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1、問(wèn)題的由來(lái)
一臺設備在輸入 HDMI 信號時(shí)測試輻射特性，主要是 HDMI 的 CLK 頻率及其倍頻的輻射強度易超標，有時(shí)換一條 HDMI 線(xiàn)纜或者換一臺作為信源的 PC 后，被測機器的測試結果也會(huì )有數 dB 甚至十多 dB 的變化，一時(shí)讓很多硬件工程師頭疼不已。
2、問(wèn)題的分析
造成 HDMI 輻射超標的原因有多種可能，就不一一分析了，這里只重點(diǎn)談?wù)勁c差分線(xiàn)傳輸線(xiàn)長(cháng)度差有關(guān)的問(wèn)題。
理想情況下，差分信號是正負對稱(chēng)的，其共模份量為零或者只有直流份量，如圖 1 所示。如果差分線(xiàn)的正負傳輸線(xiàn)長(cháng)度不等，造成傳輸時(shí)間不一致，實(shí)際上就是信號在時(shí)間軸上的不對稱(chēng)，在終端負載電阻上就能觀(guān)察到圖 2 所示的波形。
顯然此時(shí)的正負波形不能?chē)栏駥ΨQ(chēng)，差分電路中的正負電流無(wú)法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動(dòng)。
研究過(guò) EMI 的人都知道，共模輻射是難對付的。
圖 1
圖 2
差分信號轉共模信號的現象，在李玉山教授翻譯的 Bogatin 的《信號完整性》一書(shū)中第 11.15 章和 11.16 章中對此有詳細的解釋。
書(shū)中給出的指導原則是差分線(xiàn)的長(cháng)度偏差必須在上升沿空間拓展的 20%以?xún)?，如果上升時(shí)間是 100ps，那么長(cháng)度差應該控制在 100mil 以?xún)龋ㄒ?FR4 材質(zhì)的 PCB 為例），否則會(huì )引起 EMI 問(wèn)題。
3、用實(shí)驗來(lái)驗證
讓我們先用實(shí)驗來(lái)驗證一下上面的分析，看看能否能證實(shí)這個(gè)推斷。
實(shí)際測量一下差分信號，如圖 3 所示，圖中下面一條圖形為共模電壓份量，很明顯在波形正負邊沿交叉的時(shí)候的確有脈沖輸出。
圖 3
我們隨機選取了 10 條 HDMI 線(xiàn)，使用網(wǎng)絡(luò )分析儀測試了每條線(xiàn)的 CLK 差分線(xiàn)的時(shí)延差，因為時(shí)延差直接反映了正負傳輸線(xiàn)的長(cháng)度差，10 條線(xiàn)的時(shí)延差如表 1 中所示。
表 1
接下來(lái)，分別選兩臺 EMI 測量用 PC 作為 HDMI 信源，接上負載，然后測量每條線(xiàn)所產(chǎn)生的共模電壓的峰峰值，如表 2 中所示，將它們繪制在圖 4 中。
表 2
從圖 4 中，我們可以看到直觀(guān)的看到：只要時(shí)延差（橫軸表示）大的，無(wú)論是正值還是負值，其共模電壓幅度（縱軸表示）均較高，且兩臺電腦呈現相同的趨勢。這就是說(shuō)時(shí)延差大的，也就差分線(xiàn)長(cháng)度匹配差異越大，產(chǎn)生的共模電壓越高。
圖 4
在隨后的輻射測試中，保持測試電腦（PC1）及被測機器不變，依次更換 10 條 HDMI 線(xiàn)，其結果印證了我們的預計，數據詳見(jiàn)表 3。
為了圖形的清晰，選擇共模電壓小、中間、大的 8#、4#、0#這 3 條線(xiàn)的測試數據用圖形表示，如圖 6 所示。
0#線(xiàn)時(shí)延差大，輻射也大；8#線(xiàn)時(shí)延差小，輻射也小。
絕大部分頻率點(diǎn)上的輻射特性強弱與共模電壓大小幾乎都有直接的對應關(guān)系。
表 3
圖 6
以上實(shí)驗說(shuō)明差分線(xiàn)長(cháng)度的不匹配程度越大，共模輻射也越大，也就解釋了換用不同的 HDMI 線(xiàn)其輻射測試結果相差甚遠的原因。
4、關(guān)于眼圖的 X 軸抖動(dòng)
通過(guò)前面的分析，我們自然會(huì )聯(lián)想到信號在時(shí)間軸上的不對稱(chēng)一定會(huì )影響眼圖的質(zhì)量，如 X 軸上的抖動(dòng)范圍會(huì )更大，因為差分信號的邊沿更容易觸碰模板了，如圖 7 所示。
圖 7
需要注意的是，長(cháng)度匹配是指芯片到芯片（即差分信號發(fā)送端到接收端）之間的鏈路，并不是對 PCB 走線(xiàn)的單一要求。
經(jīng)與 IC 供應商了解后發(fā)現，其內部的差分線(xiàn)金線(xiàn)的長(cháng)度差有時(shí)可以達到 40-60mil 這樣的數值，顯然是不能被忽略的。
在芯片供應商提供了 IC 內部每條差分線(xiàn)金線(xiàn)的長(cháng)度后，要求 PCB 工程師根據此數據將差分走線(xiàn)的進(jìn)行長(cháng)度匹配，總偏差控制在 10-20mil（注意：是同一對差分線(xiàn)的正負線(xiàn)長(cháng)度差，不是差分對與差分對的長(cháng)度差）。
某產(chǎn)品在僅僅改善了差分線(xiàn)的長(cháng)度匹配之后，眼圖測試中觸碰模板的數量便大幅度得到改善，如表 4 所示，水平軸上的抖動(dòng)也從 148ps 降低到 122ps，確定性抖動(dòng)與總抖動(dòng)也有不同程度的下降，如圖 8 所示。
表 4
圖 8
5、小 結
差分電路的好處是在于對稱(chēng)，包括傳輸線(xiàn)的長(cháng)度對稱(chēng)，倘若做不到，差分信號轉共模信號后會(huì )帶來(lái) EMI 和眼圖等問(wèn)題。上升沿速度越快，對差分長(cháng)度匹配要求越高。
對于在 PCB 板上的差分傳輸線(xiàn)，必須考慮差分芯片收發(fā)整個(gè)鏈路的長(cháng)度差，這一點(diǎn)在設計中常常被忽略。
信號上升沿在 100ps 級別時(shí)，筆者認為 Bogatin 提出的 100mil 匹配要求（FR4 材質(zhì) PCB）對于 EMI 來(lái)說(shuō)還是有很大風(fēng)險的，差分線(xiàn)的長(cháng)度匹配控制在 10-20mil 以?xún)缺容^穩妥。
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