HDMI 設(shè)計(jì)指南：HDTV接收機(jī)應(yīng)用中高速PCB的成功設(shè)

引言

　　針對(duì)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(jì)印刷電路板 (PCB) 來實(shí)現(xiàn)器件全部性能最優(yōu)化的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。我們將對(duì)高速 PCB 設(shè)計(jì)的一些主要方面的重要概念進(jìn)行解釋，并給出一些建議。本文涵蓋了層堆棧、差動(dòng)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(duì) HDTV 接收機(jī)電路中的設(shè)計(jì)（見圖 1）而量身定制的。封裝的每一側(cè)都提供了一個(gè) HDMI 端口，具有四個(gè)差動(dòng) TMDS 信號(hào)對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。剩余信號(hào)由電源軌、Vcc 和接地以及低速信號(hào)（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(gè)低 EMI PCB 設(shè)計(jì)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(hào)層，接線層，電源層和控制信號(hào)層。

圖2 建議在一個(gè)接收機(jī) PCB 設(shè)計(jì)中使用 4 或 6 層堆棧。

　　在頂層上對(duì)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(jī)電路的干凈互聯(lián) (clean interconnect)。

　　在高速信號(hào)層的下面放置一個(gè)堅(jiān)實(shí)的接地層，這樣就可以為傳輸線路互聯(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。

　　在底層布線低速控制信號(hào)可實(shí)現(xiàn)更大的靈活性，因?yàn)檫@些信號(hào)鏈通常擁有允許非連續(xù)性（如過孔）的裕度。

　　如果需要一個(gè)額外電源電壓層或信號(hào)層，那么就應(yīng)添加一個(gè)二級(jí)電源層/接地層系統(tǒng)至該堆棧，以使其保持對(duì)稱。這樣就可以使堆棧保持機(jī)械穩(wěn)定，并防止其變形。每個(gè)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(dòng)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(gè)電感從電源流至負(fù)載，并經(jīng)由一個(gè)接地層或線路返回。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(yán)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(jī)放大，從而破壞信號(hào)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(dāng)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。現(xiàn)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（見圖3）。

圖3 來自單個(gè)電感周圍大散射磁場(chǎng)和差動(dòng)信號(hào)對(duì)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(yīng)至兩個(gè)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(jī)輸入端上。具有差動(dòng)輸入的接收機(jī)均只對(duì)信號(hào)差異敏感，而對(duì)共模信號(hào)不敏感。因此，該接收機(jī)抑制了共模噪聲，并保持了信號(hào)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(hào)對(duì)的兩個(gè)線跡間距必須在整個(gè)線跡長(zhǎng)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(hào)對(duì)差動(dòng)阻抗的變化，從而造成阻抗控制傳輸系統(tǒng)的中斷，進(jìn)而造成破壞信號(hào)完整性的信號(hào)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(zhǎng)度，以確保其信號(hào)在相同時(shí)間到達(dá)接收機(jī)輸入端。圖 4 顯示了相等及不同長(zhǎng)度線跡的邏輯狀態(tài)改變期間一個(gè)差動(dòng)對(duì)的“+”和“”信號(hào)。

圖4 不同電氣長(zhǎng)度的線跡會(huì)引起信號(hào)間的相移，從而產(chǎn)生導(dǎo)致嚴(yán)重 EMI 問題的差動(dòng)信號(hào)

　　對(duì)于相同長(zhǎng)度的線跡而言，兩個(gè)信號(hào)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(zhǎng)度不同，那么較短線跡上的信號(hào)就會(huì)比較長(zhǎng)線跡上的信號(hào)較早地改變狀態(tài)。在此期間，兩個(gè)線跡均驅(qū)動(dòng)電流至相同方向。由于往往會(huì)作為返回通路的長(zhǎng)線跡繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電流（“早”驅(qū)動(dòng)電流），因此短線跡必須找到其經(jīng)由一個(gè)參考層（電源層或接地層）的返回通路。

　　當(dāng)將兩個(gè)信號(hào)相加時(shí)，該總信號(hào)在過渡相期間從零電平轉(zhuǎn)移。在高頻條件下，這些差動(dòng)信號(hào)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(yán)重的 EMI 問題。

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