PCB-Technologie - Eine leicht verständliche Erklärung der charakteristischen Impedanz

Abstrakte und komplexe digitale Hochgeschwindigkeitslogikprinzipien und wie man Quadratwellensignale in der Übertragungsleitung überträgt und wie man seine Signalintegrität (Signalintegrität) sicherstellt, sein Rauschen (Rauschen) reduziert, um den Fehlbetrieb und andere professionelle Ausdrücke zu reduzieren, wenn Sie einfache Lebensbeispiele verwenden können, um zu illustrieren, Aber wenn Sie einen Haufen mathematischer Formeln und schwieriger physikalischer Sprachen anstelle sich zu bewegen, werden die Erleuchtung und Segnungen von Neulingen oder Interventionsteilnehmern effektiver sein, wenn weniger Aufwand erforderlich ist.

Viele Berufseinsteiger, sogar Ärzte und Professoren, deren Lehrer in Xingtan sind, wissen jedoch nicht, ob sie noch nicht wirklich in die Situation eingetreten sind und wissen nicht warum? Oder sie zeigen absichtlich, was sie wissen, um die Gebildeten zu erschrecken, aber sie wissen es nicht, oder sie haben beide Mentalitäten! Es gibt eine große Anzahl von Büchern und Zeitschriftenartikeln auf dem Markt, und die meisten von ihnen sind unerklärlich. Es gibt nur wenige Beispiele. Es lässt die Leute wirklich auf die Blumen im Nebel schauen. Es ist seltsam, es zu verstehen!

Der Autor erhielt kürzlich eine Einweisung über Impedanzsteuerung, die von Nissho HIOKI, einem professionellen elektrischen Prüfunternehmen, zur Verfügung gestellt wurde. Der Inhalt ist auf einen Blick verständlich, was die Menschen lieben lässt. Es ist der Bereich, den der Autor seit langem verfolgt. Ich bin überglücklich über die Zustimmung des ursprünglichen Unternehmens "Wen Kong Construction", mit der starken Unterstützung des Vizepräsidenten der Hong Kong Construction Company Liao Fengying, sowie des ursprünglichen Autors Hiroshi Yamazaki und seiner Vorgesetzten. Vielen Dank an Toshihiko Kanai und andere, die diesen Artikel vervollständigen konnten. Und begrüßen Sie alle Senioren und fortgeschrittenen Studenten, um viele ähnliche Informationen zu geben, um den studentischen Lesern zu helfen, und Sie werden sehr gut in der Branche sein.

1. Behandeln Sie die Signalübertragung als Schlauch zum Gießen von Blumen

1.1 In the multi-layer Brett Signalleitung des digitalen Systems, wenn das Quadratwellensignal übertragen wird, Es kann als Schlauch vorgestellt werden, um Wasser zu den Blumen zu senden. Ein Ende wird im Handgriff unter Druck gesetzt, damit es aus der Wassersäule schießt, und das andere Ende ist mit dem Wasserhahn verbunden. Wenn der Druck des Griffrohrs genau richtig ist, und der Bereich der Wassersäule wird korrekt auf die Zielfläche gesprüht, Das Geben und Empfangen wird glücklich sein und die Mission wird erfolgreich abgeschlossen sein. Ist das nicht eine praktische kleine Errungenschaft?

1.2 Sobald der Wassereinspritzprozess jedoch zu weit ist, wird er nicht nur die Ziel- und Abwasserressourcen verlassen, sondern kann aufgrund des starken Wasserdrucks sogar nirgendwo entlüftet werden, so dass er von der Quelle zurückprallen und dazu führen kann, dass der Schlauch vom Wasserhahn losbricht! Nicht nur die Mission scheiterte, es war auch eine große Frustration. Es ist so stachelig und voller Bohnenquark!

1.3 Im Gegenteil, wenn der Griff nicht genug gedrückt wird, um die Reichweite zu eng zu machen, wird das gewünschte Ergebnis immer noch nicht erzielt. Zu viel ist nicht das, was du willst. Nur wenn es richtig ist, können alle glücklich sein.

