linea di trasmissione e raggiunge il punto finale e vuole lavorare nell'elemento ricevente (come CPU o Meomery e altri IC di diverse dimensioni), l'"impedenza caratteristica" della linea di segnale stessa deve essere abbinata all'impedenza elettronica interna dell'elemento terminale, perché il compito non fallisca invano. In termini terminologici, significa eseguire correttamente le istruzioni, ridurre le interferenze acustiche ed evitare azioni sbagliate. "Una volta che non riescono a combaciare l'uno con l'altro, ci sarà un piccolo rimbalzo di energia verso l'"estremità trasmittente", che causerà il disturbo del rumore di riflessione (Rumore).

2.2 Quando l'impedenza caratteristica (Z0) della linea di trasmissione stessa è impostata a 28 ohm dal progettista, anche la resistenza di messa a terra (ZT) del comando terminale deve essere 28 ohm, in modo da aiutare la linea di trasmissione a mantenere Z0 e stabilizzare l'intero valore di progettazione di 28 ohm. Solo in questa situazione di corrispondenza di Z0=ZT, la trasmissione del segnale sarà la più efficiente e la sua "integrità del segnale" (integrità del segnale, un termine speciale per la qualità del segnale) è anche la migliore.

3. Impedenza Caratteristica (Impedenza Caratteristica)

3.1 Quando un'onda quadrata di un segnale si muove in avanti con un segnale di pressione positiva ad alto livello nella linea di segnale del gruppo della linea di trasmissione, lo strato di riferimento (come lo strato di terra) più vicino ad esso è teoricamente necessario Il segnale di pressione negativa indotto dal campo elettrico accompagna l'avanti (pari al percorso di ritorno del segnale di pressione positiva), in modo che il sistema di loop complessivo possa essere completato. Se il "segnale" viaggia in avanti e congela il suo tempo di volo per un breve periodo, puoi immaginare l'impedenza istantanea (Impedenza istantanea) che la linea del segnale, lo strato dielettrico e lo strato di riferimento sperimenteranno insieme. Questa è la cosiddetta "impedenza caratteristica".

Pertanto, l'"impedenza caratteristica" dovrebbe essere correlata alla larghezza della linea (w), allo spessore della linea (t), allo spessore dielettrico (h) e alla costante dielettrica (Dk) della linea del segnale. La linea microstrip, una delle linee di trasmissione, ha il seguente diagramma e formula di calcolo: [Nota all'autore] La traduzione corretta di Dk (Costante dielettrica) dovrebbe essere la costante dielettrica. Nel testo originale... r dovrebbe essere effettivamente chiamato "capacità relativa" "Permitività relativa" è giusto. Quest'ultimo è quello di guardare le cose dal punto di vista dei condensatori metallici paralleli. Poiché è più vicino ai fatti, molte specifiche importanti (come IPC-6012, IPC-4101, IPC-2141 e IEC-326) sono state rinominate... r negli ultimi anni. E la E nella foto originale non è corretta, dovrebbe essere una lettera greca (Episolone).

3.2 Conseguenze di scarsa corrispondenza dell'impedenza

Poiché il termine originale "impedenza caratteristica" (Z0) dei segnali ad alta frequenza è molto lungo, è generalmente indicato come "impedenza". I lettori devono stare attenti, questo non è esattamente lo stesso del valore di impedenza (Z) che appare nel cavo AC a bassa frequenza (60Hz) (non nella linea di trasmissione). Nei sistemi digitali, quando lo Z0 dell'intera linea di trasmissione può essere gestito correttamente e se è controllato entro un certo intervallo (±10% o ±5%), questa linea di trasmissione di alta qualità ridurrà il rumore ed eviterà il malfunzionamento. Tuttavia, quando una delle quattro variabili (w, t, h, r) di Z0 nella linea di microscatto sopra è anormale, come un gap nella linea di segnale nella figura, lo Z0 originale aumenterà improvvisamente (vedi la formula sopra Il fatto che Z0 è inversamente proporzionale a W), e non può continuare a mantenere la dovuta stabilità e uniformità (Continuo), l'energia del segnale avanzerà inevitabilmente in parte, mentre manca parte della riflessione di rimbalzo. In questo modo non si possono evitare rumori e malfunzionamenti. Il tubo nella foto qui sotto è stato improvvisamente calpestato dal figlio di Yamazaki, causando anomalie a entrambe le estremità del tubo, il che illustra solo il problema sopra menzionato di scarsa corrispondenza caratteristica dell'impedenza.

3.3 La scarsa corrispondenza dell'impedenza provoca rumore

Il rimbalzo di una parte dell'energia del segnale sopra menzionata causerà immediatamente la deformazione anomala del segnale originale di onda quadrata di buona qualità (cioè, il Overshoot del livello alto verso l'alto, il Undershoot del livello basso verso il basso e il successivo Ringing dei due; dettagli Vedi anche TPCA Proceedings Issue 13 "Condensatori incorporati"). Tale rumore ad alta frequenza può causare malfunzionamenti quando è grave e più veloce è la velocità dell'impulso, più rumore e più facile è commettere errori.

4. Prova dell'impedenza caratteristica

4.1 Misurazione con TDR

Da quanto sopra si evince che il valore caratteristico dell'impedenza nella linea di trasmissione globale non solo deve mantenere l'uniformità, ma deve anche far rientrare il suo valore nell'intervallo di tolleranza richiesto dal progettista. Il metodo di misura generale è quello di utilizzare la Riflettometria del dominio temporale (TDR). Questo TDR può generare un'onda di passo (StepPulse o Step Wave) e inviarla nella linea di trasmissione per essere testata per diventare un'onda incidente (Incident Wave). Pertanto, quando cambia la larghezza della linea del segnale, sullo schermo appariranno anche gli alti e bassi del valore Z0 ohm.

