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1、高頻傳輸線理論(High-Speed Transmission Line Theory)檢測部頻寬及信號完整性術語與說明高頻傳輸線引言：CPU的速率由50MHz以上升到200MHz以上，連I/O週邊的速率也由33MHz提升至100MHz以上。原本扮演連接傳導的銅線、銅箔、導線等變成高頻傳輸線。這些傳線類似天線，會把流經信號的能量耦合或輻射出去，造成電磁串音(訊號線之間的干擾)及EMI(對外界的干擾)、也有阻抗匹配的問題等. . . ，以下將就高頻傳輸線的特性作討論與分析。基本單位1. 介電常數(e，Dielectric Constant): 介電常數定義為電力線密度與電場強度的比值()，在di
2、electric material(一般用的塑膠)中，介電常數越小，電容的效應越小，電磁波通過的速率越快，量測的方法如下:Dielectric Constant 一些常見物質的介電常數:MaterialDielectric ConstantAir1Glass4-10Oil2.3Paper2-4Polyethylene (PE)2.3Polystyrene (PS)2.6Porcelain5.7Teflon2.1LCP3.2Polyvinyl Chloride (PVC)3.54SPS2.9PCT2.722.87PPS3.83.9TPE2.12.32. Velocity：電磁波在介質內的傳遞速度
3、取決於介質的介電係數permittivity,）及導磁係數（permeability, m）。如下式：在真空中Where & F/m H/m m/s可見電磁波在真空中是以光速在前進。假如電磁波在介質中傳播，我們必需知道介質的相對介電係數（）及相對導磁係數（），以推算電磁波在介質內的傳遞速度。舉例而言，電磁波在SCSI Cable （TPO, = 2.3, =1）內的傳遞速度為3. ave Length：l根據 ，當頻率愈高時，波長愈短。若是實體長度小於1/10波長，則可忽略高頻所帶來的效應。當傳輸線接近1/4波長便會有天線效應產生。4. 導電係數(, conductivity)物質導電的能力，
4、導電係數越大，電阻越小。相當於機械方面的IACS係數。where R=resistance L=conductor lengthA=conductor area一些物質的導電係數MaterialConductivity (S/m)MaterialConductivity (S/m)Silver6.17 * 107Fresh water10-3Copper5.80 * 107Distilled water2 * 10-4Gold4.10 * 107Dry soil10-5Aluminum3.54 * 107Transformer oil10-11Brass1.57 * 107Glass10-12
5、Bronze1 * 107Porcelain2 * 10-13Iron1 * 107Rubber10-15Seawater4Fused quartz10-17High-Frequency EffectsImpedance(阻抗) = Resistance(電阻) + Reactance(電抗)Reactance有兩種： Inductive reactance (XL = L) 感抗 Capacitive reactance (Xc = 1/C) 容抗低頻時：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低頻時，所量測(譬如用三用電表)到的是電阻。高頻時：resistance
6、很小，主要是reactance(電容及電感的效應)。故在高頻時，reactance就是指阻抗。Ohmic loss在高頻時，電流愈靠近導體周圍流動，稱集膚效應（skin effect），此乃導因在更高頻時，導體中心的inductive reactance增大，強迫電流流向周圍。所以，真正可用的導體面積縮小，導致電阻值增加，損耗增加。集膚深度(Skin depth):一般是指電磁波振幅衰減至0.368倍時的深度(電流密度是表面0.368倍的深度)。TABLE Skin Depth Of Copperfd60Hz8.5mm1kHz2.09mm10kHz0.66mm100kHz0.21mm1MHz2
7、.6mils10MHz0.82mils100MHz0.26mils1 mil = 0.001 inchDielectric loss在低頻時，介質的導電率低，故其流經的電流很小。然而，在高頻時，介質內會被導入電流而有損耗。Radiation loss電磁場散逸在空氣中或介質而損失能量。也就是EMI中的輻射干擾(另一種是經由電流影響其他裝置的傳導干擾)，這能量若耦合到其它裝置就造成干擾。若輻射損耗要小，則shielding要做好。高頻連接器的發展與規畫(一) 電氣特性的量測 目 的:測試產品的電氣特性是否達到客戶的要求主動提供產品的電氣特性資料給客戶 電氣特性:Characteristic Im