1.4 Die oben genannten einfachen Details des Lebens können verwendet werden, um zu veranschaulichen, dass quadratische Wellen (Quadratwelle) Signale (Signal) in mehrschichtigen Leiterplattenübertragungsleitungen durchgeführt werden (Übertragungsleitung, die aus Signalleitungen, dielektrischen Schichten und Bodenschichten besteht). Schnelle Lieferung. Zu diesem Zeitpunkt kann die Übertragungsleitung (allgemein bekannt als Koaxialkabel, Microstrip Line oder Strip Line, etc.) als Schlauch angesehen werden, und der Druck, der durch das Halterohr ausgeübt wird, ist wie das "Empfangsende" auf der Platine. (Receiver) Der parallel zu Gnd angeschlossene Widerstand ist allgemein (es ist eine der fünf Klemmentechnologien, siehe den Artikel "Entwicklung eingebetteter Widerstände" in der 13.Ausgabe von TPCA Proceedings für eine detaillierte Beschreibung), Mit dem Endpunkt Charakteristische Impedanz (Charakteristische Impedanz) an die internen Anforderungen der empfangenden Endkomponenten angepasst werden kann.

2. Klemmensteuerungstechnik der Übertragungsleitung (Beendigung)

2.1 Aus dem obigen kann ersichtlich werden, dass, wenn das "Signal" in der Übertragungsleitung reist und den Endpunkt erreicht und im Empfangselement arbeiten möchte (wie CPU oder Meomery und andere ICs unterschiedlicher Größe), die "charakteristische Impedanz" der Signalleitung selbst sein muss. damit die Aufgabe nicht vergeblich scheitert. In der Terminologie bedeutet es, Anweisungen korrekt auszuführen, Störgeräusche zu reduzieren und falsche Handlungen zu vermeiden. "Wenn sie nicht zueinander passen, gibt es einen kleinen Energieprall zurück in Richtung "Sendeende", der die Probleme von Reflexionsgeräuschen (Noise) verursachen wird.

2.2 Wenn die charakteristische Impedanz (Z0) der Übertragungsleitung selbst vom Designer auf 28 ohm eingestellt wird, muss der Erdungswiderstand (ZT) der Klemmensteuerung auch 28 ohm betragen, um die Übertragungsleitung zu unterstützen, Z0 beizubehalten und den gesamten Entwurfswert von 28 ohm zu stabilisieren. Nur in dieser Matching-Situation von Z0=ZT wird die Signalübertragung am effizientesten sein, und seine "Signalintegrität" (Signalintegrität, ein spezieller Begriff für Signalqualität) ist auch die beste.

3. Charakteristische Impedanz (Charakteristische Impedanz)

3.1 Wenn sich eine quadratische Welle eines Signals mit einem Hochpegel-Überdrucksignal in der Signalleitung der Übertragungsleitungsanordnung vorwärts bewegt, ist die ihr am nächsten liegende Referenzschicht (wie die Erdschicht) theoretisch notwendig. Das durch das elektrische Feld induzierte Unterdrucksignal begleitet die Vorwärtsbewegung (gleich dem Rückweg des Überdrucksignals), so dass das gesamte Schleifensystem vervollständigt werden kann. Wenn das "Signal" vorwärts reist und seine Flugzeit für kurze Zeit einfriert, können Sie sich die momentane Impedanz (Instantanous Impedance) vorstellen, die die Signalleitung, dielektrische Schicht und Referenzschicht gemeinsam erleben. Dies ist die sogenannte "Charakteristische Impedanz".

Daher sollte die "charakteristische Impedanz" auf die Linienbreite (w), Liniendicke (t), dielektrische Dicke (h) und dielektrische Konstante (Dk) der Signalleitung bezogen werden. Die Mikrostreifenlinie, eine der Übertragungsleitungen, hat die folgende Diagramm- und Berechnungsformel: [Anmerkung an den Autor] Die korrekte Übersetzung von Dk (Dielektrische Konstante) sollte die dielektrische Konstante sein. Im Originaltext sollte...r eigentlich "relative capacitance" genannt werden. "Relative Permitivity" ist richtig. Letzteres ist, die Dinge vom Standpunkt paralleler Metallplattenkondensatoren zu betrachten. Da es näher an den Fakten liegt, wurden viele wichtige Spezifikationen (wie IPC-6012, IPC-4101, IPC-2141 und IEC-326) in den letzten Jahren umbenannt... r. Und das E auf dem Originalbild ist falsch, es sollte ein griechischer Buchstabe (Episolon) sein.

