Технология PCB - Простое для понимания объяснение волнового сопротивления

Абстрактные и сложные принципы цифровой высокоскоростной логики, и как передавать сигналы квадратной волны в линии передачи, и как обеспечить целостность сигнала (Signal Integrity), уменьшить его шум (Noise), чтобы уменьшить неправильную работу и другие профессиональные выражения, если можно использовать простые жизненные примеры, используются для иллюстрации, но если вместо движения привести кучу математических формул и сложных физических языков, просветление и благословение новичков или вмешавшихся будет более эффективным, если потребуется меньше усилий. волновое сопротивление

Однако многие начинающие специалисты, даже доктора и профессора, чьи учителя находятся в Синтане, не знают, действительно ли они еще не вошли в ситуацию и не знают почему? Или они специально выставляют напоказ то, что знают, чтобы напугать образованных, но сами не знают, или у них оба мышления! На рынке представлено огромное количество книг и журнальных статей, и большинство из них не поддаются объяснению. Можно привести несколько примеров. Это действительно заставляет людей смотреть на цветы в тумане. Странно это понимать!

Недавно автор получил краткую информацию об импедансном контроле, предоставленную профессиональной компанией Nissho HIOKI, занимающейся тестированием электрооборудования. Можно сказать, что ее содержание понятно с первого взгляда, поэтому она нравится людям. Это та сфера, к которой автор стремился долгое время. Я счастлив, что получил согласие оригинальной компании "Wen Kong Construction" при активном содействии вице-президента "Hong Kong Construction Company" Ляо Фэнъина, а также оригинального автора Хироси Ямадзаки и его начальства. Спасибо Тосихико Канаи и другим за возможность завершить эту статью. И приветствую всех старшекурсников и студентов старших курсов, дайте побольше подобной информации на пользу студентам-читателям, и вы будете очень хороши в отрасли.

1. Рассматривайте передачу сигнала как шланг для полива цветов

(1) В сигнальной линии многослойной платы цифровой системы при передаче сигнала квадратной волны его можно представить как шланг для подачи воды на цветы. Один его конец находится под давлением в рукоятке, заставляя ее выбрасывать столб воды, а другой конец подключен к крану. Когда давление, создаваемое трубкой рукоятки, будет оптимальным, а столб воды будет правильно распылен на целевую область, и дающий, и принимающий будут счастливы, а миссия успешно завершена. Не правда ли, удобное достижение?

(2) Однако, как только процесс впрыска воды зайдет слишком далеко, она не только покинет цель и растратит водные ресурсы, но даже может некуда вытечь из-за сильного давления воды, так что она может отскочить от источника и вызвать отрыв шланга от крана! Задание не только провалилось, но и принесло большое разочарование. Он такой колючий и весь в бобовом твороге!

(3) Напротив, при недостаточном сжатии рукоятки, когда дистанция слишком близка, желаемый результат все равно не будет получен. Слишком много - это не то, чего вы хотите. Только когда все в меру, все могут быть довольны.

(4) Приведенные выше простые подробности жизни можно использовать для иллюстрации того, что сигналы квадратной волны (КВВ) проводятся в линиях передачи многослойной платы (ЛП, которая состоит из сигнальных линий, диэлектрических слоев и слоев земли). Быстрая доставка. В это время линию передачи (обычно называемую коаксиальным кабелем, микрополосковой или полосковой линией и т.д.) можно рассматривать как шланг, а давление, оказываемое удерживающей трубкой, - как "приемный конец" платы. (Приемник) Резистор, подключенный параллельно Gnd, является общим (это одна из пяти терминальных технологий, подробное описание см. в статье "Разработка встроенных резисторов" в 13-м выпуске TPCA Proceedings), с помощью которого можно настроить его характеристический импеданс (Characteristic Impedance) конечной точки в соответствии с внутренними требованиями компонентов приемного конца.

2. Технология оконечного управления линией передачи (Termination)

(1) линии и достигает конечной точки и хочет работать в приемном элементе (например, процессоре или меомерии и других ИС различных размеров), "характеристический импеданс" самой сигнальной линии должен быть Он должен быть согласован с внутренним электронным импедансом оконечного элемента, чтобы задача не оказалась напрасной. В терминологии это означает правильное выполнение инструкций, уменьшение шумовых помех и исключение ошибочных действий." Как только они не согласуются друг с другом, произойдет небольшой отскок энергии в сторону "передающего конца", что вызовет неприятность в виде шума отражения (Noise). .

