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最新的HDMI I.3（高清晰度多媒體接口1.3）標(biāo)準(zhǔn)把以前的HDMI 1.0 - 1.2標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送速度提高了一倍，每對差動信號線的速度達(dá)到3.4 Gbps。由于數(shù)據(jù)傳送速度這么高，要求電路板的電容小，確保信號的素質(zhì)很好，這給電路板的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。在解決這個(gè)問題，實(shí)現(xiàn)可靠的靜電放電（ESD）保護(hù)時(shí)，這點(diǎn)尤其重要。在HDMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加ESD保護(hù)時(shí)，如果選用合適的辦法，就可以把問題簡化。泰科電子的ESD和過電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)，符合3.4 GHz的HDMI 1.3規(guī)范，達(dá)到IEC 61000-4-2關(guān)于ESD保護(hù)的要求，并且可以優(yōu)化電路板的空間，所有這些可以幫助設(shè)計(jì)人員減少風(fēng)險(xiǎn)。本文探討在HDMI 1.3系統(tǒng)中設(shè)計(jì)ESD保護(hù)的要求和容易犯的錯(cuò)誤。
概述
在高清晰度視頻系統(tǒng)中增加ESD保護(hù)，提出了許多復(fù)雜而且令人為難的問題，這會增加成本，會延長產(chǎn)品上市的時(shí)間。人們在選擇ESD保護(hù)方案時(shí)，往往是根據(jù)解決這個(gè)問題的辦法實(shí)現(xiàn)起來是否容易。不過，最簡單的辦法也許不可能提供充分的ESD保護(hù)，或者在電路板上占用的空間不能讓人最滿意。有些時(shí)候，在開始時(shí)看上去是解決ESD保護(hù)問題的最好辦法，到了后來，會發(fā)現(xiàn)需要使用多種電路板材來保證時(shí)基信號達(dá)到要求。在實(shí)現(xiàn)一個(gè)充分的靜電放電保護(hù)時(shí)，往往需要在尺寸、靜電放電保護(hù)的性能以及實(shí)現(xiàn)起來是否容易這幾方面進(jìn)行折衷。一直到現(xiàn)在仍然是這樣。
本文的目的是討論針對HDMI 1.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的ESD保護(hù)時(shí)，問題之所以復(fù)雜的原因──運(yùn)行速度，并且討論設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在提供充分的靜電放電保護(hù)時(shí)，必須考慮到這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
HDMI的速度究竟是多少？
關(guān)于HDMI的速度，有很多說法，因而設(shè)計(jì)人員在解決靜電放電問題時(shí)很難選擇一個(gè)合適的辦法。人們往往認(rèn)為，按照最新的HDMI標(biāo)準(zhǔn)，也就是HDMI 1.3，在每秒傳送340M個(gè)像素時(shí)，數(shù)據(jù)傳送速率高達(dá)10.2 Gbps。這是系統(tǒng)運(yùn)行速度的精確的說法，但是它并不是講過渡時(shí)間最小的差動信號（TMDS）的傳送速度。為了選出一個(gè)充分的ESD保護(hù)辦法，也一定要考慮到TMDS速度。
在前面講過，根據(jù)HDMI 1.3規(guī)范，在每秒傳送340 M個(gè)像素時(shí)，系統(tǒng)最快會工作在10.2Gbps。關(guān)鍵是“最快會工作在”六個(gè)字。這就是說，接口的時(shí)鐘速度會改變，這決定于連接在它上面的發(fā)送器和接收器工作在視頻的能力。因此，連接到接口上的兩個(gè)設(shè)備的分辨率越高，或者色彩深度越深，時(shí)鐘就越快。HDMI只需要快到能夠傳送所需數(shù)量的像素給顯示設(shè)備（監(jiān)視器、液晶顯示電視機(jī)等等）就可以了。例如，如果高清晰度數(shù)字視盤（DVD）播放器和液晶顯示（LCD）監(jiān)視器在播放1080P格式的高清晰度視頻節(jié)目、顏色深度為48位時(shí)，比起播放480i的標(biāo)準(zhǔn)清晰度DVD節(jié)目，需要處理的信息就更多。
表1是各種分辨率和相應(yīng)的每行像素?cái)?shù)量及每幀行數(shù)。對于表1中列出的每種顏色深度，都有一個(gè)編碼位數(shù)和它對應(yīng)，來傳送每個(gè)像素的顏色。需要從HDMI發(fā)送器傳送到HDMI接收器的數(shù)據(jù)數(shù)量與這些變量有關(guān)，包括每秒刷新顯示屏的幀數(shù)。表2是它們的這個(gè)關(guān)系式：
HDMI 數(shù)據(jù)傳送速度 = X * Y * F * B
其中： X = 每行的像素?cái)?shù)量；Y = 每幀的行數(shù)；F = 每秒的幀數(shù)；B = 每個(gè)像素的編碼位數(shù)。
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| 表1：不同版本的HDMI支持的分辨率和顏色深度。 |
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| 表2：HDMI發(fā)送器把數(shù)據(jù)傳送給HDMI接收器的速度。 |
