HDMI设计指南:HDTV接收机应用中高速PCB的成功设计

2012-04-19 17:41:55来源: 互联网

针对使用HDMI 多路复用中继器的用户,本文提供了如何通过精心设计印刷电路板 (PCB) 来实现器件全部性能最优化的设计指导。我们将对高速 PCB 设计的一些主要方面的重要概念进行解释,并给出一些建议。本文涵盖了层堆栈、差动线迹、受控阻抗传输线、非连续性、布线指南、参考平面、过孔以及去耦电容器等内容。

层堆栈


HDMI 多路复用中继器的外引脚是专门针对 HDTV 接收机电路中的设计(见图 1)而量身定制的。封装的每一侧都提供了一个 HDMI 端口,具有四个差动 TMDS 信号对,从而实现三个输入端口和一个输出端口。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择器引脚)组成。

图 1 专门针对 HDTV 接收机应用的器件外引脚

完成一个低 EMI PCB 设计最少需要四层堆栈(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 建议在一个接收机 PCB 设计中使用 4 或 6 层堆栈。

  • 在顶层上对高速 TMDS 线迹布线可以避免使用过孔(及其电感),并且允许从 HDMI 连接器至中继器输入以及从中继器输出至后续接收机电路的干净互联 (clean interconnect)。
  • 在高速信号层的下面放置一个坚实的接地层,这样就可以为传输线路互联建立一个受控阻抗,并为返回电流提供一个优异的低电感通路。
  • 在紧挨接地层的下方放置电源层可以创建额外的高频旁路电容。
  • 在底层布线低速控制信号可实现更大的灵活性,因为这些信号链通常拥有允许非连续性(如过孔)的裕度。

如果需要一个额外电源电压层或信号层,那么就应添加一个二级电源层/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。每个电源系统的电源层和接地层均可以被紧密地放置在一起,从而大大增加高频旁路电容。

差动线迹


HDMI 使用转换最小化差分信令 (TMDS),用于传输高速串行数据。差分信令为单端信令带来了极大的好处。

在单端系统中,电流通过一个电感从电源流至负载,并经由一个接地层或线路返回。该电流引起的横向电磁 (TEM) 波会自由地向外部环境辐射,从而引起严重的电磁干扰 (EMI)(见图 3)。而且,电感中的外部源噪声不可避免地被接收机放大,从而破坏信号完整性。

替代差分信令要使用两个电感,一个用于正向电流,另一个用于电流返回。因此,当紧密耦合时,该两个电感中的电流为等量,但是极性却相反,并且其电磁场消失。现在,电磁场被“抢走”的两个电感的 TEM 波均不能向环境中辐射。只有在电感环路外部有极小的边缘磁场时才会发生辐射,从而产生极低的 EMI(见图 3)。

图 3 来自单个电感周围大散射磁场和差动信号对紧密耦合电感环路的外部小散射磁场的 TEM 波辐射

紧密电耦合的另一个好处是,感应至两个电感的外部噪声均以等量共模噪声的形式出现在接收机输入端上。具有差动输入的接收机均只对信号差异敏感,而对共模信号不敏感。因此,该接收机抑制了共模噪声,并保持了信号完整性。

为了使差分信令可以工作在一个 PCB 上,一个差动信号对的两个线迹间距必须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,从而降低磁场消除的效果,造成 EMI 增加。

除了更大的 EMI 以外,电感间距的变化也会引起信号对差动阻抗的变化,从而造成阻抗控制传输系统的中断,进而造成破坏信号完整性的信号反射。

除了间距一致以外,两个电感均必须为相等的电气长度,以确保其信号在相同时间到达接收机输入端。图 4 显示了相等及不同长度线迹的逻辑状态改变期间一个差动对的“+”和“"”信号。

图 4 不同电气长度的线迹会引起信号间的相移,从而产生导致严重 EMI 问题的差动信号

对于相同长度的线迹而言,两个信号相等且极性相反。因此,它们的和必须为零。如果这些线迹的电气长度不同,那么较短线迹上的信号就会比较长线迹上的信号较早地改变状态。在此期间,两个线迹均驱动电流至相同方向。由于往往会作为返回通路的长线迹继续驱动电流(“早”驱动电流),因此短线迹必须找到其经由一个参考层(电源层或接地层)的返回通路。

