阻抗设计与运用.

1、P1/P29 阻抗控制設計與運用阻抗控制設計與運用1999.09.06 1999.09.06 JOHNNY HSU JOHNNY HSU 徐徐 振振 連連TAPOWER/GROUNDSIGNALWSIGNALWTAADPOWER/GROUNDPOWER/GROUNDP2/P29 在磁場區裡之條線在磁場區裡之條線( (STRIPLINE )STRIPLINE )磁場靜電場* *注意注意: : 當電流流動時其磁場就產生當電流流動時其磁場就產生. . 當有電壓時其靜電場就產生當有電壓時其靜電場就產生. .* *注意注意: : 當電流流動時其磁場就產生當電流流動時其磁場就產生. . 當有電壓時其靜電場

2、就產生當有電壓時其靜電場就產生. .P3/P29 Noise Source in an Ecl. Based System(34%)(34%)(5%)(5%)(16%)(16%)(5%)(5%)(16%(16%) )(7%)(7%)(8%)(8%)(9%)(9%)Total of All Noise Sources = 224 mVAvailable Noise Budget = 125 mVExcess Noise = 99 mVP4/P29 Impedance Mismatch Sources Changes in trace width Stubs Loads Connector tra

3、nsitions Poorly matched terminations or lack of terminations Large power plane discontinuities In other words, anything that can change the Lo or Co of a transmission line will change its impedance. NOTE: In spite of popular held beliefs, vias and right angle bends are not measure sources of impedan

4、ce mismatch.P5/P29 阻抗控制需求決定條件阻抗控制需求決定條件 工作頻率工作頻率( (影響影響rise time)rise time) 傳輸線之長度傳輸線之長度 ( ( 造成造成propagation delay )propagation delay ) 所以工作頻率越高所以工作頻率越高, ,傳輸線過長需考慮作阻傳輸線過長需考慮作阻 抗控制抗控制. . 所以所以工作頻率越高工作頻率越高, ,傳輸線過長傳輸線過長需考慮作阻需考慮作阻 抗控制抗控制. .P6/P29 When is Reflection Important?When is Reflection Important?

5、 Reflections can usually be ignored Reflections can usually be ignored whenwhen the rise time of a signal is slow the rise time of a signal is slow relative to propagation delay relative to propagation delay Rule of thumbRule of thumb - When the rise time is shorter than - When the rise time is shor

6、ter than about 8 times the propagation delay about 8 times the propagation delay ,transmission line effects become ,transmission line effects become significant. That is , if significant. That is , ifRise TimePropagation Delay 8P7/P29 Rise Time and Propagation DelayRise Time and Propagation DelayExa

7、mples #1Examples #1- - 10 10 Ns rise time (typical TTL)Ns rise time (typical TTL)- - 1 1 Ns interconnect delay ( 6 inches)Ns interconnect delay ( 6 inches)10 ns1 nsNo ProblemNo ProblemP8/P29 Rise Time and Propagation DelayRise Time and Propagation DelayExamples #2Examples #2- - 0.5 0.5 Ns rise time

8、(ECL or advanced CMOS Logic)Ns rise time (ECL or advanced CMOS Logic)- - 1 1 Ns interconnect delay ( 6 inches)Ns interconnect delay ( 6 inches)Reflection occur at any rise time , however,Reflection occur at any rise time , however,at slower rise times they not be significantat slower rise times they

9、 not be significantin the circuitin the circuit0.5 ns1 nsReflectionP9/P29 傳輸線構成之三要素傳輸線構成之三要素訊號線訊號線介質層介質層接地層接地層+傳輸線傳輸線傳輸線構成之三要素傳輸線構成之三要素傳輸線構成之三要素傳輸線構成之三要素P10/P29 阻抗匹配之三個要素阻抗匹配之三個要素 輸出阻抗輸出阻抗( (原始主動零件原始主動零件) )特性阻抗特性阻抗 ( (訊號線訊號線) )輸入阻抗輸入阻抗 ( (被動零件被動零件) )阻抗匹配阻抗匹配(Impedance Match)阻抗匹配之三個要素阻抗匹配之三個要素阻抗匹配之三個

