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1、問題的由來
一(yi)臺設(she)備在輸(shu)入 HDMI 信號(hao)時測試(shi)輻(fu)射特性，主要是 HDMI 的 CLK 頻(pin)率及其倍頻(pin)的輻(fu)射強度(du)易超標，有(you)時換一(yi)條 HDMI 線(xian)纜或者換一(yi)臺作(zuo)為信源的 PC 后，被測機器(qi)的測試(shi)結果也會有(you)數(shu) dB 甚(shen)至十多 dB 的變(bian)化，一(yi)時讓很多硬(ying)件工程師頭疼不(bu)已。
2、問題的分析
造成 HDMI 輻(fu)射超(chao)標(biao)的原(yuan)因有(you)多(duo)種可能，就不一一分析了，這里只重點談談與差分線傳輸線長度差有(you)關的問(wen)題(ti)。
理(li)想情況下，差(cha)分信(xin)號是(shi)正(zheng)負(fu)對稱的(de)(de)，其共(gong)模份量為零或者(zhe)只有直流份量，如(ru)(ru)圖 1 所(suo)示。如(ru)(ru)果差(cha)分線的(de)(de)正(zheng)負(fu)傳(chuan)輸線長(chang)度不(bu)等，造成(cheng)傳(chuan)輸時(shi)(shi)間不(bu)一致，實際上(shang)(shang)就是(shi)信(xin)號在時(shi)(shi)間軸上(shang)(shang)的(de)(de)不(bu)對稱，在終端負(fu)載電阻上(shang)(shang)就能(neng)觀察到圖 2 所(suo)示的(de)(de)波(bo)形。
顯然此(ci)時的(de)(de)正負波形不能(neng)嚴(yan)格(ge)對(dui)稱，差(cha)分電(dian)路(lu)中的(de)(de)正負電(dian)流(liu)無法抵消，于(yu)是(shi)其電(dian)源中就(jiu)有共模電(dian)流(liu)份量在流(liu)動。
研(yan)究(jiu)過 EMI 的人都知道，共(gong)模輻(fu)射是(shi)難對付的。
圖 1
圖 2
差(cha)分信號(hao)轉共模信號(hao)的(de)現(xian)象，在李(li)玉(yu)山教授(shou)翻(fan)譯(yi)的(de) Bogatin 的(de)《信號(hao)完整性》一書中第 11.15 章和 11.16 章中對此(ci)有(you)詳細的(de)解釋。
書中給出的(de)指導原則是差分線(xian)的(de)長(chang)(chang)度(du)偏差必(bi)須在(zai)上升沿空間拓展的(de) 20%以(yi)內，如果上升時(shi)間是 100ps，那么(me)長(chang)(chang)度(du)差應該控制在(zai) 100mil 以(yi)內（以(yi) FR4 材(cai)質的(de) PCB 為例），否則會(hui)引起(qi) EMI 問題(ti)。
3、用實驗來驗證
讓我們先用實驗來驗證(zheng)一下上面的分析，看看能否(fou)能證(zheng)實這個推(tui)斷。
實際(ji)測量一(yi)下(xia)差(cha)分信號，如圖 3 所示，圖中下(xia)面一(yi)條圖形為共模電壓份量，很明(ming)顯在波形正負邊(bian)沿交叉的時候的確有(you)脈沖(chong)輸出。
圖 3
我們隨機選(xuan)取(qu)了 10 條(tiao) HDMI 線(xian)，使用網絡(luo)分析儀測試了每條(tiao)線(xian)的(de) CLK 差分線(xian)的(de)時延(yan)差，因為時延(yan)差直接反映了正(zheng)負傳輸線(xian)的(de)長(chang)度差，10 條(tiao)線(xian)的(de)時延(yan)差如表 1 中所示。
表 1
接下來(lai)，分別選兩臺 EMI 測量用 PC 作(zuo)為 HDMI 信源，接上負載，然后測量每條線所產生的共模電壓(ya)的峰(feng)峰(feng)值，如表(biao) 2 中(zhong)所示，將它(ta)們(men)繪制在圖 4 中(zhong)。
表 2
從圖 4 中，我們可以看(kan)(kan)到直觀的看(kan)(kan)到：只要時延差（橫軸(zhou)表(biao)示(shi)）大(da)(da)的，無論(lun)是正值還是負值，其共模電(dian)壓幅度（縱軸(zhou)表(biao)示(shi)）均較高，且兩(liang)臺電(dian)腦呈現相同的趨勢。這就是說時延差大(da)(da)的，也(ye)就差分線長度匹配差異越大(da)(da)，產(chan)生的共模電(dian)壓越高。
