CN106940406B - 电路传输线的特性阻抗获取方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种电路传输线的特性阻抗获取方法。此特性阻抗获取方法适于经由第一探针与第二探针测量电路传输线的特性阻抗，包括：取得第一探针与第二探针直接连接时的第一特性阻抗；在第一探针与第二探针同时连接至电路传输线时，自第一探针与第二探针取得第二特性阻抗；以及根据第一特性阻抗与第二特性阻抗而取得电路传输线的特性阻抗。

Description

电路传输线的特性阻抗获取方法

技术领域

本发明涉及一种取得电路特性的技术领域，尤其涉及一种电路传输线的特性阻抗获取方法。

背景技术

在现今的科技中，高频运行的电子元件扮演着极其重要的角色。随着运行频率的快速提升，在印刷电路板(PCB)本身、集成电路(IC)的构装，以及背板(Back plane)与连接器等用于实际连接主动元件或电源的连接结构(Interconnection structure)中，由于信号传输结构的电气特性所造成的信号完整度(Signal integrity)、电源完整性(Powerintegrity)及电磁干扰(Electromagnetic interference)等问题日趋严重，使得硬件制造的困难度与成本都逐渐上升。

要解决前述的问题，就必须先了解问题产生的原因。其中，传输线的特性阻抗(characteristic impedance)在信号传输效率上是一个非常重要的可控制因素。

为了掌握传输线的特性阻抗，高频的测量技术不断地推陈出新。其中一种测量技术是在PCB板子边缘放置SMA(Sub Miniature A)接头以当作测量信号的输入与输出点。然而，这种测量技术却有尺寸上的限制。举例来说，当所有的输入及输出接头为SMA、3.5mm或2.92mm母接头的时候，从一个接头信号端至另一个接头的信号端之间的距离至少就需要保持在12mm以上，以免因为3.5mm接头彼此触碰而导致无法连接3.5mm(或SMA)接头。在另一个例子中，当使用尼尔-康赛曼(BNC-Bayonet Neill-Concelman)同轴电缆接头的时候，从一个接头信号端到另一个接头信号端之间的距离就至少需要保持在20mm以上，以免无法连接BNC同轴电缆接头。

为了解决上述的限制，现有技术发展出了高频且低成本的探针来测量高速PCB信号线的性能。请参照图1，此种探针10是由SMA接头12与针14所组成。在测试的时候，测试员会分别在高速/高频信号线的两端各放置一支探针10，以令一支探针10为信号输入点，而另一支探针10则为信号输出点，如此即可利用向量网络分析仪(VNA，Vector NetworkAnalyzer)来进行特性阻抗(例如S参数，S-parameter)的测量。然而，利用向量网络分析仪所量到的特性阻抗数据，会成为向量网络分析仪本身内部各元件、连接用的同轴电缆(Cable)、各连接头、探针10以及高速PCB信号线的各自特性阻抗的总和。

由于进行测量的目的是要知道待测物(例如高速PCB信号线)的特性阻抗，因此必须对测量仪器进行校准(Calibration)操作。向量网络分析仪的校准操作是先使用阻抗特性已知或部分阻抗特性已知的待测物来进行测量，并用所得到的测量值修正测量系统的误差(例如前述提到的向量网络分析仪本身内部各元件、连接用的同轴电缆、各连接头及探针等的特性阻抗)，以将参考面(reference plane)建立至探针的针头处(如图1所示的针头14A)。

在前述校准时，一般采用的手段包括了利用断路(Open)、短路(Short)、负载(Load)以及直通传输线(Thru)等四种方式进行特性阻抗的测量，以将参考面推进到探针的针尖处。这些特殊的测量方式可以由向量网络分析仪的厂商所提供的校准工具而得，而且校准之后的结果只能搭配特定的探针来使用，而无法与任意的探针互相搭配。当想要利用其他的探针来搭配向量网络分析仪进行特性阻抗的测量时，必须另外制造对应的载具才能进行前述的校准手段。除此之外，测量时所使用的载具还必须对应不同的电路板而做不同的设计，因此不但必须浪费时间在等待载具的制造上，而且载具无法在其他待测物上使用的特性也造成研发成本的浪费。

