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1、問題的由來
一(yi)臺設備(bei)在輸(shu)入 HDMI 信(xin)號時(shi)測試輻射特性(xing)，主要(yao)是 HDMI 的(de) CLK 頻率(lv)及(ji)其倍(bei)頻的(de)輻射強(qiang)度易超標，有(you)時(shi)換(huan)一(yi)條 HDMI 線(xian)纜或者(zhe)換(huan)一(yi)臺作(zuo)為信(xin)源的(de) PC 后，被測機(ji)器的(de)測試結(jie)果也會有(you)數(shu) dB 甚至十多(duo) dB 的(de)變化，一(yi)時(shi)讓很多(duo)硬件工程師(shi)頭疼不已(yi)。
2、問題的分析
造成 HDMI 輻射超標(biao)的原因(yin)有多種可能，就不一一分(fen)析(xi)了，這(zhe)里只重點談(tan)談(tan)與差分(fen)線傳輸線長度差有關的問題(ti)。
理想情況下(xia)，差分(fen)信號(hao)是正(zheng)負對(dui)稱(cheng)的，其(qi)共(gong)模份(fen)量為零或者只有(you)直流份(fen)量，如圖 1 所示。如果差分(fen)線的正(zheng)負傳(chuan)輸線長(chang)度不等，造成傳(chuan)輸時間(jian)不一致，實(shi)際上就(jiu)是信號(hao)在(zai)時間(jian)軸上的不對(dui)稱(cheng)，在(zai)終端負載電阻上就(jiu)能觀察到(dao)圖 2 所示的波形。
顯然此時的(de)正負波形不能(neng)嚴格對稱，差(cha)分電路中(zhong)的(de)正負電流無法抵消，于是(shi)其電源(yuan)中(zhong)就有(you)共模電流份(fen)量(liang)在(zai)流動。
研究過(guo) EMI 的人都知道，共模輻射是最(zui)難(nan)對付的。
圖 1
圖 2
差分信(xin)號轉共模信(xin)號的(de)(de)現(xian)象，在(zai)李玉山教授翻譯的(de)(de) Bogatin 的(de)(de)《信(xin)號完整性》一(yi)書中第 11.15 章(zhang)和 11.16 章(zhang)中對(dui)此有(you)詳細(xi)的(de)(de)解(jie)釋。
書中(zhong)給出的(de)指導原則(ze)是差分線的(de)長(chang)度偏(pian)差必須在(zai)(zai)上升沿空間拓展(zhan)的(de) 20%以(yi)內，如果(guo)上升時(shi)間是 100ps，那么長(chang)度差應(ying)該控制在(zai)(zai) 100mil 以(yi)內（以(yi) FR4 材質的(de) PCB 為例），否則(ze)會引起 EMI 問題。
3、用實驗來驗證
讓我(wo)們(men)先用(yong)實驗來(lai)驗證一下(xia)上面的分(fen)析，看看能否能證實這個推(tui)斷。
實際測量一下(xia)差分信(xin)號(hao)，如圖(tu) 3 所示，圖(tu)中最下(xia)面一條圖(tu)形為共模(mo)電(dian)壓份量，很明(ming)顯在波形正負邊沿交叉的時候的確有脈沖輸(shu)出。
圖 3
我們隨機選取了(le) 10 條 HDMI 線(xian)，使(shi)用(yong)網絡分(fen)析儀測(ce)試了(le)每條線(xian)的 CLK 差(cha)分(fen)線(xian)的時延差(cha)，因為(wei)時延差(cha)直(zhi)接反映了(le)正負(fu)傳(chuan)輸線(xian)的長度(du)差(cha)，10 條線(xian)的時延差(cha)如表 1 中所示。
表 1
接(jie)下來，分(fen)別選兩臺(tai) EMI 測量用 PC 作為(wei) HDMI 信源(yuan)，接(jie)上負載(zai)，然(ran)后測量每條線(xian)所產生的(de)共(gong)模(mo)電壓的(de)峰峰值，如表(biao) 2 中(zhong)(zhong)所示，將它們繪制(zhi)在圖 4 中(zhong)(zhong)。
表 2
從圖 4 中，我們可以看(kan)(kan)到(dao)直(zhi)觀的(de)看(kan)(kan)到(dao)：只要時延差（橫軸表示(shi)）大(da)(da)的(de)，無論是(shi)正值還是(shi)負(fu)值，其共(gong)模電(dian)(dian)壓幅度（縱軸表示(shi)）均較高，且兩臺(tai)電(dian)(dian)腦(nao)呈現相同的(de)趨勢。這就是(shi)說(shuo)時延差大(da)(da)的(de)，也就差分線(xian)長度匹配差異(yi)越大(da)(da)，產(chan)生的(de)共(gong)模電(dian)(dian)壓越高。