3.2 Konsequenzen der unzureichenden Impedanzanpassung

Da der ursprüngliche Begriff "charakteristische Impedanz" (Z0) von Hochfrequenzsignalen sehr lang ist, wird er allgemein als "Impedanz" bezeichnet. Leser müssen vorsichtig sein, dies ist nicht genau das gleiche wie der Impedanzwert (Z), der im niederfrequenten AC (60Hz) Kabel (nicht die Übertragungsleitung) erscheint. In digitalen Systemen, wenn das Z0 der gesamten Übertragungsleitung ordnungsgemäß verwaltet werden kann und wenn es innerhalb eines bestimmten Bereichs (±10% oder ±5%) gesteuert wird, wird diese hochwertige Übertragungsleitung Rauschen reduzieren und Fehlfunktionen vermeiden. Wenn jedoch eine der vier Variablen (w, t, h, r) von Z0 in der obigen Mikrostreifenlinie abnormal ist, wie eine Lücke in der Signallinie in der Abbildung, steigt das ursprüngliche Z0 plötzlich an (siehe die obige Formel Die Tatsache, dass Z0 umgekehrt proportional zu W ist), und kann nicht fortfahren, die gebührende Stabilität und Gleichförmigkeit beizubehalten (Kontinuierlich), wird die Energie des Signals unweigerlich teilweise voranschreiten, während ein Teil der Rückstrahlung fehlt. Auf diese Weise können Lärm und Fehlfunktionen nicht vermieden werden. Der Schlauch auf dem Bild unten wurde plötzlich von Yamazakis Sohn getreten, was zu Anomalien an beiden Enden des Schlauchs führte, was nur das oben erwähnte Problem der schlechten Kennimpedanzanpassung veranschaulicht.

3.3 Schlechte Impedanzanpassung verursacht Rauschen

Der Rückprall eines Teils der oben erwähnten Signalenergie führt dazu, dass das ursprüngliche, qualitativ hochwertige Quadratwellensignal sofort abnormal verformt wird (d.h. der Überschuss des hohen Pegels nach oben, der Unterschuss des niedrigen Pegels nach unten und das anschließende Ringen der beiden; Details Siehe auch TPCA-Verfahrensproblem 13 "Eingebettete Kondensatoren"). Solch hochfrequentes Rauschen kann Störungen verursachen, wenn es schwer ist, und je schneller die Pulsgeschwindigkeit, desto mehr Rauschen und desto einfacher ist es, Fehler zu machen.

4. Prüfung der charakteristischen Impedanz

4.1 Messung mit TDR

Aus dem obigen ist ersichtlich, dass die charakteristische Impedanz Wert in der gesamten Übertragungsleitung muss nicht nur die Gleichmäßigkeit wahren, aber auch seinen Wert innerhalb des vom Konstrukteur geforderten Toleranzbereichs fallen lassen. 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). Daher, wenn sich die Breite der Signalleitung ändert, Die Höhen und Tiefen des Z0 ohm Wertes werden ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt.

4.2 Die niedrige Frequenz muss Z0 nicht messen, die hohe Geschwindigkeit verwendet TDR

Wenn die Wellenlänge der Signal-Quadratwelle (Lambda) weit die Länge der Leiterplattenschaltung überschreitet, besteht keine Notwendigkeit, die lästigen Probleme in Hochgeschwindigkeitsbereichen wie Reflexion und Impedanzsteuerung zu berücksichtigen. Beispielsweise hatte die CPU, die Anfang 1989 nicht schnell war, eine Taktrate von nur 10MHz, und natürlich gäbe es keine komplizierten Probleme bei der Signalübertragung. Die interne Frequenz des aktuellen Pentium 4. ist jedoch bis zu 1,7GHz hoch, was natürlich Probleme verursachen wird. Verglichen mit dem großen Unterschied in der Vergangenheit ist es nichts anderes als ein Himmel! Aus der Wellenformel können wir sehen, dass die Wellenlänge der oben erwähnten 10MHz Quadratwelle ist:

But when the clock rate of the DRAM chipset has risen to 800MHz, die Wellenlänge seiner quadratischen Welle wird auch auf 37 verkürzt.5cm; and the speed of the P-4 CPU ist so hoch wie 1.7GHz und die Wellenlänge ist kürzer bis 17.6cm, so ist es PCB MutterBrett Die externe Frequenz, die zwischen den oben genannten beiden übertragen wird, wird auch auf den Bereich von 400MHz und 75cm Wellenlänge beschleunigt. It can be seen that the line length in these packaged substrates (substrate), und sogar die Linienlänge auf der Mutter Brett, die Signalwellenlänge erreicht haben. Natürlich, der Übertragungsleitungseffekt muss beachtet werden, und TDR-Messung muss ebenfalls verwendet werden. .