4.2 La bassa frequenza non ha bisogno di misurare Z0, l'alta velocità utilizzerà TDR

Quando la lunghezza d'onda dell'onda quadrata del segnale (lambda) supera di gran lunga la lunghezza del circuito della scheda, non è necessario considerare i problemi problematici nelle aree ad alta velocità come la riflessione e il controllo dell'impedenza. Ad esempio, la CPU che non era veloce all'inizio del 1989 aveva una clock rate di soli 10 MHz, e naturalmente non ci sarebbero problemi complicati nella trasmissione del segnale. Tuttavia, la frequenza interna dell'attuale Pentium 4. è alto fino a 1.7GHz, che naturalmente causerà problemi. Rispetto all'enorme differenza del passato, non è altro che un cielo! Dalla formula d'onda, possiamo vedere che la lunghezza d'onda dell'onda quadrata 10MHz di cui sopra è:

Ma quando la velocità di clock del chipset DRAM è salita a 800MHz, anche la lunghezza d'onda della sua onda quadrata sarà accorciata a 37,5 cm; E la velocità della CPU P-4 è alta fino a 1,7 GHz e la lunghezza d'onda è più breve a 17,6 cm, quindi la sua scheda madre PCB La frequenza esterna trasmessa tra i due sopra sarà accelerata anche al regno di 400MHz e 75cm lunghezza d'onda. Si può vedere che la lunghezza della linea in questi substrati confezionati (substrato), e anche la lunghezza della linea sulla scheda madre, hanno raggiunto la lunghezza d'onda del segnale. Naturalmente, l'effetto della linea di trasmissione deve essere prestata attenzione e anche la misurazione TDR deve essere utilizzata.

4.3 TDR ha una lunga storia

L'utilizzo di un reflectometro a dominio temporale per misurare il valore di impedenza caratteristica (Z0) della linea di trasmissione non è una cosa nuova. Nei primi anni, è stato utilizzato per monitorare la sicurezza dei cavi sottomarini, e prestare sempre attenzione a se c'è un problema di "disconnessione" nella qualità della trasmissione. Ora viene gradualmente utilizzato nel campo del computer ad alta velocità e della comunicazione ad alta frequenza.

4.4 Test TDR della scheda portante della CPU

La tecnologia di confezionamento dei componenti attivi è stata continuamente rinnovata e accelerata negli ultimi anni. La saldatura a doppia fila C-DIP e P-DIP (PTH) negli anni '70 è quasi scomparsa. Negli anni '80, il QFP (piede sporgente a quattro lati) o PLCC (piede gancio a quattro lati) del treppiede metallico (Lead Frame) è gradualmente diminuito rispetto ai modelli HDI o palmari. Invece, è il BGA o CSP, o la LGA senza gambe, che è la superficie inferiore del foglio organico (Area Array). Anche l'interconnessione del chip (Chip) al vettore (Substrato) è progredita dal legame metallico alla tecnologia più breve e diretta "flip chip" (FC). La velocità della carica dell'industria elettronica è quasi cambiata rapidamente!

Hioki ha lanciato il "1109 Hi Tester" presso JPCA nel giugno 2001. Per misurare correttamente lo Z0 della scheda portante FC/PGA ad alta velocità di trasmissione da 1,7 GHz, la sonda volante non è più utilizzata per il movimento rapido. Viene anche abbandonato il test manuale di tocco TDR della sonda SMA (tipo Press). Invece, il cavo fisso ad alta frequenza a breve distanza viene utilizzato per il posizionamento preciso con lo stilo fisso ad alta frequenza e la prova automatica ad alta precisione viene eseguita nel punto in cui devono essere misurati lo spostamento automatico della distanza e la linea di contatto.

Con lo spostamento XY della piattaforma di monitoraggio dell'obiettivo della fotocamera CCD e il sensore di altezza laser che ispeziona il punto di caduta nella direzione Z, questi due posizionamenti precisi e la ricerca del punto, accoppiati con la cooperazione dello stilo rotante del contatto, possono evitare la ripetizione. Il problema di utilizzare cavi, connettori e interruttori tradizionali, ecc., riduce notevolmente l'errore di misurazione TDR. Questo ha reso la misurazione "1109HiTESTER" di Z0 sul bordo del supporto del pacchetto molto più accurata rispetto ad altri metodi.

Infatti, la combinazione di sonde utilizza un set di sonde a quattro direzioni (ogni direzione ha rispettivamente 1 Segnale e 2 Gnd). Quando il CCD monitora e misura contemporaneamente, i dati saranno ovviamente più accurati. E qualsiasi errore causato da cambiamenti di temperatura può anche essere minimizzato sotto la correzione automatica del bordo ceramico di valore standard.

4.5 Accurato e ordinato

Questo 1109 appena lanciato può non solo eseguire la misurazione Z0 sulla CPU della scheda portante confezionata di fascia alta, ma anche eseguire misurazioni precise su altri CSP, BGA, FC, ecc. ad alto prezzo con facilità. La dimensione da testare può anche essere piccola come 10mm * 10mm, ad un enorme 500mm * 600mm, e può far fronte a cambiamenti drastici. In futuro, l'industria potrebbe anche richiedere la misurazione di Z0 per linee di segnale effettive diverse da Coupon. Questa difficile tecnologia TDR è attualmente in fase di sviluppo.