根据上述，在目前的测量技术中所存在的各种限制，不但使得测量的过程毫无弹性，同时也无法有效地减少测试时所需消耗的时间与耗材成本。

发明内容

为了改善现有的技术，本发明所提供的电路传输线的特性阻抗获取方法可以减少校准时所需的时间及材料成本。

从另一个角度来看，本发明所提供的电路传输线的特性阻抗获取方法可以消除接头尺寸在测试过程中所造成的限制。

本发明的一实施例提供了一种电路传输线的特性阻抗获取方法，其适于经由各自独立的第一探针与第二探针来测量电路传输线的特性阻抗。此特性阻抗获取方法测量了第一探针与第二探针直接连接时的第一特性阻抗，并测量了第一探针与第二探针同时连接至电路传输线时的第二特性阻抗，之后即根据第一特性阻抗与第二特性阻抗来获取电路传输线的特性阻抗。

在一个较佳实施例中，前述测量第一探针与第二探针直接连接时的第一特性阻抗的步骤，包括：自第一探针与第二探针的首端测量第一电路的第一实际测量变化曲线，其中第一电路是由直接连接第一探针与该第二探针的尾端而形成；以及以所测量到的第一实际测量变化曲线所表现的特性阻抗为第一特性阻抗。

在一个较佳实施例中，前述测量第一探针与第二探针同时连接至电路传输线时的第二特性阻抗的步骤，包括：自第一探针与第二探针的首端测量第二电路的第二实际测量变化曲线，其中第二电路是由连接第一探针与第二探针的尾端至电路传输线的两端而形成；以及以所测量到的第二实际测量变化曲线所表现的特性阻抗做为第二特性阻抗。

在一个较佳实施例中，前述的特性阻抗获取方法更进一步建立具有前述第一特性阻抗的第一阻抗电路模型，并使此第一阻抗电路模型包括一个左等效电路模型与一个右等效电路模型、使左等效电路模型与右等效电路模型具有相同的特性阻抗，且使第一阻抗电路的整体阻抗等于所获取的第一特性阻抗。

更进一步的，在此较佳实施例中，前述根据第一特性阻抗与第二特性阻抗，获取电路传输线的特性阻抗的步骤，包括：建立具有第二特性阻抗的第二阻抗电路模型，并使此第二阻抗电路模型中包含前述的第一阻抗电路模型；以及将第一特性阻抗自第二特性阻抗中移除，并以剩下的特性阻抗为电路传输线的特性阻抗。

在此较佳实施例中，前述建立具有第二特性阻抗的第二阻抗电路模型，并使此第二阻抗电路模型中包含前述的第一阻抗电路模型的步骤，包括：将一个电路传输线模型与前述的第一阻抗电路模型相连接以形成第二阻抗电路模型；以及调整电路传输线模型的特性阻抗，直至第二阻抗电路模型的特性阻抗为先前获取的第二特性阻抗。

在此较佳实施例中，前述中将第一特性阻抗自第二特性阻抗中移除，并以剩下的特性阻抗为电路传输线的特性阻抗的步骤，包括：以所调整出来的电路传输线模型的特性阻抗为所要获取的电路传输线的特性阻抗。

本发明因为能够找出探针与电路连接时的特性阻抗，因此可以减少在测量电路前所需的探针校准步骤，进而降低校准载具的需求、减少检测成本并加快检测的速度。更进一步的，还可以利用已知的探针与电路连接时的特性阻抗来进行电路模拟，快速的获悉所设计的电路传输线的特性阻抗，减少开发期间测量所设计的电路传输线的特性阻抗时所需花费的各种成本。

