HDMI 設計指南：HDTV接收機應用中高速PCB的成功設

引言

　　針對使用 HDMI 多路復用中繼器的用戶(hù)，本文提供了如何通過(guò)精心設計印刷電路板 (PCB) 來(lái)實(shí)現器件全部性能最優(yōu)化的設計指導。我們將對高速 PCB 設計的一些主要方面的重要概念進(jìn)行解釋?zhuān)⒔o出一些建議。本文涵蓋了層堆棧、差動(dòng)線(xiàn)跡、受控阻抗傳輸線(xiàn)、非連續性、布線(xiàn)指南、參考平面、過(guò)孔以及去耦電容器等內容。

層堆棧

　　HDMI 多路復用中繼器的外引腳是專(zhuān)門(mén)針對 HDTV 接收機電路中的設計（見(jiàn)圖 1）而量身定制的。封裝的每一側都提供了一個(gè) HDMI 端口，具有四個(gè)差動(dòng) TMDS 信號對，從而實(shí)現三個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。剩余信號由電源軌、Vcc 和接地以及低速信號（例如：I2C 接口、熱插拔和多路復用選擇器引腳）組成。

　　完成一個(gè)低 EMI PCB 設計最少需要四層堆棧（見(jiàn)圖 2）。層堆棧應按照下列順序（自上而下）：TMDS 信號層，接線(xiàn)層，電源層和控制信號層。

圖2 建議在一個(gè)接收機 PCB 設計中使用 4 或 6 層堆棧。

　　在頂層上對高速 TMDS 線(xiàn)跡布線(xiàn)可以避免使用過(guò)孔（及其電感），并且允許從 HDMI 連接器至中繼器輸入以及從中繼器輸出至后續接收機電路的干凈互聯(lián) (clean interconnect)。

　　在高速信號層的下面放置一個(gè)堅實(shí)的接地層，這樣就可以為傳輸線(xiàn)路互聯(lián)建立一個(gè)受控阻抗，并為返回電流提供一個(gè)優(yōu)異的低電感通路。

　　在緊挨接地層的下方放置電源層可以創(chuàng )建額外的高頻旁路電容。

　　在底層布線(xiàn)低速控制信號可實(shí)現更大的靈活性，因為這些信號鏈通常擁有允許非連續性（如過(guò)孔）的裕度。

　　如果需要一個(gè)額外電源電壓層或信號層，那么就應添加一個(gè)二級電源層/接地層系統至該堆棧，以使其保持對稱(chēng)。這樣就可以使堆棧保持機械穩定，并防止其變形。每個(gè)電源系統的電源層和接地層均可以被緊密地放置在一起，從而大大增加高頻旁路電容。

差動(dòng)線(xiàn)跡

　　HDMI 使用轉換最小化差分信令 (TMDS)，用于傳輸高速串行數據。差分信令為單端信令帶來(lái)了極大的好處。

　　在單端系統中，電流通過(guò)一個(gè)電感從電源流至負載，并經(jīng)由一個(gè)接地層或線(xiàn)路返回。該電流引起的橫向電磁 (TEM) 波會(huì )自由地向外部環(huán)境輻射，從而引起嚴重的電磁干擾 (EMI)（見(jiàn)圖3）。而且，電感中的外部源噪聲不可避免地被接收機放大，從而破壞信號完整性。

　　替代差分信令要使用兩個(gè)電感，一個(gè)用于正向電流，另一個(gè)用于電流返回。因此，當緊密耦合時(shí)，該兩個(gè)電感中的電流為等量，但是極性卻相反，并且其電磁場(chǎng)消失?，F在，電磁場(chǎng)被“搶走”的兩個(gè)電感的 TEM 波均不能向環(huán)境中輻射。只有在電感環(huán)路外部有極小的邊緣磁場(chǎng)時(shí)才會(huì )發(fā)生輻射，從而產(chǎn)生極低的 EMI（見(jiàn)圖3）。

圖3 來(lái)自單個(gè)電感周?chē)笊⑸浯艌?chǎng)和差動(dòng)信號對緊密耦合電感環(huán)路的外部小散射磁場(chǎng)的 TEM 波輻射

　　緊密電耦合的另一個(gè)好處是，感應至兩個(gè)電感的外部噪聲均以等量共模噪聲的形式出現在接收機輸入端上。具有差動(dòng)輸入的接收機均只對信號差異敏感，而對共模信號不敏感。因此，該接收機抑制了共模噪聲，并保持了信號完整性。

　　為了使差分信令可以工作在一個(gè) PCB 上，一個(gè)差動(dòng)信號對的兩個(gè)線(xiàn)跡間距必須在整個(gè)線(xiàn)跡長(cháng)度上保持一致。否則，間距變化就會(huì )引起磁場(chǎng)耦合不平衡，從而降低磁場(chǎng)消除的效果，造成 EMI 增加。

　　除了更大的 EMI 以外，電感間距的變化也會(huì )引起信號對差動(dòng)阻抗的變化，從而造成阻抗控制傳輸系統的中斷，進(jìn)而造成破壞信號完整性的信號反射。

　　除了間距一致以外，兩個(gè)電感均必須為相等的電氣長(cháng)度，以確保其信號在相同時(shí)間到達接收機輸入端。圖 4 顯示了相等及不同長(cháng)度線(xiàn)跡的邏輯狀態(tài)改變期間一個(gè)差動(dòng)對的“+”和“”信號。

圖4 不同電氣長(cháng)度的線(xiàn)跡會(huì )引起信號間的相移，從而產(chǎn)生導致嚴重 EMI 問(wèn)題的差動(dòng)信號

　　對于相同長(cháng)度的線(xiàn)跡而言，兩個(gè)信號相等且極性相反。因此，它們的和必須為零。如果這些線(xiàn)跡的電氣長(cháng)度不同，那么較短線(xiàn)跡上的信號就會(huì )比較長(cháng)線(xiàn)跡上的信號較早地改變狀態(tài)。在此期間，兩個(gè)線(xiàn)跡均驅動(dòng)電流至相同方向。由于往往會(huì )作為返回通路的長(cháng)線(xiàn)跡繼續驅動(dòng)電流（“早”驅動(dòng)電流），因此短線(xiàn)跡必須找到其經(jīng)由一個(gè)參考層（電源層或接地層）的返回通路。

　　當將兩個(gè)信號相加時(shí)，該總信號在過(guò)渡相期間從零電平轉移。在高頻條件下，這些差動(dòng)信號以大幅急劇瞬態(tài)的形式出現，其顯示在接地層上，從而引起嚴重的 EMI 問(wèn)題。

　　需要注意的是，“噪聲”脈沖的寬度同兩個(gè)信號間的相移相等，并可以被轉換成一個(gè)給定頻率的時(shí)間差。該時(shí)間差（也稱(chēng)為對內時(shí)滯）由 HDMI 規定，用于 225 MHz TMDS 時(shí)鐘速率 0.4 TBIT 的接收機，其將轉換為 178 ps 最大值。對于一個(gè) HDMI 發(fā)送器而言，該規范要求 0.15 TBIT，以用于 225 MHz 的 TMDS 時(shí)鐘速率，其將轉換為66 ps最大值。