實(shí)際的HDMI數(shù)據(jù)接口由4對過渡過程最小的差動信號線組成：3路差動數(shù)據(jù)通道，一路是時(shí)鐘，每路是一對差動連接線，如圖1所示。
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| 圖1：實(shí)際的HDMI數(shù)據(jù)接口。
如圖1所示，三對TMDS數(shù)據(jù)線的頻帶要寬到能夠傳送和接收的數(shù)據(jù)速度最高為10.2 Gbps。因此，這三對TMDS數(shù)據(jù)線一定要能夠以10.2 Gbps/ 3 × 3.4 Gbps（或者GHz）的速度傳送信號。
為了說明每對實(shí)際的TMDS線的數(shù)據(jù)傳送速度，在表3中把表2中的信息和每一對TMDS數(shù)據(jù)線的速度以及對應(yīng)的信號時(shí)鐘速度放在一起。
設(shè)計(jì)人員一般也會注意到，在HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)中，TMDS時(shí)鐘的速度是340 MHz，比傳送數(shù)據(jù)或者傳送信號的速度低很多。對于標(biāo)準(zhǔn)的頻色深度，即每個(gè)像素為24位時(shí)，在每對TMDS數(shù)據(jù)線上傳送的數(shù)據(jù)等于每個(gè)像素的編碼位數(shù)30位。因此，在三路TMDS通道中，在‘系統(tǒng)’時(shí)鐘的一個(gè)周期內(nèi)，每一路必須傳送10位。所以，信號的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)速度等于‘系統(tǒng)’的TDMS時(shí)鐘速度的十倍。此外，在顏色深度較深時(shí)，信號的時(shí)鐘速度較高，以便傳送每個(gè)像素的更多編碼位數(shù)。連接線的數(shù)據(jù)傳送速度、TDMS信號的速度，以及‘系統(tǒng)’的TDMS時(shí)鐘速度之間的關(guān)系列于表4。
在這里作一個(gè)小結(jié)：HDMI運(yùn)行的速度取決于發(fā)送器和接收器的能力，以及信號源的分辨率和顏色深度。每對TDMS數(shù)據(jù)線的速度最高是3.4 GHz。
在HDMI系統(tǒng)中增加ESD保護(hù)時(shí)在時(shí)基信號/性能方面的考慮
在HDMI 系統(tǒng)中增加ESD保護(hù)時(shí)，要考慮到增大了的電容和電感對高速TMDS數(shù)據(jù)線上所用器件的時(shí)基信號的影響。當(dāng)各對TMDS數(shù)據(jù)線工作在3.4 GHz時(shí)，在連接線上增加一點(diǎn)點(diǎn)阻抗都會引起信號產(chǎn)生畸變，結(jié)果是：
為了減少時(shí)基信號對這些高速線路的影響，關(guān)于ESD保護(hù)器件，在技術(shù)上有關(guān)鍵性的四點(diǎn)要考慮到：
1. 電容小
HDMI的時(shí)基信號的性能一般是通過眼圖來測定的──眼圖是分析時(shí)基信號的工具，它能夠精確地顯示時(shí)基信號和電平的誤差。在眼圖中間的灰色地帶代表HDMI 1.3規(guī)范的要求。隨著眼圖中的線條接近灰色地帶，允許的誤差余量就越小。利用眼晴的寬度可以很好地測定數(shù)據(jù)線的時(shí)基穩(wěn)定程度，而且可以看到是否存在誤差。眼晴的高度表示信號的電平，或者振幅。
由于?HDMI的各對TMDS連接線路上的信號是差動的，很重要的一點(diǎn)是減少兩條線之間的電容和信號對地的電容，從而保證信號的上升時(shí)間和下降時(shí)間在規(guī)定的范圍之內(nèi)。最好是，電容要盡量小，這樣給設(shè)計(jì)人員留下的余地就更大。
泰科電子的PESD的電容是0.25 pF，工作在3.4 GHz時(shí)的眼圖如圖2所示。
在這個(gè)眼圖中我們看到，當(dāng)工作HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.4 GHz時(shí)，上升時(shí)間、下降時(shí)間和信號電平之間有一定余量。當(dāng)工作較低的速度時(shí)，眼圖“干凈”得多，余量增大，可以放寬設(shè)計(jì)的約朿。
如圖3所示，硅半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件的電容大很多。雖然在2.25 GHz或者在1.48 GHz時(shí)，它的眼圖符合1080p的36位和24位顏色深度的要求，但是，即使是在這樣的速度下，它們不符合HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的要求。這樣在設(shè)計(jì)電路板時(shí)會受到約朿。
2. 插入損失小
插入損失很重要，它衡量信號隨著頻率而產(chǎn)生的衰減。插入損失越大，器件和系統(tǒng)的頻帶就越窄，為了滿足對眼圖的要求，在設(shè)計(jì)方面，受到的限制就會增多。
在圖4中比較了泰科電子的PESD器件和普通的0.7 pF硅半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件的插入損失。即使在頻率為3.4 GHz──HDMI 1.3規(guī)定的最高速度時(shí)，泰科電子的PESD器件的插入損失也微乎其微。普通的0.7 pF硅半導(dǎo)體保護(hù)器件在2.25 GHz（顏色深度為36位的1080p格式的速度）時(shí)，明顯地看到曲線下降，對HDMI TMDS信號電平的影響超過3 dB。在3.4 GHz全速時(shí)，分辨率更高、顏色深度深度，這時(shí)，用硅半導(dǎo)體進(jìn)行ESD保護(hù)引起的信號衰減超過了6 dB，而信號電平則下降了超過一半。 3. 頻率變化時(shí)電容保持穩(wěn)定