(2) Когда характеристический импеданс (Z0) самой линии передачи задан разработчиком как 28 Ом, заземляющий резистор (Zt) оконечного регулятора также должен быть равен 28 Ом, чтобы помочь линии передачи поддерживать Z0 и стабилизировать все проектное значение 28 Ом. Только в такой ситуации согласования Z0=Zt передача сигнала будет наиболее эффективной, а его "целостность" (signal integrity, специальный термин для обозначения качества сигнала) - наилучшей.

3. Характеристический импеданс (Characteristic Impedance)

(1) Когда квадратная волна сигнала движется вперед с высокоуровневым положительным сигналом давления в сигнальной линии узла линии передачи, теоретически необходимо, чтобы ближайший к ней опорный слой (например, слой земли) сопровождал вперед отрицательный сигнал давления, индуцированный электрическим полем (равный обратному пути положительного сигнала давления), чтобы общая система контура была завершена. Если "сигнал" движется вперед и на короткое время замирает в своем полете, то можно представить себе мгновенное сопротивление (Instantanious Impedance), которое будут испытывать вместе сигнальная линия, диэлектрический слой и опорный слой. Это и есть так называемый "характеристический импеданс".

Таким образом, "характеристический импеданс" должен быть связан с шириной линии (w), толщиной линии (t), толщиной диэлектрика (h) и диэлектрической проницаемостью (Dk) сигнальной линии. Микрополосковая линия, являющаяся одной из линий передачи, имеет следующую схему и формулу расчета: [Примечание автора] Правильно переводить Dk (Dielectric Constant) следует как диэлектрическая проницаемость. В оригинальном тексте ...r на самом деле следует называть "relative capacitance" Правильно - "относительная емкость". Последнее - это взгляд на вещи с точки зрения параллельных конденсаторов с металлическими пластинами. Поскольку это ближе к фактам, многие важные спецификации (такие как IPC-6012, IPC-4101, IPC-2141 и IEC-326) в последние годы были переименованы в...r. И буква E на оригинальном рисунке неправильная, это должна быть греческая буква (Episolon).

(2) Последствия плохого согласования импеданса

Поскольку исходный термин "характеристический импеданс" (Z0) высокочастотных сигналов очень длинный, его принято называть "импедансом". Читатели должны быть внимательны, это не совсем то же самое, что значение импеданса (Z), возникающее в низкочастотном проводе переменного тока (60 Гц) (не в линии передачи). В цифровых системах, когда Z0 всей линии передачи может управляться должным образом, и если оно контролируется в определенном диапазоне (±10% или ±5%), такая высококачественная линия передачи позволит снизить уровень шума и избежать ошибок в работе. Однако, когда любая из четырех переменных (w, t, h, r) Z0 в приведенной выше микрополосковой линии аномальна, например разрыв в сигнальной линии на рисунке, исходное значение Z0 внезапно возрастет (см. приведенную выше формулу Тот факт, что Z0 обратно пропорционально W) и не сможет продолжать поддерживать должную стабильность и равномерность (Continuous), энергия сигнала неизбежно будет частично продвигаться, а часть отраженного сигнала будет отсутствовать. Таким образом, шумов и сбоев в работе избежать не удастся. На шланг, изображенный на рисунке ниже, неожиданно наступил сын Ямадзаки, что привело к нарушениям на обоих концах шланга, и это как раз иллюстрирует вышеупомянутую проблему плохого согласования характеристического импеданса.

(3) Плохое согласование импеданса вызывает шум

Отскок части энергии сигнала, о котором говорилось выше, приводит к немедленной аномальной деформации исходного качественного сигнала квадратной волны (т.е. к перескоку высокого уровня вверх, перескоку низкого уровня вниз и последующему звону обоих; подробнее см. также выпуск 13 Трудов ТПКП "Встроенные конденсаторы"). Такие высокочастотные шумы могут приводить к сбоям в работе, причем чем выше скорость импульсов, тем больше шумов и тем легче допустить ошибку.

4. Испытание характеристического импеданса

(1) Измерение с помощью TDR

Из сказанного выше видно, что значение характеристического импеданса в общей линии передачи должно не только сохранять однородность, но и попадать в требуемый разработчиком диапазон допусков. Общим методом измерения является рефлектометрия во временной области (TDR). Этот TDR может генерировать ступенчатую волну (StepPulse или Step Wave) и направлять ее в тестируемую линию передачи, превращая в падающую волну (Incident Wave). Поэтому при изменении ширины сигнальной линии на экране также будут появляться подъемы и спады значения Z0 Ом.

