HDMI 設計指南：HDTV接收機應用中高速PCB的成功設

　　由于像素生成需要四個(gè)差動(dòng) TMDS 信號對（3 個(gè)數據信號+1 個(gè)時(shí)鐘信號）的同步傳輸，因此其必須在相同時(shí)間到達接收機。理想情況下，所有四個(gè)信號對應該為相等的電氣長(cháng)度，以保證零時(shí)間差。但是，對一個(gè) 0.2 TCHARACTER + 1.78 ns 的接收機而言，HDMI 允許一個(gè)最大的對間時(shí)滯 (信號對之間的時(shí)間差)，從而會(huì )產(chǎn)生總計2.67 ns 的時(shí)間，以用于 225 MHz 的 TMDS 時(shí)鐘。對一個(gè) HDMI 發(fā)送器而言，該規范要求產(chǎn)生 888ps 的 0.2 TCHARACTER。

受控阻抗傳輸線(xiàn)

　　受控阻抗線(xiàn)跡可用于匹配傳輸介質(zhì)的差動(dòng)阻抗（例如：線(xiàn)纜）和端接電阻。差動(dòng)阻抗由信號對線(xiàn)跡的物理幾何、它們同鄰近接地層的關(guān)系以及 PCB 電介質(zhì)決定。這些幾何形狀必須在整個(gè)線(xiàn)跡長(cháng)度上保持一致。

　　圖5 描述了微波傳輸帶 (Microtrip) 線(xiàn)跡（外層線(xiàn)跡）及帶狀線(xiàn)線(xiàn)跡（通常是被兩個(gè)接地層夾在中間的層堆棧內線(xiàn)跡）阻抗計算相關(guān)的參數。

圖5 差動(dòng)線(xiàn)跡的物理幾何

　　為了計算出圖 5 中 100Ω 差動(dòng)阻抗 TMDS 信號對的線(xiàn)跡幾何，可以使用閉式方程 1 6。

1、對于松散耦合帶狀線(xiàn)而言，s > 12 mils，數字 0.748 可能被 0.374 替換。
2、W 2h 時(shí)，最大誤差為 3%
3、為了獲得最佳精確度，使 b t > 2W 及 b > 4t，其中，b 為接地層之間的電介質(zhì)厚度。

　　考慮到差動(dòng)信號對及其環(huán)境之間的距離，圖 5 顯示了一個(gè)線(xiàn)跡 X，其未與鄰近的“+”和“”導體中的電流關(guān)聯(lián)。X 可以為另一信號對線(xiàn)跡、一個(gè)接地屏蔽線(xiàn)跡或一個(gè) TTL/CMOS 線(xiàn)跡。

　　對于鄰近信號對和屏蔽線(xiàn)跡而言，使距離 d 等于 3 s。在一側運行屏蔽線(xiàn)跡（接地更為適宜），可能會(huì )創(chuàng )建一個(gè)增加 EMI 的失衡。接地線(xiàn)跡屏蔽應該對下層接地層有一個(gè)過(guò)孔散射。

　　請注意！乍一看上面的方程式，其呈現出一種可獲得線(xiàn)跡幾何的比較便宜的方法。但是，這些函數均基于經(jīng)驗數據，并代表最佳情況下的近似值。實(shí)際精確度可能會(huì )有非常大的不同，各種原因甚至會(huì )引起高達 10% 的可能誤差。

　　從長(cháng)遠來(lái)看，一種更精確、成本更低的方法是使用一個(gè) 2D 或更好的場(chǎng)求解器。它是一種可對麥克斯韋 (Maxwell) 方程式求解并計算出任意橫截面傳輸線(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的軟件工具。它還可以由以上這些計算出電氣性能項，例如：特性阻抗、信號速度、串擾和差動(dòng)阻抗。一些場(chǎng)求解器還可以計算出導體內的電流分布情況。相對于近似法而言，一個(gè) 2D 場(chǎng)求解器的優(yōu)勢在于其考慮了幾乎所有任意橫截面幾何的靈活性。除了第一階項（例如：線(xiàn)寬、電介質(zhì)厚度和電解介質(zhì)常量）以外，第二階項（例如：線(xiàn)跡厚度、阻焊和線(xiàn)跡蝕刻背面）均可以被考慮到。

非連續性

　　非連續性就是信號路徑中差動(dòng)線(xiàn)跡阻抗偏離于其規定值（100Ω，即 15% HDMI）的地方，并假定更高或更低的阻抗值。非連續性可以引起由阻抗不匹配帶來(lái)的信號反射，進(jìn)而破壞信號完整性。這些主要是有效線(xiàn)跡寬度或線(xiàn)間間距變化的結果，而這些變化又是由不可避免的沿信號路徑線(xiàn)跡幾何傳輸，或由較差的信號線(xiàn)跡布線(xiàn)引起的。
可能發(fā)生非連續性的位置為：

