深度分析差分線的長度匹配問題（以HDMI為例）

問題的由來

一臺(tái)設(shè)備在輸入HDMI信號(hào)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(tái)作為信源的PC后，被測機(jī)器的測試結(jié)果也會(huì)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。

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(hào)是正負(fù)對(duì)稱的，其共模分量為零或者只有直流分量，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(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)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(duì)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分量在流動(dòng)。

研究過EMI的人都知道，共模輻射是最難對(duì)付的。

圖1

圖2

差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)的現(xiàn)象，在李玉山教授翻譯的Bogatin的《信號(hào)完整性》一書中第11.15章和11.16章中對(duì)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(huì)引起EMI問題。

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(hào)，如圖3所示，圖中最下面一條圖形為共模電壓分量，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(tái)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(tái)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(duì)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。

關(guān)于眼圖的X軸抖動(dòng)

通過前面的分析，我們自然會(huì)聯(lián)想到信號(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)稱一定會(huì)影響眼圖的質(zhì)量，如X軸上的抖動(dòng)范圍會(huì)更大，因?yàn)椴罘中盘?hào)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(hào)發(fā)送端到接收端）之間的鏈路，并不是對(duì)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(duì)差分線的正負(fù)線長度差，不是差分對(duì)與差分對(duì)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(dòng)也從148ps降低到122ps，確定性抖動(dòng)與總抖動(dòng)也有不同程度的下降，如圖8所示。

表4

圖8

小 結(jié)

差分電路的好處是在于對(duì)稱，包括傳輸線的長度對(duì)稱，倘若做不到，差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)后會(huì)帶來EMI和眼圖等問題。上升沿速度越快，對(duì)差分長度匹配要求越高。

對(duì)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(hào)上升沿在100ps級(jí)別時(shí)，筆者認(rèn)為Bogatin提出的100mil匹配要求（FR4材質(zhì)PCB）對(duì)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。

審核編輯：湯梓紅