10、要素阻抗匹配之三個要素P11/P29 阻抗控制設計流程圖阻抗控制設計流程圖 ( (Impedance Control Design Flow Chart)資料接收資料接收 ( Data come-in)阻抗控制設計阻抗控制設計 ( Impedance Control)製作規範填寫製作規範填寫 ( Run-Card Issue)底片設計底片設計 ( A/W Design)基板基板, ,膠片管制膠片管制( Material,Preperg Control)壓合厚度管制壓合厚度管制 (Laminate Thickness Control)電鍍厚鍍管制電鍍厚鍍管制 ( (Plating Thickne

11、ss Control)Plating Thickness Control)阻抗量測阻抗量測 ( Impedance Measurement)線寬蝕刻管制線寬蝕刻管制 ( (Line Width Etching Control)Line Width Etching Control)Micro-strip-lineStrip-lineDual-strip-lineEmbeded micro-strip-lineMicrosection InspectionMicrosection InspectionMicrosection InspectionT. D. R. Measurement P12/P

12、29 名名 詞詞 定定 義義 : : 何謂何謂“特性阻抗值特性阻抗值” ( ( Characteristic Impedance, Characteristic Impedance, ZO)ZO) ? ? 所用單位為所用單位為歐姆歐姆 ( ( ohm ; )ohm ; ) . . 電子機器傳輸訊號線中電子機器傳輸訊號線中, ,其高頻訊號或電磁波傳播其高頻訊號或電磁波傳播 時所遭遇的阻力稱之為時所遭遇的阻力稱之為特性阻抗特性阻抗. . 與其電感及電容都有關係與其電感及電容都有關係, ,即即 Zo =L / CL : 電 感C : 電 容P13/P29 名名 詞詞 定定 義義 : : 意指PCB之

13、外層Trace,經一介電物質鄰接一整片平面 (solid plane).Microstrip方式提供PCB上之RF壓制, 同時也可容許比 stripline較快之clock及邏輯訊號. 此較快之clock及邏輯訊號是因為較小之耦合電容及 較低之空載傳輸延遲.Microstrip的缺點是此PCB外 部信號層會幅射RF能量進入環境,除非在此層之上下 加入金屬屏蔽.MICRO-STRIPLINETAPOWER/GROUNDSIGNALW 何謂何謂 “ “ 微條線微條線 ” ” ( ( Microstrip Microstrip ) ) ? ?MICRO-STRIPLINETPOWER/GROUNDS

14、IGNALWAP14/P29 名名 詞詞 定定 義義 : : 信號層介於兩個solid plane (Voltage或Ground)之間, 可達到較佳之幅射防制,但只能用在較低之傳輸速度.因 信號層介於兩個solid planes之間,兩平面間會有電容性 耦合,導致降低高速信號之邊緣速率(edge rate),Stripline 之電容耦合效應在邊緣速率快於1ns之信號上較為顯著. 使用Stripline的主要效應是對內部trace之RF能量之完整 屏蔽,因而對射頻幅射有較佳之抑制能力. 何謂何謂 “ “ 條線式條線式 ” ” ( ( StriplineStripline ) ) ? ?STR

15、IPLINESIGNALWTAADPOWER/GROUNDPOWER/GROUNDSIGNALWTADPOWER/GROUNDPOWER/GROUNDASTRIPLINEP15/P29 名名 詞詞 定定 義義 : : 何謂何謂 “ “ 介質常數介質常數 ” ” ? ? ( ( Dielectric Constant )Dielectric Constant ) 某一介質材料的電容,與相同條件下以真 空為介質之電容o,兩者之比值(/o) 稱為該材料的介質常數 Dielectric Constant,又稱透電率 Permittivity .日文 名詞為誘電率.在傳訊頻率1 MZ下,傳統FR-4 基