(2) На низкой частоте нет необходимости измерять Z0, на высокой скорости будет использоваться TDR

Когда длина волны квадратного сигнала (лямбда) значительно превышает длину контура платы, нет необходимости рассматривать такие проблемные вопросы в высокоскоростных областях, как отражение и контроль импеданса. Например, у небыстрого процессора начала 1989 года тактовая частота составляла всего 10 МГц, и, естественно, никаких сложных проблем при передаче сигнала не возникало. Однако внутренняя частота нынешнего Pentium 4. достигает 1,7 ГГц, что, естественно, вызовет проблемы. По сравнению с той огромной разницей, которая была в прошлом, это просто небо! Из волновой формулы видно, что длина волны упомянутой выше квадратной волны 10 МГц составляет:

Но когда тактовая частота чипсета DRAM повысится до 800 МГц, длина его квадратной волны также сократится до 37,5 см; а частота процессора P-4 достигает 1,7 ГГц, а длина волны сокращается до 17,6 см, поэтому его материнская плата PCB Внешняя частота, передаваемая между двумя вышеуказанными процессорами, также будет ускорена до области 400 МГц и длины волны 75 см. Видно, что длина линии в этих упакованных подложках (субстратах) и даже длина линии на материнской плате достигли длины волны сигнала. Конечно, необходимо обратить внимание на эффект линии передачи и использовать измерения TDR. .

(3) TDR имеет долгую историю

Использование рефлектометра во временной области для измерения значения характеристического импеданса (Z0) линии передачи не является чем-то новым. В первые годы его использовали для контроля безопасности подводных кабелей и всегда обращали внимание на то, нет ли проблем с "разрывом" в качестве передачи. Сейчас он постепенно используется в области высокоскоростных компьютеров и высокочастотной связи.

(4) TDR-тестирование несущей платы процессора

В последние годы технология упаковки активных компонентов постоянно обновляется и ускоряется. Двухрядная пайка гнезд C-DIP и P-DIP в 1970-х годах практически исчезла. В 1980-х годах на металлическом штативе (Lead Frame) постепенно уменьшилось количество QFP (четырехсторонняя выступающая ножка) или PLCC (четырехсторонняя крючкообразная ножка) на платах HDI или ручных моделях. Вместо них используются BGA или CSP, или LGA без ножек, которые являются нижней поверхностью органического листа (Area Array). Даже соединение микросхемы (Chip) с носителем (Substract) перешло от проводного соединения к более короткой и прямой технологии "flip chip" (FC). Скорость заряда электронной промышленности изменилась почти стремительно!

В июне 2001 года на выставке JPCA компания Hioki представила "1109 Hi Tester". Для корректного измерения Z0 несущей платы FC/PGA с высокоскоростной передачей данных на частоте 1,7 ГГц летающий пробник больше не используется для быстрого перемещения. От ручного контактного тестирования (Press-type) с помощью щупов SMA типа TDR также отказались. Вместо этого для точного позиционирования с помощью фиксированного высокочастотного щупа используется высокочастотный кабель короткой длины, а высокоточное автоматическое тестирование выполняется в точке, где необходимо измерить автоматическое смещение расстояния и линию контакта. .

Благодаря перемещению по оси XY платформы, контролируемой объективом CCD-камеры, и лазерному датчику высоты, проверяющему точку падения в направлении Z, такое двойное точное позиционирование и поиск точки в сочетании с сотрудничеством с вращающимся контактным щупом позволяет избежать повторений. Отсутствие необходимости использования традиционных кабелей, разъемов, переключателей и т.д. значительно снижает погрешность измерений TDR. Благодаря этому измерение Z0 на плате-носителе пакета с помощью "1109HiTESTER" оказалось намного точнее, чем при использовании других методов.

Фактически используется четырехнаправленный набор пробников (в каждом направлении соответственно 1 Signal и 2 Gnd). При одновременном контроле и измерении ПЗС данные, конечно, будут более точными. А погрешность, вызванная изменением температуры, также может быть сведена к минимуму при автоматической коррекции стандартного значения керамической платы.

(5) Точность и аккуратность

Недавно выпущенный прибор 1109 может не только выполнять измерения Z0 на процессоре самой дорогой платы, но и с легкостью производить точные измерения на других дорогостоящих CSP, BGA, FC и т.д. Размер тестируемой платы может быть от 10 мм*10 мм до огромных размеров 500 мм*600 мм, и она может справиться с резкими изменениями. В будущем промышленность может потребовать измерения Z0 и для реальных сигнальных линий, отличных от Coupon. В настоящее время эта сложная технология TDR находится в стадии разработки. волновое сопротивление