036_渐近线（泪滴）能改善信号质量吗？

陆妹

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036_渐近线（泪滴）能改善信号质量吗？

EDA365原创     作者：何平华老师

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渐近线（泪滴）能改善信号质量吗？碎片三分钟，收获一丢丢。

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似曾相识的图形

由于工作原因，经常在网上看到这个图，似曾相识。

想起来了，这是岛主二十多年前用Lotus Wordpro文字处理软件画出来的，这文档居然也漏到外网了。

这是渐近线：如果50欧微带线线宽与元件焊盘宽度差异较大时，采用渐近线，成为当年的一项PCB设计规则，理由是改善信号质量，真是人云亦云。。。。。。

现在再看，这规则有问题。

数字板上也有类似的规则，泪滴如下图所示：

那么，渐近线（泪滴）能改善信号质量吗？

答案是：不能！

相反，绝大多数情况下，渐近线（泪滴）会恶化信号质量。

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细焊盘仿真验证

有些射频芯片体积小，管脚多，如下图左所示，每个管脚都很细小。

按下图右建立HFSS模型：

微带线阻抗50欧，黑色焊盘也设置一个端口，阻抗50欧，扫描渐变长度分别为0、1、2、3mm，仿真回波损耗，分别如下：

显然，细焊盘连接50欧宽线，渐变长度越长，回波损耗指标越差。也就是说，如果不渐变，指标反而较好！

细焊盘布线建议

按照分布电感与分布电容比值看瞬时阻抗：比微带线细的焊盘本身呈感性，中间那段渐变线仍然呈感性，违背了阻抗匹配的第一原则：感性容性成比例互配。感性增多，就要用容性匹配，在频率很高时，应该如右下图所示的冀形：

冀形尺寸由仿真确定，仿真结果对比如下：

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宽焊盘仿真验证

同样，射频PCB上也有这种细线配宽焊盘的：

建HFSS模型如上图右所示，仿真结果如下图所示：

显然，宽焊盘连接50欧细线，渐近线越长，回波损耗指标越差。也就是说，如果不渐变，指标反而较好！

相对于50欧微带线和50欧器件来说，宽焊盘呈容性，渐变线比微带线宽，也呈容性，在同一个位置，容性与容性是叠加的，导致阻抗更不匹配。

上面所说“PCB上的宽焊盘呈容性”，并不是意味着这个器件的管脚阻抗呈容性。厂家提供的器件评估板比实际产品板简单，层数少，介质厚度可以做厚些，微带线宽与器件焊盘宽度差别不大，所以信号路径上的瞬时阻抗更容易调到接近50欧器件阻抗，可能不需要挖空地平面，也不需要渐变线。

宽焊盘布线建议

以微带线（线宽W）上存在宽焊盘（约2W*4W）为例。如下图左。

如何减小宽焊盘的分布电容？要挖空地平面以减小平板面积、或者说增大平板间距（原来间距是1-2层，挖空之后变为1-3层间距）。如上图右。

这个做法同时使得宽焊盘位置的回流路径变大了：从第2层回流到第3层，或者是从宽焊盘绕边走。

这种挖空第二层地平面的措施，可使回波损耗从-8dB优化至-18dB左右。

看8GHz这个频点，不挖空地平面的原始模型，回波损耗-10dB。细黑实线所示。

• 挖空1倍焊盘面积的地平面，回波损耗再改善6dB。虚线所示。
• 挖空1.2倍焊盘面积的地平面，回波损耗改善4dB。点划线所示。
• 挖空1.4倍焊盘面积的地平面，回波损耗又改善4dB。粗浅实线所示。
• 挖空1.6倍焊盘面积的地平面，回波损耗不再改善，而是劣化了。点线所示。
  
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可以看出来，挖空地平面的面积有个最佳值，这个最佳值需要HFSS仿真优化确定。

渐变线究竟有什么用？

宽焊盘用渐变线不好，细焊盘用渐变线也不好，那么，为什么要画渐近线（泪滴）呢？

• 增大焊盘机械强度：当电路板受到外力冲撞时，导线与焊盘间不易断开；或者焊接时，避免多次焊接的高温使焊盘脱落；或者钻孔偏向导线时，避免出现连接处的裂缝而开路；
• 蚀刻均匀；
• 易于清洗蚀刻药水，不留清洗死角；
• PCB布线更美观，充满浪漫格调，科幻小说《三体》中出现了流线型泪滴，老外学中文时估计会标注成Lady，这个发音很准。
  
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对于信号质量来说，那么什么样的焊盘才能用渐变线？

渐变线常用于不同阻抗之间的匹配，如果源端与负载端都是50欧，就不用渐变线。除非有一端不是50欧。

比如说同一块PCB上，50欧微带线要与85欧的微带线匹配，仿真结果如下图所示：

从仿真结果看。渐变线越长，则仿真结果越好。这与前面的宽焊盘、细焊盘的仿真结果完全相反！

仔细观察，渐变线长6mm时，13GHz回波损耗指标最佳。

渐变线长4.5mm时，18GHz回波损耗指标最佳。

渐变线是阶梯阻抗线的一种变体。

下图显示三个同轴连接器与介质波导之间的互连渐变线，当做双方的激励结构转换、阻抗匹配：

图片来自于网上。

总结

微波射频PCB中的渐近线。对应低频或数字PCB中的泪滴。

ü  绝大部分情况下，渐变线（泪滴）会恶化信号质量；如果频率（速率）不高，渐变或不渐变差别不大。

ü  细焊盘连接50欧宽线，渐变长度越长，回波损耗指标越差。也就是说，如果不渐变，指标反而较好！建议不渐变、或者采用适当尺寸的冀形铜箔匹配；

ü  宽焊盘连接50欧细线，渐近线越长，回波损耗指标越差。也就是说，如果不渐变，指标反而较好！建议不渐变、或者采用地平面适当尺寸的挖空方式匹配；

ü  渐变线的优点在于：增大焊盘及周边的机械强度、易于清洗铜箔刻蚀残液、美观等等；

ü  渐变线可以看成是多节阶梯阻抗的一种变体，所以常用于不同阻抗之间的匹配；

出品｜EDA365

作者｜何平华老师

注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载

fantasyqqq

我们都很少用泪滴

皮卡丑

射频渐变长度一般可能也就5mil的长度 作者仿真1mm  综合优缺点感觉还是渐变下好嗯

caidayong723

好文章，解决了我多年的疑虑

gty

您好，那么走线过孔上加泪滴和不加泪滴哪个更好呢

changjinling

好文章，学习了，感谢分享

ntuliu

原来加泪滴还加错了。

18576735502

不错，学到些东西

cmos

1mm长的泪滴，是很巨大的了哦

句点608

我们就是这样讲的，说是加泪滴，可以减少信号突变影响，现在看下来，有点跌幅了，不错，好文章，持续关注楼主

yerufeng

业余音频段用用，可以改善焊接焊盘强度，不那么容易掉

changjinling

仿真宽焊盘的时候发现仿真出来的数据与文章的数据刚好相反，怎么回事？

电十三

感谢分享

lichuntao1990

好文章，学习了，感谢分享