16、材之介質常數為4.5 . 每降低10%的Dk值,可以達成大約5%特性阻抗的 提升. P16/P29 名名 詞詞 定定 義義 : : 何謂何謂 “ “時域反射器時域反射器”( (T Time ime D Domain omain R Reflectometryeflectometry ) )? (? (簡稱簡稱 TDR )TDR ) 利用將入射波發出後,使所產生反射波的大小,與時間之關係,對 不同長度的未知導體(包括一般的電纜線,電路板內的訊號線或 是任何具特性阻抗的導線),量測其阻抗變化的一種裝置. 自主機延著所引出的傳輸線中,發射出一種“電壓“式的階梯波. 該纜線係阻抗值為50的精密同軸傳輸

17、線,將以兩探針式的接 點與PCB板邊測樣(COUPON)之特定通孔接觸,分別連接訊號層 與接地層,對其訊號線進行“特性阻抗”值的量測.一旦訊號線中 存在任何“缺陷”(如線路中的缺口,突出,針孔,壓痕),導致特 性阻抗值變化時,均將產生反射,而在波形上出現不穩之起伏, 於是可測到阻抗值變化,及接收此階梯波並有顯示和分析功能 的示波器.P17/P29 二二 . . 阻抗之類別阻抗之類別 : : 特性阻抗特性阻抗 ( (Characteristic Impedance)Characteristic Impedance) 差動阻抗差動阻抗 ( (Differential Impedance)Diffe

18、rential Impedance) 共模阻抗共模阻抗 ( (Common Mode Impedance)Common Mode Impedance) 奇模阻抗奇模阻抗 ( (Odd Mode Impedance)Odd Mode Impedance) 偶模阻抗偶模阻抗 ( (Even Mode Impedance)Even Mode Impedance) (= 1/2 (= 1/2倍倍 特性阻抗特性阻抗;= 1/2;= 1/2倍倍 差動阻抗差動阻抗) ) (= 2 (= 2 倍倍 共模阻抗共模阻抗) )(當二導體與其大地絕緣後當二導體與其大地絕緣後, ,彼此之間的阻抗彼此之間的阻抗) ( (

19、二導線間的量測阻抗二導線間的量測阻抗) (“ (“將兩導線連接在一起時將兩導線連接在一起時, ,導線對大地之間的阻抗關係導線對大地之間的阻抗關係) (“ (“當兩導線做差動使用時當兩導線做差動使用時, ,任一導線對大地之間的阻抗任一導線對大地之間的阻抗) (“ (“當兩導線用來傳輸兩完全相同且極性一致的信號當兩導線用來傳輸兩完全相同且極性一致的信號時時, , 其任一導線對大地之間的阻抗其任一導線對大地之間的阻抗)P18/P29 阻阻 抗抗 影影 響響 之之 因因 素素* * A. A. 介質常數介質常數( (DkDk):): 由原物料決定由原物料決定. .* * B. B. 線路厚度線路厚度(

20、 (T):T): 由原物料或製程能力決定由原物料或製程能力決定( (PLATING)PLATING)* * C. C. 線寬線寬( (W):W): 由製程能力決定由製程能力決定( (A/W,D/F IMAGE,ETCHA/W,D/F IMAGE,ETCH.).)* * D. D. 層間絕緣厚度層間絕緣厚度( (H):H): 由製程能力決定由製程能力決定( (PREPREGPREPREG厚度厚度, , 殘銅率殘銅率) )P19/P29 * * 介介 質質 層層 厚厚 度度 ( (H) (H) (與阻抗與阻抗 Z Z 之關係為之關係為 H )H ) 介質厚度介質厚度& & 特性阻抗

21、特性阻抗 介質厚度介質厚度& & 特性阻抗特性阻抗 介質厚度介質厚度& & 特性阻抗特性阻抗 介質厚度介質厚度& & 特性阻抗特性阻抗特性阻抗因素之相互關係特性阻抗因素之相互關係 * * 線線 寬寬 ( (W) (W) (與阻抗與阻抗 Z Z 之關係為之關係為 ) ) 線寬線寬& & 特性阻抗特性阻抗 線寬線寬& & 特性阻抗特性阻抗* * 線線 厚厚 ( (T) (T) (與阻抗與阻抗 Z Z 之關係為之關係為 ) ) 1W1T 線厚線厚& & 特性阻抗特性阻抗 線厚線厚& & 特