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的形式出现,其显示在接地层上,从而引起严重的 EMI 问题。

需要注意的是,“噪声”脉冲的宽度同两个信号间的相移相等,并可以被转换成一个给定频率的时间差。该时间差(也称为对内时滞)由 HDMI 规定,用于 225 MHz TMDS 时钟速率 0.4 TBIT 的接收机,其将转换为 178 ps 最大值。对于一个 HDMI 发送器而言,该规范要求 0.15 TBIT,以用于 225 MHz 的 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动 TMDS 信号对(3 个数据信号+1 个时钟信号)的同步传输,因此其必须在相同时间到达接收机。理想情况下,所有四个信号对应该为相等的电气长度,以保证零时间差。但是,对一个 0.2 TCHARACTER + 1.78 ns 的接收机而言,HDMI 允许一个最大的对间时滞 (信号对之间的时间差),从而会产生总计2.67 ns 的时间,以用于 225 MHz 的 TMDS 时钟。对一个 HDMI 发送器而言,该规范要求产生 888ps 的 0.2 TCHARACTER。

受控阻抗传输线


受控阻抗线迹可用于匹配传输介质的差动阻抗(例如:线缆)和端接电阻。差动阻抗由信号对线迹的物理几何、它们同邻近接地层的关系以及 PCB 电介质决定。这些几何形状必须在整个线迹长度上保持一致。

图 5 描述了微波传输带 (Microtrip) 线迹(外层线迹)及带状线线迹(通常是被两个接地层夹在中间的层堆栈内线迹)阻抗计算相关的参数。

图 5 差动线迹的物理几何

为了计算出图 5 中 100Ω 差动阻抗 TMDS 信号对的线迹几何,可以使用闭式方程 1 " 6。

1、对于松散耦合带状线而言,s > 12 mils,数字 0.748 可能被 0.374 替换。
2、W < 2h 时,最大误差为 3%
3、为了获得最佳精确度,使 b " t > 2W 及 b > 4t,其中,b 为接地层之间的电介质厚度。

考虑到差动信号对及其环境之间的距离,图 5 显示了一个线迹 X,其未与邻近的“+”和“"”导体中的电流关联。X 可以为另一信号对线迹、一个接地屏蔽线迹或一个 TTL/CMOS 线迹。

对于邻近信号对和屏蔽线迹而言,使距离 d 等于 3 s。在一侧运行屏蔽线迹(接地更为适宜),可能会创建一个增加 EMI 的失衡。接地线迹屏蔽应该对下层接地层有一个过孔散射。

请注意!乍一看上面的方程式,其呈现出一种可获得线迹几何的比较便宜的方法。但是,这些函数均基于经验数据,并代表最佳情况下的近似值。实际精确度可能会有非常大的不同,各种原因甚至会引起高达 10% 的可能误差。

从长远来看,一种更精确、成本更低的方法是使用一个 2D 或更好的场求解器。它是一种可对麦克斯韦 (Maxwell) 方程式求解并计算出任意横截面传输线电场和磁场的软件工具。它还可以由以上这些计算出电气性能项,例如:特性阻抗、信号速度、串扰和差动阻抗。一些场求解器还可以计算出导体内的电流分布情况。相对于近似法而言,一个 2D 场求解器的优势在于其考虑了几乎所有任意横截面几何的灵活性。除了第一阶项(例如:线宽、电介质厚度和电解介质常量)以外,第二阶项(例如:线迹厚度、阻焊和线迹蚀刻背面)均可以被考虑到。

非连续性


非连续性就是信号路径中差动线迹阻抗偏离于其规定值(100Ω,即 15% HDMI)的地方,并假定更高或更低的阻抗值。非连续性可以引起由阻抗不匹配带来的信号反射,进而破坏信号完整性。这些主要是有效线迹宽度或线间间距变化的结果,而这些变化又是由不可避免的沿信号路径线迹几何传输,或由较差的信号线迹布线引起的。

关键字:HDMI  HDTV  接收机  高速PCB

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0419/article_15777.html
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