4.3 TDR hat eine lange Geschichte

Der Einsatz eines Zeitbereichsreflektometers zur Messung der charakteristischen Impedanz (Z0) der Übertragungsleitung ist nichts Neues. In den frühen Jahren wurde es verwendet, um die Sicherheit von Unterwasserkabeln zu überwachen und immer darauf zu achten, ob es ein "Trennungsproblem" in der Übertragungsqualität gibt. Jetzt wird es allmählich auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeits-Computer und Hochfrequenzkommunikation verwendet.

4.4 TDR Test der CPU Trägerplatte

Die Verpackungstechnik aktiver Komponenten wurde in den letzten Jahren kontinuierlich erneuert und beschleunigt. Das doppelreihige C-DIP und P-DIP Sockelloten (PTH) in den 1970er Jahren ist fast verschwunden. In den 1980er Jahren hat sich der QFP (vierseitiger vorstehender Fuß) bzw. PLCC (vierseitiger Hakenfuß) des Metallstativs (Lead Frame) gegenüber den HDI-Boards oder Handmodellen allmählich verringert. Stattdessen ist es die BGA oder CSP, oder die LGA ohne Beine, die die untere Oberfläche des organischen Blattes (Area Array) ist. Selbst die Verbindung des Chips (Chip) zum Träger (Substract) ist von der Drahtbindung zur kürzeren und direkteren "Flip Chip" (FC)-Technologie fortgeschritten. Die Ladegeschwindigkeit der Elektronikindustrie hat sich fast rapide verändert!

Hioki hat auf der JPCA im Juni 2001 den "1109 Hi Tester" auf den Markt gebracht. Um das Z0 des 1,7GHz Hochgeschwindigkeitsgetriebes FC/PGA TrägerBretts korrekt zu messen, wird die fliegende Sonde nicht mehr für schnelle Bewegungen verwendet. SMA Sonde Typ TDR manueller Touch Test (Press-Type) wird ebenfalls aufgegeben. Stattdessen wird das feste Hochfrequenz-Kurzstreckenkabel für die präzise Positionierung mit dem festen Hochfrequenz-Stift verwendet, und hochpräzise automatische Prüfung wird an der Stelle durchgeführt, an der die automatische Distanzverschiebung und Kontaktleitung gemessen werden sollen.

Mit der XY-Verschiebung der CCD-Kameralinsenüberwachungsplattform und dem Laserhöhensensor, der den Fallpunkt in Z-Richtung inspiziert, können diese doppelte präzise Positionierung und Punktfindung in Verbindung mit der Zusammenarbeit des drehbaren Kontaktstifts Wiederholungen vermeiden. Die Probleme bei der Verwendung herkömmlicher Kabel, Stecker und Schalter usw., reduzieren den Fehler der TDR-Messung erheblich. Dadurch ist die "1109HiTESTER"-Messung von Z0 auf dem Package Carrier Board weitaus genauer als andere Methoden.

Tatsächlich verwendet die Sondenkombination einen vierdirektionalen Sondensatz (jede Richtung hat jeweils ein Signal und 2 Gnd). Wenn die CCD gleichzeitig überwacht und misst, sind die Daten natürlich genauer. Und eventuelle Fehler, die durch Temperaturänderungen verursacht werden, können auch durch die automatische Korrektur der Standardwert-Keramikkartenplatte minimiert werden.

4.5 Genau und ordentlich

Dieses neu eingeführte 1109 kann nicht nur Z0-Messungen auf der CPU der hochwertigsten verpackten Trägerplatine durchführen, sondern auch präzise Messungen an den anderen hochpreisigen CSP, BGA, FC usw. problemlos durchführen. Die zu prüfende Größe kann sogar so klein sein wie 10mm*10mm, zu einem riesigen 500mm*600mm, und es kann mit drastischen Änderungen fertig werden. In Zukunft kann die Industrie auch Messungen von Z0 für tatsächliche Signalleitungen außer Coupon erfordern. Diese schwierige TDR-Technologie befindet sich derzeit in der Entwicklung.