圖 4
在隨后(hou)的輻射測試(shi)中，保持測試(shi)電腦(nao)（PC1）及被測機器不(bu)變，依次更(geng)換 10 條 HDMI 線，其(qi)結果印證了(le)我們(men)的預計(ji)，數據詳見(jian)表(biao) 3。
為了圖形的清晰，選(xuan)擇共模電(dian)壓最小、中(zhong)間、最大的 8#、4#、0#這 3 條(tiao)線的測試數據用圖形表示，如圖 6 所示。
0#線(xian)時延差最大，輻射也(ye)最大；8#線(xian)時延差最小，輻射也(ye)最小。
絕(jue)大部分頻率點(dian)上的(de)輻射特性強弱與共模電(dian)壓大小幾(ji)乎都有直(zhi)接的(de)對應(ying)關(guan)系。
表 3
圖 6
以上實驗(yan)說明差(cha)分線長(chang)度(du)的(de)不匹配程度(du)越大，共模輻(fu)射(she)(she)也越大，也就解釋(shi)了換用不同的(de) HDMI 線其(qi)輻(fu)射(she)(she)測試結(jie)果(guo)相差(cha)甚(shen)遠(yuan)的(de)原因。
4、關(guan)于(yu)眼圖的 X 軸抖動(dong)
通過前面的(de)分析(xi)，我(wo)們自然(ran)會聯想到信號在(zai)時間(jian)軸上(shang)(shang)的(de)不(bu)對稱一定會影(ying)響眼圖的(de)質(zhi)量，如 X 軸上(shang)(shang)的(de)抖(dou)動范圍會更大，因為差分信號的(de)邊沿更容易(yi)觸碰模板了，如圖 7 所示。
圖 7
需要(yao)(yao)注意的(de)是(shi)(shi)，長度匹配是(shi)(shi)指芯片(pian)(pian)到(dao)芯片(pian)(pian)（即差分(fen)信號發(fa)送端(duan)到(dao)接收端(duan)）之(zhi)間的(de)鏈路，并不是(shi)(shi)對 PCB 走線(xian)的(de)單一要(yao)(yao)求。
經與 IC 供應商(shang)了(le)解后發(fa)現，其內部的差分線(xian)金線(xian)的長度差有時可以達到 40-60mil 這樣的數值(zhi)，顯然(ran)是不能被忽略的。
在芯片供應商提供了 IC 內部每條(tiao)差(cha)分(fen)線(xian)(xian)金線(xian)(xian)的(de)長度后(hou)，要求 PCB 工程(cheng)師根(gen)據此數據將差(cha)分(fen)走線(xian)(xian)的(de)進行長度匹配，總偏差(cha)控制在 10-20mil（注意：是同一對差(cha)分(fen)線(xian)(xian)的(de)正負線(xian)(xian)長度差(cha)，不(bu)是差(cha)分(fen)對與差(cha)分(fen)對的(de)長度差(cha)）。
某產品在僅(jin)僅(jin)改善了差分線(xian)的長度(du)匹配之(zhi)后，眼圖測試中(zhong)觸碰模板的數量便(bian)大幅度(du)得到改善，如(ru)表 4 所示(shi)(shi)，水(shui)平軸上的抖動(dong)也從 148ps 降低到 122ps，確定性(xing)抖動(dong)與總(zong)抖動(dong)也有不同程度(du)的下降，如(ru)圖 8 所示(shi)(shi)。
表 4
圖 8
5、小 結
差分電(dian)路(lu)的(de)好處是在于(yu)對稱，包括(kuo)傳輸線的(de)長度對稱，倘若做不(bu)到，差分信號轉共模信號后會帶來 EMI 和眼圖等問題(ti)。上升(sheng)沿速度越快，對差分長度匹配要求(qiu)越高。
對于在(zai) PCB 板(ban)上的(de)差(cha)分傳(chuan)輸(shu)線(xian)，必須考慮(lv)差(cha)分芯片收發整個鏈路的(de)長度差(cha)，這一點在(zai)設計中常常被忽略(lve)。
信號上升沿(yan)在 100ps 級別時，筆者認為 Bogatin 提出的(de) 100mil 匹配(pei)要求(qiu)（FR4 材(cai)質 PCB）對(dui)于 EMI 來(lai)說還是有很大風(feng)險(xian)的(de)，差分線的(de)長度匹配(pei)控制在 10-20mil 以內比較(jiao)穩妥。
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