1、問(wèn)題的由來(lái)

一臺(tái)設(shè)備在輸入 HDMI 信號(hào)時(shí)測(cè)試輻射特性，主要是 HDMI 的 CLK 頻率及其倍頻的輻射強(qiáng)度易超標(biāo),，有時(shí)換一條 HDMI 線纜或者換一臺(tái)作為信源的 PC 后，被測(cè)機(jī)器的測(cè)試結(jié)果也會(huì)有數(shù) dB 甚至十多 dB 的變化,，一時(shí)讓很多硬件工程師頭疼不已,。

2、問(wèn)題的分析

造成 HDMI 輻射超標(biāo)的原因有多種可能,，就不一一分析了,，這里只重點(diǎn)談?wù)勁c差分線傳輸線長(zhǎng)度差有關(guān)的問(wèn)題,。

理想情況下,，差分信號(hào)是正負(fù)對(duì)稱(chēng)的，其共模份量為零或者只有直流份量,，如圖 1 所示,。如果差分線的正負(fù)傳輸線長(zhǎng)度不等，造成傳輸時(shí)間不一致,，實(shí)際上就是信號(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)稱(chēng),，在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖 2 所示的波形。

顯然此時(shí)的正負(fù)波形不能?chē)?yán)格對(duì)稱(chēng),，差分電路中的正負(fù)電流無(wú)法抵消,，于是其電源中就有共模電流份量在流動(dòng)。

研究過(guò) EMI 的人都知道,，共模輻射是最難對(duì)付的,。

圖 1

圖 2

差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)的現(xiàn)象，在李玉山教授翻譯的 Bogatin 的《信號(hào)完整性》一書(shū)中第 11.15 章和 11.16 章中對(duì)此有詳細(xì)的解釋,。

書(shū)中給出的指導(dǎo)原則是差分線的長(zhǎng)度偏差必須在上升沿空間拓展的 20%以內(nèi),，如果上升時(shí)間是 100ps，那么長(zhǎng)度差應(yīng)該控制在 100mil 以內(nèi)（以 FR4 材質(zhì)的 PCB 為例）,，否則會(huì)引起 EMI 問(wèn)題,。

3、用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證

讓我們先用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下上面的分析,，看看能否能證實(shí)這個(gè)推斷,。

實(shí)際測(cè)量一下差分信號(hào)，如圖 3 所示,，圖中最下面一條圖形為共模電壓份量,，很明顯在波形正負(fù)邊沿交叉的時(shí)候的確有脈沖輸出。

圖 3

我們隨機(jī)選取了 10 條 HDMI 線,，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了每條線的 CLK 差分線的時(shí)延差,，因?yàn)闀r(shí)延差直接反映了正負(fù)傳輸線的長(zhǎng)度差,，10 條線的時(shí)延差如表 1 中所示。

表 1

接下來(lái),，分別選兩臺(tái) EMI 測(cè)量用 PC 作為 HDMI 信源,，接上負(fù)載，然后測(cè)量每條線所產(chǎn)生的共模電壓的峰峰值,，如表 2 中所示,，將它們繪制在圖 4 中。

表 2

從圖 4 中,，我們可以看到直觀的看到：只要時(shí)延差（橫軸表示）大的,，無(wú)論是正值還是負(fù)值，其共模電壓幅度（縱軸表示）均較高,，且兩臺(tái)電腦呈現(xiàn)相同的趨勢(shì),。這就是說(shuō)時(shí)延差大的，也就差分線長(zhǎng)度匹配差異越大,，產(chǎn)生的共模電壓越高,。

圖 4

在隨后的輻射測(cè)試中，保持測(cè)試電腦（PC1）及被測(cè)機(jī)器不變,，依次更換 10 條 HDMI 線,，其結(jié)果印證了我們的預(yù)計(jì)，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表 3,。

為了圖形的清晰,，選擇共模電壓最小、中間,、最大的 8#,、4#、0#這 3 條線的測(cè)試數(shù)據(jù)用圖形表示,，如圖 6 所示,。

0#線時(shí)延差最大，輻射也最大,；8#線時(shí)延差最小,，輻射也最小。

絕大部分頻率點(diǎn)上的輻射特性強(qiáng)弱與共模電壓大小幾乎都有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。

表 3

圖 6

以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明差分線長(zhǎng)度的不匹配程度越大,，共模輻射也越大，也就解釋了換用不同的 HDMI 線其輻射測(cè)試結(jié)果相差甚遠(yuǎn)的原因,。

4,、關(guān)于眼圖的 X 軸抖動(dòng)

通過(guò)前面的分析，我們自然會(huì)聯(lián)想到信號(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)稱(chēng)一定會(huì)影響眼圖的質(zhì)量，如 X 軸上的抖動(dòng)范圍會(huì)更大,，因?yàn)椴罘中盘?hào)的邊沿更容易觸碰模板了,，如圖 7 所示。

圖 7

需要注意的是,，長(zhǎng)度匹配是指芯片到芯片（即差分信號(hào)發(fā)送端到接收端）之間的鏈路,，并不是對(duì) PCB 走線的單一要求。

經(jīng)與 IC 供應(yīng)商了解后發(fā)現(xiàn),，其內(nèi)部的差分線金線的長(zhǎng)度差有時(shí)可以達(dá)到 40-60mil 這樣的數(shù)值,，顯然是不能被忽略的。

在芯片供應(yīng)商提供了 IC 內(nèi)部每條差分線金線的長(zhǎng)度后,，要求 PCB 工程師根據(jù)此數(shù)據(jù)將差分走線的進(jìn)行長(zhǎng)度匹配,，總偏差控制在 10-20mil（注意：是同一對(duì)差分線的正負(fù)線長(zhǎng)度差，不是差分對(duì)與差分對(duì)的長(zhǎng)度差）,。

某產(chǎn)品在僅僅改善了差分線的長(zhǎng)度匹配之后,，眼圖測(cè)試中觸碰模板的數(shù)量便大幅度得到改善，如表 4 所示,，水平軸上的抖動(dòng)也從 148ps 降低到 122ps,，確定性抖動(dòng)與總抖動(dòng)也有不同程度的下降,，如圖 8 所示,。

表 4

圖 8

5、小 結(jié)

差分電路的好處是在于對(duì)稱(chēng),，包括傳輸線的長(zhǎng)度對(duì)稱(chēng),，倘若做不到，差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)后會(huì)帶來(lái) EMI 和眼圖等問(wèn)題,。上升沿速度越快,，對(duì)差分長(zhǎng)度匹配要求越高。

對(duì)于在 PCB 板上的差分傳輸線,，必須考慮差分芯片收發(fā)整個(gè)鏈路的長(zhǎng)度差,，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中常常被忽略。

信號(hào)上升沿在 100ps 級(jí)別時(shí),，筆者認(rèn)為 Bogatin 提出的 100mil 匹配要求（FR4 材質(zhì) PCB）對(duì)于 EMI 來(lái)說(shuō)還是有很大風(fēng)險(xiǎn)的,，差分線的長(zhǎng)度匹配控制在 10-20mil 以內(nèi)比較穩(wěn)妥。

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