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談?wù)劜罘志€傳輸線長度差
閱讀：2011 發(fā)布時(shí)間：2021-4-23
1、問題的由來
一臺設(shè)備在輸入 HDMI 信號時(shí)測試輻射特性，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 線纜或者換一臺作為信源的 PC 后，被測機(jī)器的測試結(jié)果也會有數(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差分線傳輸線長度差有關(guān)的問題。
理想情況下，差分信號是正負(fù)對稱的，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)傳輸線長度不等，造成傳輸時(shí)間不一致，實(shí)際上就是信號在時(shí)間軸上的不對稱，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)格對稱，差分電路中的正負(fù)電流無法抵消，于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(zhuǎn)共模信號的現(xiàn)象，在李玉山教授翻譯的 Bogatin 的《信號完整性》一書中第 11.15 章和 11.16 章中對此有詳細(xì)的解釋。
書中給出的指導(dǎo)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(nèi)，如果上升時(shí)間是 100ps，那么長度差應(yīng)該控制在 100mil 以內(nèi)（以 FR4 材質(zhì)的 PCB 為例），否則會引起 EMI 問題。
3、用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證
讓我們先用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下上面的分析，看看能否能證實(shí)這個(gè)推斷。
實(shí)際測量一下差分信號，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)傳輸線的長度差，10 條線的時(shí)延差如表 1 中所示。
表 1
接下來，分別選兩臺 EMI 測量用 PC 作為 HDMI 信源，接上負(fù)載，然后測量每條線所產(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，且兩臺電腦呈現(xiàn)相同的趨勢。這就是說時(shí)延差大的，也就差分線長度匹配差異越大，產(chǎn)生的共模電壓越高。
圖 4
在隨后的輻射測試中，保持測試電腦（PC1）及被測機(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應(yīng)關(guān)系。
表 3
圖 6
以上實(shí)驗(yàn)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(jié)果相差甚遠(yuǎn)的原因。
4、關(guān)于眼圖的 X 軸抖動
通過前面的分析，我們自然會聯(lián)想到信號在時(shí)間軸上的不對稱一定會影響眼圖的質(zhì)量，如 X 軸上的抖動范圍會更大，因?yàn)椴罘中盘柕倪呇馗菀子|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(fā)送端到接收端）之間的鏈路，并不是對 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)行長度匹配，總偏差控制在 10-20mil（注意：是同一對差分線的正負(fù)線長度差，不是差分對與差分對的長度差）。
某產(chǎn)品在僅僅改善了差分線的長度匹配之后，眼圖測試中觸碰模板的數(shù)量便大幅度得到改善，如表 4 所示，水平軸上的抖動也從 148ps 降低到 122ps，確定性抖動與總抖動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稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號轉(zhuǎn)共模信號后會帶來 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)鏈路的長度差，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中常常被忽略。
信號上升沿在 100ps 級別時(shí)，筆者認(rèn)為 Bogatin 提出的 100mil 匹配要求（FR4 材質(zhì) PCB）對于 EMI 來說還是有很大風(fēng)險(xiǎn)的，差分線的長度匹配控制在 10-20mil 以內(nèi)比較穩(wěn)妥。
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