附图说明

图1为一种探针的结构示意图。

图2A为根据本发明第一实施例的电路传输线的特性阻抗获取方法的流程图。

图2B为根据本发明第二实施例的电路传输线的特性阻抗获取方法的流程图。

图3A为根据本发明一实施例的第一电路的示意图。

图3B为根据本发明一实施例的第二电路的示意图。

图4为根据本发明一实施例的第一阻抗电路模型的电路方块图。

图5为根据本发明一实施例的第二阻抗电路模型的电路方块图。

附图标记说明：

10、30、32：探针

12：SMA接头

12A：探针接头

14：针

14A：针头

30A、32A：首端

30B、32B：尾端

36：电路传输线

40：第一阻抗电路模型

42：左等效电路模型

44：右等效电路模型

50：第二阻抗电路模型

52：电路传输线模型

S10～S14、S102～S112：本发明第一实施例的步骤

S202～S218：本发明第二实施例的步骤

具体实施方式

第一实施例：

请参照图2A，其为根据本发明第一实施例的电路传输线的特性阻抗(characteristic impedance)获取方法的流程图。此实施例所示的特性阻抗获取方法利用两支探针(后分别称为第一探针与第二探针)来测量电路传输线的特性阻抗。

请一并参照图3A，其为根据本发明一实施例的第一电路的示意图。在本实施例中，首先在步骤S102中将第一探针30的尾端30B与第二探针32的尾端32B直接连接在一起而形成一个具有实体的电路(后称第一电路)。然后，在步骤S104中再通过这两支探针30与32的首端30A与32A来测量第一电路实际上呈现出来的电气变化曲线(后称第一实际测量变化曲线)。其中，可以采用如图1所示的探针10或者其他任意的探针来做为本实施例中的第一探针与第二探针，而前述的首端则指各探针中相当于图1所示的探针接头12A的位置(例如图3A的首端30A与32A)，尾端则指各探针中相当于图1所示的针头14A的位置(例如图3A的尾端30B与32B)。

接下来，在步骤S104中测量到第一实际测量变化曲线之后，就可以根据所测到的第一实际测量变化曲线来获取其所代表的特性阻抗(步骤S106)。在此时，由于被测量的对象是前述的第一电路，所以在步骤S106所计算得到的就是第一电路的特性阻抗(后称第一特性阻抗)。在本实施例或其他的实施例中，第一特性阻抗可以是在其他时间被计算出来，而非一定要在此时进行计算。只要在使用到第一特性阻抗之前将其计算出来，就不会影响本发明的实现。

值得注意的是，此处以两支各自独立的探针30与32相接所测量出来的第一特性阻抗，除了探针30与32本身的阻抗之外，还会包括探针30与32之间由于连接时因种种的实体环境限制所产生的接触面的电气特性不连续所造成的阻抗。在后续的说明中，这种由于接触面的电气特性不连续所造成的阻抗将被称为由「不理想接地」所造成的结果。

请一并参照图3B，其为根据本发明一实施例的第二电路的示意图。承前所述，在测得第一实际测量变化曲线之后，本实施例会在步骤S108中将第一探针30以及第二探针32与所要测量的电路传输线36的两端相连接以组成另一个具有实体的第二电路(如图3B所示)。具体来说，第一探针30的尾端30B会被连接至电路传输线36的其中一端，而第二探针32的尾端32B则被连接至电路传输线36的另一端。在组成第二电路之后，本实施例会在步骤S110中通过第一探针30的首端30A与第二探针32的首端32A来测量第二电路实际上呈现出来的电气变化曲线(后称第二实际测量变化曲线)。在这之后，于步骤S112中，将先利用第二实际测量变化曲线来计算第二电路的整体特性阻抗，再从中移除在此之前所获取的第一特性阻抗，以藉此获取出电路传输线36的特性阻抗。

具体来说，第二电路的整体特性阻抗主要包含三个部分：其一为电路传输线36的特性阻抗，其二为两支探针30与32本身的阻抗，其三则是先前提及的由不理想接地所造成的阻抗。在这之中，第二与第三部分的阻抗合起来就是先前所获取的第一特性阻抗。因此，电路传输线36的特性阻抗可以通过从第二特性阻抗中移除第一特性阻抗的影响而取得。

