文档介绍:HDMI 设计终极解决方案!
针对使用 HDMI 多路复用中继器顾客,本文提供了如何通过精心设计印刷电路板 (PCB) 来实现器件所有性能最优化设计指引。咱们将对高速 PCB 设计某些重要方面重要概念进行解释,并给出某些建议。本文涵盖了层堆栈、差动线迹、受控阻抗传播线、非持续性、布线指南、参照平面、过孔以及去耦电容器等内容。
1层叠
      HDMI 多路复用中继器外引脚是专门针对 HDTV 接受机电路中设计(见图 1)而量身定制。封装每一侧都提供了一种 HDMI 端口,具备四个差动 TMDS 信号对,从而实现三个输入端口和一种输出端口。剩余信号由电源轨、Vcc 和接地以及低速信号(例如:I2C 接口、热插拔和多路复用选取器引脚)构成。
完毕一种低 EMI PCB 设计至少需要四层堆栈(见图 2)。层堆栈应按照下列顺序(自上而下):TMDS 信号层,接线层,电源层和控制信号层。
图 2 建议在一种接受机 PCB 设计中使用 4 或 6 层叠。
在顶层上对高速 TMDS 线迹布线可以避免使用过孔(及其电感),并且容许从 HDMI 连接器至中继器输入以及从中继器输出至后续接受机电路干净互联 (clean interconnect)。
在高速信号层下面放置一种坚实接地层,这样就可觉得传播线路互联建立一种受控阻抗,并为返回电流提供一种优秀低电感通路。
在紧挨接地层下方放置电源层可以创立额外高频旁路电容。
在底层布线低速控制信号可实现更大灵活性,由于这些信号链普通拥有容许非持续性(如过孔)裕度。
如果需要一种额外电源电压层或信号层,那么就应添加一种二级电源层/接地层系统至该堆栈,以使其保持对称。这样就可以使堆栈保持机械稳定,并防止其变形。每个电源系统电源层和接地层均可以被紧密地放置在一起,从而大大增长高频旁路电容。
2差分线迹
       HDMI 使用转换最小化差分信令 (TMDS),用于传播高速串行数据。差分信令为单端信令带来了极大好处。
在单端系统中,电流通过一种电感从电源流至负载,并经由一种接地层或线路返回。该电流引起横向电磁 (TEM) 波会自由地向外部环境辐射,从而引起严重电磁干扰 (EMI)(见图 3)。并且,电感中外部源噪声不可避免地被接受机放大,从而破坏信号完整性。
代替差分信令要使用两个电感,一种用于正向电流,另一种用于电流返回。因而,当紧密耦合时,该两个电感中电流为等量,但是极性却相反,并且其电磁场消失。当前,电磁场被“抢走”两个电感 TEM 波均不能向环境中辐射。只有在电感环路外部有极小边沿磁场时才会发生辐射,从而产生极低 EMI(见图 3)。
图 3 来自单个电感周边大散射磁场和差动信号对紧密耦合电感环路外部小散射磁场 TEM 波辐射
紧密电耦合另一种好处是,感应至两个电感外部噪声均以等量共模噪声形式出当前接受机输入端上。具备差动输入接受机均只对信号差别敏感,而对共模信号不敏感。因而,该接受机抑制了共模噪声,并保持了信号完整性。
为了使差分信令可以工作在一种 PCB 上,一种差动信号对两个线迹间距必要在整个线迹长度上保持一致。否则,间距变化就会引起磁场耦合不平衡,从而减少磁场消除效果,导致 EMI 增长。
除了更大 EMI 以外,电感间距变化也会引起信号对差动阻抗变化,从而导致阻抗控制传播系统中断,进而导致破坏信号完整性信号反射。
除了间距一致以外,两个电感均必要为相等电气长度,以保证其信号在相似时间到达接受机输入端。图 4 显示了相等及不同长度线迹逻辑状态变化期间一种差动对“+”和“"”信号。
图 4 不同电气长度线迹会引起信号间相移,从而产生导致严重 EMI 问题差动信号
对于相似长度线迹而言,两个信号相等且极性相反。因而,它们和必要为零。如果这些线迹电气长度不同,那么较短线迹上信号就会比较长线迹上信号较早地变化状态。在此期间,两个线迹均驱动电流至相似方向。由于往往会作为返回通路长线迹继续驱动电流(“早”驱动电流),因而短线迹必要找到其经由一种参照层(电源层或接地层)返回通路。
当将两个信号相加时,该总信号在过渡相期间从零电平转移。在高频条件下,这些差动信号以大幅急剧瞬态形式浮现,其显示在接地层上,从而引起严重 EMI 问题。
需要注意是,“噪声”脉冲宽度同两个信号间相移相等,并可以被转换成一种给定频率时间差。该时间差(也称为对内时滞)由 HDMI 规定,用于 225 MHz TMDS 时钟速率 TBIT 接受机,其将转换为 178 ps 最大值。对于一种 HDMI 发送器而言,该规范规定 TBIT,以用于 225 MHz TMDS 时钟速率,其将转换为66 ps最大值。
由于像素生成需要四个差