似曾相识的图形
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。
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:
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。
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。
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;
原文始发于微信公众号(看图说RF):036_渐近线(泪滴)能改善信号质量吗?