整体来说，前述的步骤S102到步骤S106是用来取得第一探针与第二探针直接连接时的第一特性阻抗(步骤S10)；步骤S108到步骤S110则是于第一探针与第二探针同时连接至电路传输线时，自第一探针与第二探针取得第二特性阻抗(步骤S12)；而最后的步骤S112则是根据第一特性阻抗以及第二特性阻抗以取得电路传输线的特性阻抗(步骤S14)的一种实施方式。

通过上述的方式，本实施例可以轻易的通过几次的测量与计算而获得所要测量的电路传输线的特性阻抗。这种测量过程不受限于探针的类型，也不需要特殊的载具来进行校准的操作，因此可以除去在现有技术中为了进行检测及校准而制造载具时所需消耗的时间与金钱成本。

第二实施例：

请参照图2B，其为根据本发明第二实施例的电路传输线的特性阻抗获取方法的流程图。其中，图2B中的步骤S202到步骤S206分别与图2A中的步骤S102到步骤S106相同，而且图2B中的步骤S210与步骤S212分别与图2A中的步骤S108与步骤S110相同，故在此不多加叙述。

与图2A所示的第一实施例不同，本实施例会利用电路等效模型，利用软件运算得出一个具有在步骤S206计算出来的第一特性阻抗的第一阻抗电路模型(步骤S208)。此步骤并不需要一定在步骤S206之后进行，只需要在步骤S214建立第二阻抗电路模型之前完成即可。请一并参照图4，其为根据本发明一实施例的第一阻抗电路模型的电路方块图。如图4所示，第一阻抗电路模型40包括一个左等效电路模型42与一个右等效电路模型44，而左等效电路模型42与右等效电路模型44则分别利用包括等效电阻、电导、电容与电感等电路元件，来建立其等效模型，以使整个第一阻抗电路模型40利用软件运算出来的阻抗特性相当于先前计算出来的第一特性阻抗。除此之外，当使用相同形式的探针的时候，左等效电路模型42与右等效电路模型44的阻抗可被设定为相同值。

除步骤S208之外，本实施例与图2A的实施例不同之处还在于本实施例更进一步的建立了一个第二阻抗电路模型，且此第二阻抗电路模型包括第一阻抗电路模型与一个电路传输线模型(步骤S214)。请一并参照图5，其为根据本发明一实施例的第二阻抗电路模型的电路方块图。如图5所示，在第二阻抗电路模型50中，第一阻抗电路模型中的左等效电路模型42与右等效电路模型44分别电性耦接在电路传输线模型52的两侧。其中，左等效电路模型42与右等效电路模型44中的各电子元件的参数值与图4中通过步骤S208所建立的电子元件的参数值相同，而电路传输线模型52则是一个可变阻抗的电路模块。通过软件运算方式调整电路传输线模型52的特性阻抗，则第二阻抗电路模型50所模拟而得的电气变化曲线(后称模拟电气变化曲线)就会随之改变。据此，本实施例在步骤S216中就可以通过调整电路传输线模型52的特性阻抗，而使第二阻抗电路模型50的模拟电气变化曲线的外型尽量接近在步骤S212中所测得的第二实际测量变化曲线。最后，在经过适当的调整之后，可以使得模拟电气变化曲线的外型近似于第二实际测量变化曲线，并将此时电路传输线模型52的特性阻抗当成所测量的电路传输线的特性阻抗(步骤S218)。至于何种程度的近似才能够做为最后输出的结果，就必须视实际需求而定，并没有一定的规范。

此技术领域者当知，虽然在前述的实施例中仅在获取电路传输线的特性阻抗的时候，才利用调整电路传输线模型52以使第二阻抗电路模型50的模拟电气变化曲线趋近于第二实际测量变化曲线的手段，但实际上，在要获取第一阻抗电路模型40的阻抗特性的时候，也可以通过调整左等效电路模型42与右等效电路模型44以使第一阻抗电路模型40的模拟电气变化曲线趋近于第一实际测量变化曲线。

