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技術(shù)文章

談?wù)劜罘志€傳輸線長(zhǎng)度差

閱讀:2009          發(fā)布時(shí)間:2021-4-23

 

1、問(wèn)題的由來(lái)

一臺(tái)設(shè)備在輸入 HDMI 信號(hào)時(shí)測(cè)試輻射特性,主要是 HDMI 的 CLK 頻率及其倍頻的輻射強(qiáng)度易超標(biāo),有時(shí)換一條 HDMI 線纜或者換一臺(tái)作為信源的 PC 后,被測(cè)機(jī)器的測(cè)試結(jié)果也會(huì)有數(shù) 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(biāo)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差分線傳輸線長(zhǎng)度差有關(guān)的問(wèn)題。


理想情況下,差分信號(hào)是正負(fù)對(duì)稱的,其共模份量為零或者只有直流份量,如圖 1 所示。如果差分線的正負(fù)傳輸線長(zhǎng)度不等,造成傳輸時(shí)間不一致,實(shí)際上就是信號(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)稱,在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖 2 所示的波形。


顯然此時(shí)的正負(fù)波形不能嚴(yán)格對(duì)稱,差分電路中的正負(fù)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,共模輻射是最難對(duì)付的。

 

圖 1

 

圖 2

 

差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)的現(xiàn)象,在李玉山教授翻譯的 Bogatin 的《信號(hào)完整性》一書(shū)中第 11.15 章和 11.16 章中對(duì)此有詳細(xì)的解釋。


書(shū)中給出的指導(dǎo)原則是差分線的長(zhǎng)度偏差必須在上升沿空間拓展的 20%以內(nèi),如果上升時(shí)間是 100ps,那么長(zhǎng)度差應(yīng)該控制在 100mil 以內(nèi)(以 FR4 材質(zhì)的 PCB 為例),否則會(huì)引起 EMI 問(wèn)題。

 

3、用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證

讓我們先用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(cè)量一下差分信號(hào),如圖 3 所示,圖中最下面一條圖形為共模電壓份量,很明顯在波形正負(fù)邊沿交叉的時(shí)候的確有脈沖輸出。

 

圖 3


我們隨機(jī)選取了 10 條 HDMI 線,使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了每條線的 CLK 差分線的時(shí)延差,因?yàn)闀r(shí)延差直接反映了正負(fù)傳輸線的長(zhǎng)度差,10 條線的時(shí)延差如表 1 中所示。

 

表 1


接下來(lái),分別選兩臺(tái) EMI 測(cè)量用 PC 作為 HDMI 信源,接上負(fù)載,然后測(cè)量每條線所產(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,我們可以看到直觀的看到:只要時(shí)延差(橫軸表示)大的,無(wú)論是正值還是負(fù)值,其共模電壓幅度(縱軸表示)均較高,且兩臺(tái)電腦呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。這就是說(shuō)時(shí)延差大的,也就差分線長(zhǎng)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(cè)試中,保持測(cè)試電腦(PC1)及被測(cè)機(jī)器不變,依次更換 10 條 HDMI 線,其結(jié)果印證了我們的預(yù)計(jì),數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表 3。


為了圖形的清晰,選擇共模電壓最小、中間、最大的 8#、4#、0#這 3 條線的測(cè)試數(shù)據(jù)用圖形表示,如圖 6 所示。


0#線時(shí)延差最大,輻射也最大;8#線時(shí)延差最小,輻射也最小。


絕大部分頻率點(diǎn)上的輻射特性強(qiáng)弱與共模電壓大小幾乎都有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

 

表 3

 

圖 6


以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明差分線長(zhǎng)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 線其輻射測(cè)試結(jié)果相差甚遠(yuǎn)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(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)稱一定會(huì)影響眼圖的質(zhì)量,如 X 軸上的抖動(dòng)范圍會(huì)更大,因?yàn)椴罘中盘?hào)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(zhǎng)度匹配是指芯片到芯片(即差分信號(hào)發(fā)送端到接收端)之間的鏈路,并不是對(duì) PCB 走線的單一要求。


經(jīng)與 IC 供應(yīng)商了解后發(fā)現(xiàn),其內(nèi)部的差分線金線的長(zhǎng)度差有時(shí)可以達(dá)到 40-60mil 這樣的數(shù)值,顯然是不能被忽略的。


在芯片供應(yīng)商提供了 IC 內(nèi)部每條差分線金線的長(zhǎng)度后,要求 PCB 工程師根據(jù)此數(shù)據(jù)將差分走線的進(jìn)行長(zhǎng)度匹配,總偏差控制在 10-20mil(注意:是同一對(duì)差分線的正負(fù)線長(zhǎng)度差,不是差分對(duì)與差分對(duì)的長(zhǎng)度差)。


某產(chǎn)品在僅僅改善了差分線的長(zhǎng)度匹配之后,眼圖測(cè)試中觸碰模板的數(shù)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(jié)

差分電路的好處是在于對(duì)稱,包括傳輸線的長(zhǎng)度對(duì)稱,倘若做不到,差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)后會(huì)帶來(lái) EMI 和眼圖等問(wèn)題。上升沿速度越快,對(duì)差分長(zhǎng)度匹配要求越高。


對(duì)于在 PCB 板上的差分傳輸線,必須考慮差分芯片收發(fā)整個(gè)鏈路的長(zhǎng)度差,這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中常常被忽略。


信號(hào)上升沿在 100ps 級(jí)別時(shí),筆者認(rèn)為 Bogatin 提出的 100mil 匹配要求(FR4 材質(zhì) PCB)對(duì)于 EMI 來(lái)說(shuō)還是有很大風(fēng)險(xiǎn)的,差分線的長(zhǎng)度匹配控制在 10-20mil 以內(nèi)比較穩(wěn)妥。

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