1、問題的由來

一台設備在輸入 HDMI 信號時測試輻射特性，主要是 HDMI 的 CLK 頻率及其倍頻的輻射強度易超標，有時換一條 HDMI 線纜或者換一台作為(wei) 信源的 PC 後，被測機器的測試結果也會(hui) 有數 dB 甚至十多 dB 的變化，一時讓很多硬件工程師頭疼不已。

2、問題的分析

造成 HDMI 輻射超標的原因有多種可能，就不一一分析了，這裏隻重點談談與(yu) 差分線傳(chuan) 輸線長度差有關(guan) 的問題。

理想情況下，差分信號是正負對稱的，其共模份量為(wei) 零或者隻有直流份量，如圖 1 所示。如果差分線的正負傳(chuan) 輸線長度不等，造成傳(chuan) 輸時間不一致，實際上就是信號在時間軸上的不對稱，在終端負載電阻上就能觀察到圖 2 所示的波形。

顯然此時的正負波形不能嚴(yan) 格對稱，差分電路中的正負電流無法抵消，於(yu) 是其電源中就有共模電流份量在流動。

研究過 EMI 的人都知道，共模輻射是最難對付的。

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(shu) 中第 11.15 章和 11.16 章中對此有詳細的解釋。

書(shu) 中給出的指導原則是差分線的長度偏差必須在上升沿空間拓展的 20%以內(nei) ，如果上升時間是 100ps，那麽(me) 長度差應該控製在 100mil 以內(nei) （以 FR4 材質的 PCB 為(wei) 例），否則會(hui) 引起 EMI 問題。

3、用實驗來驗證

讓我們(men) 先用實驗來驗證一下上麵的分析，看看能否能證實這個(ge) 推斷。

實際測量一下差分信號，如圖 3 所示，圖中最下麵一條圖形為(wei) 共模電壓份量，很明顯在波形正負邊沿交叉的時候的確有脈衝(chong) 輸出。

圖 3

我們(men) 隨機選取了 10 條 HDMI 線，使用網絡分析儀(yi) 測試了每條線的 CLK 差分線的時延差，因為(wei) 時延差直接反映了正負傳(chuan) 輸線的長度差，10 條線的時延差如表 1 中所示。

表 1

接下來，分別選兩(liang) 台 EMI 測量用 PC 作為(wei) HDMI 信源，接上負載，然後測量每條線所產(chan) 生的共模電壓的峰峰值，如表 2 中所示，將它們(men) 繪製在圖 4 中。

表 2

從(cong) 圖 4 中，我們(men) 可以看到直觀的看到：隻要時延差（橫軸表示）大的，無論是正值還是負值，其共模電壓幅度（縱軸表示）均較高，且兩(liang) 台電腦呈現相同的趨勢。這就是說時延差大的，也就差分線長度匹配差異越大，產(chan) 生的共模電壓越高。

圖 4

在隨後的輻射測試中，保持測試電腦（PC1）及被測機器不變，依次更換 10 條 HDMI 線，其結果印證了我們(men) 的預計，數據詳見表 3。

為(wei) 了圖形的清晰，選擇共模電壓最小、中間、最大的 8#、4#、0#這 3 條線的測試數據用圖形表示，如圖 6 所示。

0#線時延差最大，輻射也最大；8#線時延差最小，輻射也最小。

絕大部分頻率點上的輻射特性強弱與(yu) 共模電壓大小幾乎都有直接的對應關(guan) 係。

表 3

圖 6

以上實驗說明差分線長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 線其輻射測試結果相差甚遠的原因。

4、關(guan) 於(yu) 眼圖的 X 軸抖動

通過前麵的分析，我們(men) 自然會(hui) 聯想到信號在時間軸上的不對稱一定會(hui) 影響眼圖的質量，如 X 軸上的抖動範圍會(hui) 更大，因為(wei) 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，長度匹配是指芯片到芯片（即差分信號發送端到接收端）之間的鏈路，並不是對 PCB 走線的單一要求。

經與(yu) IC 供應商了解後發現，其內(nei) 部的差分線金線的長度差有時可以達到 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(nei) 部每條差分線金線的長度後，要求 PCB 工程師根據此數據將差分走線的進行長度匹配，總偏差控製在 10-20mil（注意：是同一對差分線的正負線長度差，不是差分對與(yu) 差分對的長度差）。

某產(chan) 品在僅(jin) 僅(jin) 改善了差分線的長度匹配之後，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，水平軸上的抖動也從(cong) 148ps 降低到 122ps，確定性抖動與(yu) 總抖動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於(yu) 對稱，包括傳(chuan) 輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號轉共模信號後會(hui) 帶來 EMI 和眼圖等問題。上升沿速度越快，對差分長度匹配要求越高。

對於(yu) 在 PCB 板上的差分傳(chuan) 輸線，必須考慮差分芯片收發整個(ge) 鏈路的長度差，這一點在設計中常常被忽略。

信號上升沿在 100ps 級別時，筆者認為(wei) Bogatin 提出的 100mil 匹配要求（FR4 材質 PCB）對於(yu) EMI 來說還是有很大風險的，差分線的長度匹配控製在 10-20mil 以內(nei) 比較穩妥。

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