因此，通过上述的电路模型，可以将原本需要进行的一部分计算改成模拟软件中的参数调整，提供使用者另一种不同的使用经验。

前述各实施例所提供的技术，可以结合各种样式的夹具与设备以测量晶圆上(on-wafer)电路、集成电路接脚(IC pins)与印刷电路板上(on-PCB)电路等的电气特性。而且，所采用的探针可以是单一或多个并联、以一般或差动方式来测量多条通道与传输线的性能。

更进一步的，在利用已知的探针与电路连接时的特性阻抗(亦即前述的第一特性阻抗)来进行电路模拟，可以更快速的获悉所设计的电路传输线的特性阻抗，减少开发期间测量所设计的电路传输线的特性阻抗时所需花费的各种成本。

根据上述，本发明可以减少在测量电路前的部分的探针校准步骤，进而降低校准载具的需求、减少检测成本并加快检测的速度。

Claims (8)

1.一种电路传输线的特性阻抗获取方法，适于经由各自独立的一第一探针与一第二探针测量一电路传输线的特性阻抗，其特征在于，包括：

测量该第一探针与该第二探针直接连接时的一第一特性阻抗；

测量该第一探针与该第二探针同时连接至该电路传输线时的一第二特性阻抗；以及

根据该第一特性阻抗与该第二特性阻抗，获取该电路传输线的特性阻抗，且其包括：将该第一特性阻抗自该第二特性阻抗中移除，并以剩下的特性阻抗为该电路传输线的特性阻抗。

2.如权利要求1所述的特性阻抗获取方法，其中测量该第一探针与该第二探针直接连接时的该第一特性阻抗，包括：

自该第一探针与该第二探针的首端测量一第一电路的一第一实际测量变化曲线，其中该第一电路是由直接连接该第一探针与该第二探针的尾端而形成；以及

以该第一实际测量变化曲线所表现的特性阻抗做为该第一特性阻抗。

3.如权利要求1所述的特性阻抗获取方法，其中测量该第一探针与该第二探针同时连接至该电路传输线时的该第二特性阻抗，包括：

自该第一探针与该第二探针的首端测量一第二电路的一第二实际测量变化曲线，其中该第二电路是由连接该第一探针与该第二探针的尾端至该电路传输线的两端而形成；以及

以该第二实际测量变化曲线所表现的特性阻抗做为该第二特性阻抗。

4.如权利要求1所述的特性阻抗获取方法，还包括：

建立具有该第一特性阻抗的一第一阻抗电路模型。

5.如权利要求4所述的特性阻抗获取方法，其中建立具有该第一特性阻抗的该第一阻抗电路模型，包括：

使该第一阻抗电路模型包括一左等效电路模型与一右等效电路模型，该左等效电路模型与该右等效电路模型具有相同的特性阻抗，且该第一阻抗电路的整体阻抗等于该第一特性阻抗。

6.如权利要求4所述的特性阻抗获取方法，其中根据该第一特性阻抗与该第二特性阻抗，获取该电路传输线的特性阻抗，还包括：

建立具有该第二特性阻抗的一第二阻抗电路模型，该第二阻抗电路模型中包含该第一阻抗电路模型。

7.如权利要求6所述的特性阻抗获取方法，其中建立具有该第二特性阻抗的该第二阻抗电路模型，该第二阻抗电路模型中包含该第一阻抗电路模型，包括：

将一电路传输线模型与该第一阻抗电路模型相连接以形成该第二阻抗电路模型；以及

调整该电路传输线模型的特性阻抗，直至该第二阻抗电路模型的特性阻抗为该第二特性阻抗。

8.如权利要求7所述的特性阻抗获取方法，其中将该第一特性阻抗自该第二特性阻抗中移除，并以剩下的特性阻抗为该电路传输线的特性阻抗，包括：

以该电路传输线模型的特性阻抗为该电路传输线的特性阻抗。