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1、問題的由來
一(yi)臺設(she)備在輸入 HDMI 信(xin)號(hao)時(shi)測試輻(fu)(fu)射(she)特性，主要(yao)是 HDMI 的(de)(de) CLK 頻(pin)率及(ji)其(qi)倍頻(pin)的(de)(de)輻(fu)(fu)射(she)強度易超標，有時(shi)換(huan)一(yi)條(tiao) HDMI 線纜或者換(huan)一(yi)臺作為信(xin)源的(de)(de) PC 后，被測機器(qi)的(de)(de)測試結果也(ye)會有數(shu) dB 甚至十多 dB 的(de)(de)變化，一(yi)時(shi)讓(rang)很多硬件(jian)工程師頭疼(teng)不已。
2、問題的分析
造成(cheng) HDMI 輻射超標(biao)的(de)原(yuan)因有(you)多種(zhong)可能，就不一一分析了，這里只重(zhong)點(dian)談談與差(cha)分線傳輸(shu)線長度差(cha)有(you)關的(de)問題(ti)。
理想情況下，差分信號是(shi)正負(fu)對稱的(de)(de)，其(qi)共模份量(liang)為零或者只有直流份量(liang)，如圖 1 所(suo)(suo)示(shi)。如果差分線的(de)(de)正負(fu)傳輸線長度不等，造成傳輸時(shi)間不一致，實際上(shang)就(jiu)(jiu)是(shi)信號在時(shi)間軸上(shang)的(de)(de)不對稱，在終端負(fu)載電阻上(shang)就(jiu)(jiu)能觀(guan)察到圖 2 所(suo)(suo)示(shi)的(de)(de)波形。
顯然此(ci)時的正負(fu)波形不能嚴(yan)格對稱，差(cha)分(fen)電(dian)(dian)路中(zhong)的正負(fu)電(dian)(dian)流無法抵消，于是其電(dian)(dian)源中(zhong)就(jiu)有共模電(dian)(dian)流份量在流動(dong)。
研究過 EMI 的(de)人都知道(dao)，共模輻射(she)是難(nan)對付的(de)。
圖 1
圖 2
差分(fen)信號轉共模信號的現象，在(zai)李玉(yu)山教授翻譯(yi)的 Bogatin 的《信號完整性》一書中第 11.15 章和 11.16 章中對此有詳(xiang)細的解釋(shi)。
書中給出的(de)指導原(yuan)則(ze)是差分線的(de)長度(du)偏差必須在(zai)上升沿空間(jian)拓展的(de) 20%以(yi)內，如果上升時間(jian)是 100ps，那么(me)長度(du)差應該(gai)控制在(zai) 100mil 以(yi)內（以(yi) FR4 材質的(de) PCB 為例），否則(ze)會(hui)引起 EMI 問題。
3、用實驗來驗證
讓(rang)我們先用實(shi)驗(yan)來(lai)驗(yan)證一下上(shang)面的分析，看(kan)看(kan)能否能證實(shi)這個(ge)推斷(duan)。
實際測量一下(xia)差分信號(hao)，如(ru)圖 3 所示，圖中下(xia)面一條圖形為共模電壓份(fen)量，很明顯在波(bo)形正負邊(bian)沿交叉的(de)時候的(de)確有(you)脈沖輸出。
圖 3
我(wo)們(men)隨機選取了(le)(le)(le) 10 條(tiao) HDMI 線，使用網絡分析(xi)儀測試了(le)(le)(le)每條(tiao)線的 CLK 差分線的時(shi)延差，因為時(shi)延差直接反(fan)映了(le)(le)(le)正負傳輸線的長(chang)度差，10 條(tiao)線的時(shi)延差如表 1 中所(suo)示(shi)。
表 1
接(jie)下來，分別選兩(liang)臺 EMI 測(ce)量用(yong) PC 作為(wei) HDMI 信源，接(jie)上負載，然后(hou)測(ce)量每條線所(suo)(suo)產生的(de)共模(mo)電壓的(de)峰峰值，如表(biao) 2 中所(suo)(suo)示，將它們繪制在圖 4 中。
表 2
從圖 4 中，我們可以看(kan)(kan)到直(zhi)觀的(de)(de)看(kan)(kan)到：只要時(shi)延(yan)差(cha)（橫軸表示）大的(de)(de)，無論是正值(zhi)還是負(fu)值(zhi)，其共模電(dian)壓幅度（縱(zong)軸表示）均較(jiao)高，且兩(liang)臺電(dian)腦呈現相同(tong)的(de)(de)趨勢。這就是說(shuo)時(shi)延(yan)差(cha)大的(de)(de)，也就差(cha)分線長度匹(pi)配差(cha)異越(yue)大，產生的(de)(de)共模電(dian)壓越(yue)高。