8、pedancePropagation DelayCrosstalkSelf-inductance Self-capacitanceMutual-inductance Mutual-capacitanceAttenuationSkew .etc. 量測工具:時域反射儀 ( Time-Domain Reflectometry, TDR )網路分析儀 ( Network Analyzer, NA ) 阻抗分析儀 ( Impedance Analyzer )(二) 等效電路的建立 目 的: 提供連接器的等效電路, 以利客戶使用時的分析與 設計(Design-In) 等效電路:主要是SPICE Mode
9、l 模擬工具: MicroSim Pspice, 或其它SPICE 的商用軟體 (三) 電磁分析與產品設計 目 的:建立電氣分析與設計的能力, 改進產品的電氣特性分析工具:Ansoft 軟體, 及其它商用軟體, 例如HP-HFSS, Contec, Cadence 軟體流 程:原始設計資料 電磁場 電氣特性(幾何形狀, 材料,等效電路 特性, 輸入, 輸出)(四)電磁干擾(EMI)與電磁相容(EMC)的量測與分析屏蔽效應 ( Shielding effectiveness ) 一些電學的基本元件1.電阻(R), 單位是Ohm_+vitime1.) 阻抗是固定的, 也就是電壓與電流的比值, 就是
10、電阻值R, 與頻率無關。2.) 電壓與電流是同相的(in-phase)。3.) ; L是長度，是導電係數(conductivity)，A是截面積。2.電容(Capacitance, C): 單位是Farady, F_+Vi-Q+Q如果, 則 , , ()1.) 阻抗 (電壓與電流的比值) 是頻率的函數, 頻率愈高阻抗愈小2.) 電壓與電流有一個相位差(out-of-phase), 電壓落後電流90度相位。time3.) 任何兩個金屬之間都存在一個電容。_3.電感(Inductance, L): 單位是Henry, H+Vi如果, 則 , , 1.) 阻抗 (電壓與電流的比值) 是頻率的函數,
11、頻率愈高阻抗愈大,2.) 電壓與電流有一個相位差，電壓領先電流90度相位。time3.) 任何導體形成一個迴路時都可以是一個電感。4. dB 值dB值的觀念與定義均由 能量(Energy) 或 功率(Power) 的觀點出發 ( Power等於Energy對時間的微分, 或單位時間輸出的能量 )，dB值重要處在於:1. 對數值顯示可以看更廣的範圍。2. 儀器製造商以dB值來表示產品性能。3. 數值的乘除等於用dB值的加減，故用dB值可以方便計算。以上圖為例，某一個功率,Pout, 相對於一個參考輸入功率Pin的dB值等於: ,因此如果Pout是Pin的10倍, Pout的dB值就是10; 如果
12、是100倍, dB值就是20, 如果Pout是Pin的1/10, P的dB值就是 -10; 如果是1/100, dB值就是 -20。就電能而言, 因為電能與電壓V的平方成正比(), 因此Appendix:Basic useful properties of log functions5. 安培定律: 磁場方向: 電流方向當電流在一導體上流動，它周圍的磁場方向可用安培右手定則決定。安培定律說明了時變的電場能感應出磁場。6. 法拉第定律，又稱“感應定律”V: 感應電動勢: 通過loop的磁通量通過loop的磁通量發生變化時，會導致loop上產生感應電動勢V，感應電動勢的大小正比於loop內磁通量對
13、時間的變化率， ，法拉第定律說明了時變的磁場能感應出電場。高頻連接器的電氣特性1. Characteristic Impedance, Z : 特徵阻抗, W2. Propagation Delay, Tpd : 傳遞延遲, ns or ns/cm3. Crosstalk : 串音雜訊, % or dB4. Self Inductance, L : 自感, nH or pH5. Self Capacitance, C : 自容, nF or pF6. Mutual Inductance, Lm : 互感, nH or pH7. Mutual Cpacitance, Cm : 互容, nF or pF8. Attenuation (Insertion Loss) : 衰減, dB9. Shielding Effectiveness : 屏蔽效率, dB10. Clock Skew : 時脈不對稱, ns or ns/cm