圖 4
在隨(sui)后的輻(fu)射(she)測試中(zhong)，保持(chi)測試電(dian)腦(nao)（PC1）及被測機器(qi)不變，依次更換 10 條 HDMI 線(xian)，其結果印證了(le)我們的預計，數據詳見(jian)表(biao) 3。
為了圖形(xing)的(de)清晰，選(xuan)擇共模電壓小、中(zhong)間、大的(de) 8#、4#、0#這(zhe) 3 條(tiao)線的(de)測試(shi)數據用圖形(xing)表示，如圖 6 所(suo)示。
0#線(xian)時(shi)延差(cha)大，輻(fu)射也(ye)大；8#線(xian)時(shi)延差(cha)小，輻(fu)射也(ye)小。
絕(jue)大部分頻率點上的(de)輻射特性強弱與共模電壓大小幾乎都有直接的(de)對應關系。
表 3
圖 6
以上實(shi)驗(yan)說明差(cha)分線(xian)長度的不(bu)匹(pi)配程度越(yue)大(da)，共模輻射也(ye)越(yue)大(da)，也(ye)就(jiu)解釋了換用不(bu)同的 HDMI 線(xian)其輻射測(ce)試結果相差(cha)甚遠的原(yuan)因(yin)。
4、關于眼圖的 X 軸抖動
通過(guo)前面的(de)分析，我們自然會(hui)聯想(xiang)到信號(hao)(hao)在時間軸上(shang)的(de)不對稱一定會(hui)影(ying)響(xiang)眼(yan)圖(tu)的(de)質(zhi)量，如 X 軸上(shang)的(de)抖(dou)動范(fan)圍會(hui)更大，因(yin)為差(cha)分信號(hao)(hao)的(de)邊沿更容易觸碰模板了，如圖(tu) 7 所示。
圖 7
需要(yao)注意的是，長度匹配是指芯片到(dao)芯片（即差分信號發送(song)端到(dao)接收端）之間的鏈路(lu)，并不是對(dui) PCB 走(zou)線(xian)的單一要(yao)求。
經與(yu) IC 供應商了解后(hou)發現，其內部的(de)差分線金線的(de)長度差有時可以(yi)達到 40-60mil 這(zhe)樣(yang)的(de)數值，顯(xian)然(ran)是不能被忽略的(de)。
在芯片供(gong)應商提(ti)供(gong)了 IC 內部每條差(cha)分(fen)(fen)線(xian)金線(xian)的長(chang)度后，要求 PCB 工(gong)程師根據此數據將差(cha)分(fen)(fen)走線(xian)的進行長(chang)度匹配，總偏差(cha)控制在 10-20mil（注意：是同(tong)一對差(cha)分(fen)(fen)線(xian)的正負線(xian)長(chang)度差(cha)，不是差(cha)分(fen)(fen)對與差(cha)分(fen)(fen)對的長(chang)度差(cha)）。
某(mou)產品在(zai)僅(jin)僅(jin)改(gai)善了(le)差分線的(de)(de)長度(du)匹配之(zhi)后(hou)，眼圖測試中觸(chu)碰模板的(de)(de)數量便大幅度(du)得到(dao)改(gai)善，如表 4 所示(shi)，水平軸上(shang)的(de)(de)抖動也(ye)從 148ps 降低到(dao) 122ps，確定性抖動與總抖動也(ye)有不同程度(du)的(de)(de)下降，如圖 8 所示(shi)。
表 4
圖 8
5、小 結
差(cha)分(fen)(fen)電(dian)路的好處是在于(yu)對(dui)(dui)(dui)稱(cheng)，包括傳輸(shu)線的長度對(dui)(dui)(dui)稱(cheng)，倘若(ruo)做(zuo)不到，差(cha)分(fen)(fen)信(xin)號轉(zhuan)共模信(xin)號后會(hui)帶來 EMI 和眼圖等(deng)問(wen)題。上升沿速度越(yue)(yue)快(kuai)，對(dui)(dui)(dui)差(cha)分(fen)(fen)長度匹配要求越(yue)(yue)高。
對于在(zai) PCB 板上的差分傳輸線，必須(xu)考(kao)慮差分芯片收發整個鏈路(lu)的長(chang)度差，這一點在(zai)設計中常常被忽略(lve)。
信號上(shang)升沿在 100ps 級別時，筆(bi)者認為 Bogatin 提出的 100mil 匹配要求（FR4 材質(zhi) PCB）對于 EMI 來說還是有很(hen)大風(feng)險的，差分(fen)線(xian)的長度匹配控制在 10-20mil 以內(nei)比(bi)較穩妥。
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