圖 4
在隨后的(de)輻射測(ce)試(shi)中，保持(chi)測(ce)試(shi)電腦（PC1）及被(bei)測(ce)機器不變，依次(ci)更換 10 條 HDMI 線，其結果印證了我們(men)的(de)預計，數(shu)據詳見表 3。
為了(le)圖形(xing)的(de)清(qing)晰，選擇(ze)共模電(dian)壓小、中間、大的(de) 8#、4#、0#這 3 條線(xian)的(de)測試數據用(yong)圖形(xing)表示，如圖 6 所示。
0#線(xian)時(shi)延(yan)差大，輻射也大；8#線(xian)時(shi)延(yan)差小，輻射也小。
絕(jue)大(da)(da)部分頻率點上(shang)的(de)(de)輻射特性(xing)強弱與共模(mo)電壓(ya)大(da)(da)小幾(ji)乎(hu)都(dou)有直接的(de)(de)對應關系。
表 3
圖 6
以上實驗說明(ming)差(cha)分線長度(du)的(de)不(bu)匹配程度(du)越大(da)，共模輻射也越大(da)，也就(jiu)解釋了換用不(bu)同的(de) HDMI 線其輻射測試結(jie)果(guo)相差(cha)甚遠的(de)原(yuan)因。
4、關于眼圖的 X 軸抖動
通過前面的(de)(de)分析，我們自然會聯想到信號在(zai)時間(jian)軸(zhou)上的(de)(de)不對稱(cheng)一定會影響眼圖的(de)(de)質量，如 X 軸(zhou)上的(de)(de)抖動范(fan)圍(wei)會更大(da)，因為差(cha)分信號的(de)(de)邊沿更容易觸碰模板了(le)，如圖 7 所示。
圖 7
需要注意的(de)是(shi)，長度(du)匹配是(shi)指芯(xin)片到(dao)芯(xin)片（即差分信號發送端到(dao)接收端）之間的(de)鏈路，并不是(shi)對 PCB 走線的(de)單一要求。
經與 IC 供應商了解后發現，其(qi)內部(bu)的(de)(de)差分線(xian)(xian)金線(xian)(xian)的(de)(de)長度差有時可以達到 40-60mil 這樣的(de)(de)數值(zhi)，顯然是(shi)不能被(bei)忽(hu)略的(de)(de)。
在芯片供應商提供了 IC 內部每條差(cha)(cha)分(fen)線金線的(de)長度后，要求 PCB 工程師根據此數(shu)據將差(cha)(cha)分(fen)走線的(de)進行(xing)長度匹配，總偏差(cha)(cha)控(kong)制在 10-20mil（注意：是(shi)同一對(dui)差(cha)(cha)分(fen)線的(de)正負線長度差(cha)(cha)，不是(shi)差(cha)(cha)分(fen)對(dui)與差(cha)(cha)分(fen)對(dui)的(de)長度差(cha)(cha)）。
某產品(pin)在僅僅改善(shan)(shan)了差分線的(de)長度匹配之后，眼圖測(ce)試(shi)中觸碰(peng)模板(ban)的(de)數量便(bian)大(da)幅度得到改善(shan)(shan)，如表 4 所示，水平軸上的(de)抖(dou)動也從 148ps 降(jiang)低到 122ps，確定性抖(dou)動與總抖(dou)動也有不(bu)同程度的(de)下降(jiang)，如圖 8 所示。
表 4
圖 8
5、小 結
差分電路的好處是在于對(dui)稱，包括傳輸(shu)線的長度對(dui)稱，倘(tang)若做(zuo)不到，差分信(xin)號轉共模信(xin)號后會帶來 EMI 和(he)眼圖等問(wen)題。上升(sheng)沿(yan)速度越快(kuai)，對(dui)差分長度匹配要求越高。
對于在(zai) PCB 板上的差分傳輸線，必(bi)須考慮(lv)差分芯片收發整(zheng)個鏈路的長度(du)差，這一點在(zai)設(she)計中常常被忽略。
信號上升沿在 100ps 級別時，筆者認為 Bogatin 提出的(de) 100mil 匹配要求（FR4 材質(zhi) PCB）對于 EMI 來說還是有很大風險的(de)，差分線的(de)長(chang)度匹配控(kong)制在 10-20mil 以內比較(jiao)穩妥。
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