HDMI設(shè)計指南:HDTV接收機(jī)應(yīng)用中高速PCB的成功設(shè)計
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。現(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(jī)輸入端上。具有差動輸入的接收機(jī)均只對信號差異敏感,而對共模信號不敏感。因此,該接收機(jī)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(jìn)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(dá)接收機(jī)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(yán)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(yán)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(jī),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。
由于像素生成需要四個差動 TMDS 信號對(3 個數(shù)據(jù)信號+1 個時鐘信號)的同步傳輸,因此其必須在相同時間到達(dá)接收機(jī)。理想情況下,所有四個信號對應(yīng)該為相等的電氣長度,以保證零時間差。但是,對一個 0.2 TCHARACTER + 1.78 ns 的接收機(jī)而言,HDMI 允許一個最大的對間時滯 (信號對之間的時間差),從而會產(chǎn)生總計2.67 ns 的時間,以用于 225 MHz 的 TMDS 時鐘。對一個 HDMI 發(fā)送器而言,該規(guī)范要求產(chǎn)生 888ps 的 0.2 TCHARACTER。
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