22、性阻抗特性阻抗* * 介介 質質 層層 厚厚 度度 ( (H) (H) (與阻抗與阻抗 Z Z 之關係為之關係為 H )H ) * * 介介 質質 常常 數數 ( (DkDk) () (與阻抗與阻抗 Z Z 之關係為之關係為 ) ) Dc1 線厚線厚& & 特性阻抗特性阻抗 線厚線厚& & 特性阻抗特性阻抗P20/P29 阻抗計算公式阻抗計算公式MICRO-STRIPLINETAPOWER/GROUNDSIGNALSIGNALW1 1Applications:Logic PCB, RF , Microwave Circuits87r+1.41Ln 5.98*A0

23、.8W+TZo Zo = =EMBEDED MICRO-STRIPLINEPOWER/GROUNDSIGNALSIGNALWTDA2用途用途:Logic PCB87r+1.41Ln 5.98*A0.8W+TZo Zo = =r = 1-exp(-1.55D/A) MS_介電常數介電常數 (rr ) )4.1000 MS_線路寬度線路寬度 (W)0.0055 MS_電鍍銅厚度電鍍銅厚度 (T)0.0020 MS_P.P厚度厚度 (A) 0.0052 MS_阻抗值阻抗值(Zo o) )58.589 EM_介電常數介電常數( (r )4.1000 EM_線路寬度線路寬度(W)0.0055 EM_線路

24、銅厚度線路銅厚度(T)0.0012 EM_P.P厚度厚度(A)0.0040 EM_P.P厚度厚度 (D)0.0090 EM_阻抗值阻抗值 (Zo)54.4370.1 W/A 3.01.0 r 150.1 W/A 3.01.0 r W(W(線寬線寬) )信號線線寬信號線線寬( (W)W)信號孔信號孔( (內層內層GndGnd/ /VccVcc作隔離作隔離0.0100.010以上以上) )圖案一圖案一( (Termination)Termination)建議採用此種方式建議採用此種方式 * 注意注意:1.兩兩GND及及POWER之間所加之訊號線邊之護衛路徑之間所加之訊號線邊之護衛路徑,不不 可遮蔽

25、到可遮蔽到GND及及POWER之間任一層之間任一層SIGNAL TRACE. 2.相鄰信號層之最近相鄰信號層之最近GND或或POWER層為阻抗量測之接層為阻抗量測之接 地參考層地參考層P24/P29 阻抗設計阻抗設計COUPON (4 COUPON (4 層板層板) )L2 (GROUND)L3 (POWER)L2L4L1L3L2L1 L4SIGNALGROUNDCOMP. SIDEL3SOLD. SIDEL2L4L1L3L2 L3L4L1SIGNALGROUNDP25/P29 阻抗設計阻抗設計COUPON (8 COUPON (8 層板層板) )L4 (SIGNAL)L5 (SIGNAL)L

26、2 (GROUND)L7 (GROUND)L3 (SIGNAL)SOLD. SIDEL2L3L1L5L4L2L7L7L2L2L7L7L1L3L8L6SIGNALGROUNDL7L2L7L2L6L8L4L5L6 (SIGNAL)L2L3L1L5L4L2L7L7L2L2L7L7L1L3L8L6SIGNALGROUNDCOMP. SIDEL7L2L7L2L6L8L4L5P26/P29 LAMINATE CONSTRUCTIONS(mm)(mil) CONSTRUCTIONS CONSTRUCTIONSNan-YaEMC0.7531080*10.1041080*20.1142116*12116*10.

27、1351080*22116*10.1561506*10.1662112*21080*20.1871506*17628*10.2082116*22116*20.2187628*17628*10.25102116*2+1080*10.26102116*22116*20.30122116*37628*1+1080*20.35147628*27628*20.38157628*27628*20.45187628*2+1080*17628*2+1080*1Board Thickness Board ThicknessP27/P29 DIELECTRIC CONSTANTS AND WAVE VELOCITIES OF PCB MATERIALSMATERIAL erVELOCITY (in/nSEC)AIR1.01.011.7611.76PTFE/GLASS2.22.27.957.95ROGERS RO 28002.92.96.956.95CE/GOR