ESD保護(hù)器件的電容隨頻率的變化也會影響HDMI接口的性能，也會對設(shè)計(jì)帶來限制。在高速系統(tǒng)中，針對一定電容進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)，它的性能與所用的ESD保護(hù)技術(shù)有關(guān)。在制定HDMI電路保護(hù)方案時(shí)，這往往會迫使設(shè)計(jì)人員去使用復(fù)雜的SPICE模型和模擬的方法。
如果5所示，在頻率變化時(shí)，直到3GHz，泰科電子的PESD器件的電容是穩(wěn)定的。它的性能和電容量為0.25 pF（典型值）的電容器很相似，可以大量地簡化設(shè)計(jì)。由于HDMI TMDS線路在頻率改變時(shí)的變化取決于數(shù)據(jù)的型式，視頻信號源的分辨率和顏色深度，設(shè)計(jì)人員如果知道ESD保護(hù)器件在頻率變化很寬的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，那么在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以更加靈活，也有更多的空間。
要考慮到電容在頻率變化范圍很寬時(shí)的穩(wěn)定程度，而不是在一個(gè)頻率或者狹窄的頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定程度，這點(diǎn)很重要。例如，硅半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件通常是測量頻率為1 MHz時(shí)的電容量，沒有給出其他頻率的電容量。因此，需要建立復(fù)雜的模型，確保在HDMI的廣闊頻率范圍內(nèi)運(yùn)作時(shí)的性能達(dá)到要求。
4. 做好電路板的設(shè)計(jì)，能在3.4 GHz運(yùn)作，并有余量
HDMI設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)和開發(fā)消費(fèi)電子設(shè)備時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)是一樣的──上市時(shí)間。在設(shè)計(jì)高頻系統(tǒng)時(shí)，對于減輕風(fēng)險(xiǎn)、降低制作成本、縮短重新制作所需的時(shí)間，參考設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵性的作用。對于在HDMI設(shè)計(jì)中增加ESD保護(hù)，也不例外。
泰科電子針對HDMI 1.3、用無源元件設(shè)計(jì)的ESD和過電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)在產(chǎn)業(yè)界中是第一個(gè)，現(xiàn)在向市場提供。這個(gè)參考設(shè)計(jì)能夠幫助設(shè)計(jì)人員把時(shí)間和資源用在研制重要的、有特色的功能上，不必考慮增加ESD保護(hù)措施后是否會影響HDMI的性能。
參考設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過測試，在最高頻率──?3.4 GHz，它們符合HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的要求，并有富裕。有了這樣的參考設(shè)計(jì)，而且它在3.4 GHz符合HDMI規(guī)范的要求，這不僅對于制造下一代計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、視頻卡和視頻顯示屏的設(shè)計(jì)人員是很重要；3.4 GHz設(shè)計(jì)還有很大的余量，可以放寬設(shè)計(jì)中的限制，往往還能夠降低速度較低的HDMI 1.3設(shè)計(jì)的電路板成本。
泰科電子的參考設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性特點(diǎn)：
本文小結(jié)
在設(shè)計(jì)HDMI系統(tǒng)時(shí)，加入ESD保護(hù)不一定是一件復(fù)雜而且令人為難的工作──如果有合適的辦法的話。雖然這一代的設(shè)備也許不需要達(dá)到HDMI 1.3規(guī)定的3.4 GHz的性能，使用可以工作在3.5 GHz的ESD保護(hù)技術(shù)，能夠減少設(shè)計(jì)中的煩惱，提高系統(tǒng)的余量，而且由于在以后不需要重新設(shè)計(jì)ESD保護(hù)，因而便于實(shí)現(xiàn)下一代設(shè)計(jì)。泰科電子的ESD和過電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)在3.4 GHz時(shí)符合HDMI 1.3規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)要求的ESD保護(hù)，優(yōu)化了電路板的空間，能夠幫助設(shè)計(jì)人員減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。 |
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