HDMI 連接器焊盤(pán)同信號線(xiàn)跡相遇處

信號線(xiàn)跡碰到過(guò)孔、電阻器組件盤(pán)或 IC 引腳處

信號線(xiàn)跡 90o 彎曲處

信號對被分離以圍繞一個(gè)物體布線(xiàn)的地方

　　在差動(dòng)阻抗、TDR、和測試期間將非連續性探測出來(lái)。一個(gè)TDR（時(shí)間域反射計）是一種用來(lái)描繪和定位金屬導體中故障的電子儀器。

　　一個(gè) TDR 沿導體傳輸一個(gè)快速上升時(shí)間脈沖。如果該導體為統一阻抗，并被正確地封端 (terminated)，那么整個(gè)發(fā)射脈沖將在遠端終端被吸收，且沒(méi)信號會(huì )被反射回 TDR。但是，存在阻抗非連續性的情況下，所有非連續性都將構成一個(gè)被反射回反射計（reflectometer）的回波。阻抗增加會(huì )產(chǎn)生一個(gè)增強原始脈沖的回波，與此同時(shí)，阻抗減少會(huì )產(chǎn)生一個(gè)同原始脈沖相對的回波。

　　在輸出/輸入端測量出產(chǎn)生的 TDR 反射脈沖，其將以時(shí)間函數的形式顯示或繪制出來(lái)，因為給定傳輸介質(zhì)中信號傳播的速度相對不變，并且可以以線(xiàn)跡長(cháng)度函數的形式被讀取出來(lái)。

圖6 TDR 顯示表明了非連續性的位置

　　PCB 設計的目的在于盡可能將非連續性最小化，從而消除反射并保持信號完整。遵循一組布線(xiàn)指南，有助于避免不必要的非連續性。剩下的不可避免的非連續性應集中在一起，也就是說(shuō)將這一區域的面積應保持較小，并盡可能的緊密放置。這一想法就是將各個(gè)反射點(diǎn)集中在某個(gè)區域，而不是將其分布在整個(gè)信號路徑里。

　　利用 TDR 看到的大量非連續性直接受到 TDR 使用的脈沖邊緣速率的影響。TDR 邊緣速率越快，出現的非連續性就會(huì )越多，并且阻抗峰值就越大。通過(guò) HDMI 規范，他們定義了邊緣速率（通常為 200ps）。圖 6 對該點(diǎn)進(jìn)行了描述。圖中的低線(xiàn)壓采用 30ps 邊緣速率，高線(xiàn)壓采用 200pf 濾波器。當使用 200ps 邊緣速率濾波器時(shí)，由出現在低線(xiàn)壓上的 TPA 電路板 SMA 產(chǎn)生的非連續性均為完全不可見(jiàn)。

布線(xiàn)指南

　　當試圖保持信號完整性和低 EMI 時(shí)，具有 PCB 布線(xiàn)的一些指南是必不可少的。盡管似乎有無(wú)數的預防方法可以采用，但是本章節僅僅推薦使用一些主要的布局指南。

1、在不匹配點(diǎn)上采用小彎曲度修正，可減少差動(dòng)對內的時(shí)滯。

2、減少由組件放置和 IC 外腳引線(xiàn)以及信號路徑上較大角度修正所引起的對間時(shí)滯。采用斜切式彎曲 (chamfered corner)，其長(cháng)度和線(xiàn)寬之比為 3 比 5。彎曲之間的距離應最少為線(xiàn)寬的 8 到 10 倍左右。

3、使用45 o 彎曲（斜切式彎曲）替代直角（90o）彎曲。直角彎曲會(huì )增加有效線(xiàn)寬，改變差動(dòng)線(xiàn)跡阻抗，從而出現一個(gè)較短的中斷點(diǎn)。一個(gè)45o 彎曲可以看作是一個(gè)時(shí)間更短的中斷點(diǎn)。

4、當在一個(gè)物體周?chē)M(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，應對并聯(lián)的一對線(xiàn)跡進(jìn)行布線(xiàn)。將線(xiàn)跡分離開(kāi)來(lái)布線(xiàn)會(huì )改變線(xiàn)與線(xiàn)之間的間距，從而引起差動(dòng)阻抗的改變以及非連續現象的出現。

圖8 在一個(gè)物體周?chē)牟季€(xiàn)