HDMI 設(shè)計指南：HDTV接收機應(yīng)用中高速PCB的成功設(shè)

引言

　　針對使用 HDMI 多路復(fù)用中繼器的用戶，本文提供了如何通過精心設(shè)計印刷電路板 (PCB) 來實現(xiàn)器件全部性能最優(yōu)化的設(shè)計指導(dǎo)。我們將對高速 PCB 設(shè)計的一些主要方面的重要概念進行解釋，并給出一些建議。本文涵蓋了層堆棧、差動線跡、受控阻抗傳輸線、非連續(xù)性、布線指南、參考平面、過孔以及去耦電容器等內(nèi)容。

層堆棧

　　HDMI 多路復(fù)用中繼器的外引腳是專門針對 HDTV 接收機電路中的設(shè)計（見圖 1）而量身定制的。封裝的每一側(cè)都提供了一個 HDMI 端口，具有四個差動 TMDS 信號對，從而實現(xiàn)三個輸入端口和一個輸出端口。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(fù)用選擇器引腳）組成。

　　完成一個低 EMI PCB 設(shè)計最少需要四層堆棧（見圖 2）。層堆棧應(yīng)按照下列順序（自上而下）：TMDS 信號層，接線層，電源層和控制信號層。

圖2 建議在一個接收機 PCB 設(shè)計中使用 4 或 6 層堆棧。

　　在頂層上對高速 TMDS 線跡布線可以避免使用過孔（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(xù)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堅實的接地層，這樣就可以為傳輸線路互聯(lián)建立一個受控阻抗，并為返回電流提供一個優(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。

　　在底層布線低速控制信號可實現(xiàn)更大的靈活性，因為這些信號鏈通常擁有允許非連續(xù)性（如過孔）的裕度。

　　如果需要一個額外電源電壓層或信號層，那么就應(yīng)添加一個二級電源層/接地層系統(tǒng)至該堆棧，以使其保持對稱。這樣就可以使堆棧保持機械穩(wěn)定，并防止其變形。每個電源系統(tǒng)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。

差動線跡

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

　　在單端系統(tǒng)中，電流通過一個電感從電源流至負載，并經(jīng)由一個接地層或線路返回。該電流引起的橫向電磁 (TEM) 波會自由地向外部環(huán)境輻射，從而引起嚴重的電磁干擾 (EMI)（見圖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電感，一個用于正向電流，另一個用于電流返回。因此，當(dāng)緊密耦合時，該兩個電感中的電流為等量，但是極性卻相反，并且其電磁場消失?，F(xiàn)在，電磁場被“搶走”的兩個電感的 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時才會發(fā)生輻射，從而產(chǎn)生極低的 EMI（見圖3）。

圖3 來自單個電感周圍大散射磁場和差動信號對緊密耦合電感環(huán)路的外部小散射磁場的 TEM 波輻射

　　緊密電耦合的另一個好處是，感應(yīng)至兩個電感的外部噪聲均以等量共模噪聲的形式出現(xiàn)在接收機輸入端上。具有差動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 PCB 上，一個差動信號對的兩個線跡間距必須在整個線跡長度上保持一致。否則，間距變化就會引起磁場耦合不平衡，從而降低磁場消除的效果，造成 EMI 增加。

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

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

圖4 不同電氣長度的線跡會引起信號間的相移，從而產(chǎn)生導(dǎo)致嚴重 EMI 問題的差動信號

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

　　當(dāng)將兩個信號相加時，該總信號在過渡相期間從零電平轉(zhuǎn)移。在高頻條件下，這些差動信號以大幅急劇瞬態(tài)的形式出現(xiàn)，其顯示在接地層上，從而引起嚴重的 EMI 問題。

　　需要注意的是，“噪聲”脈沖的寬度同兩個信號間的相移相等，并可以被轉(zhuǎn)換成一個給定頻率的時間差。該時間差（也稱為對內(nèi)時滯）由 HDMI 規(guī)定，用于 225 MHz TMDS 時鐘速率 0.4 TBIT 的接收機，其將轉(zhuǎn)換為 178 ps 最大值。對于一個 HDMI 發(fā)送器而言，該規(guī)范要求 0.15 TBIT，以用于 225 MHz 的 TMDS 時鐘速率，其將轉(zhuǎn)換為66 ps最大值。