問題的由來

一臺設備在輸入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線纜或者換一臺作為信源的PC后，被測機器的測試結果也會有數dB甚至十多dB的變化，一時讓很多硬件工程師頭疼不已。

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，這里只重點談談與差分線傳輸線長度差有關的問題。

理想情況下，差分信號是正負對稱的，其共模分量為零或者只有直流分量，如圖1所示。如果差分線的正負傳輸線長度不等，造成傳輸時間不一致，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格對稱，差分電路中的正負電流無法抵消，于是其電源中就有共模電流分量在流動。

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》一書中第11.15章和11.16章中對此有詳細的解釋。

書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，如果上升時間是100ps，那么長度差應該控制在100mil以內（以FR4材質的PCB為例），否則會引起EMI問題。

用實驗來驗證

讓我們先用實驗來驗證一下上面的分析，看看能否能證實這個推斷。

實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分量，很明顯在波形正負邊沿交叉的時候的確有脈沖輸出。

圖3

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

表1

接下來，分別選兩臺EMI測量用PC作為HDMI信源，接上負載，然后測量每條線所產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，且兩臺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）及被測機器不變，依次更換10條HDMI線，其結果印證了我們的預計，數據詳見表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共模電壓大小幾乎都有直接的對應關系。

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。

關于眼圖的X軸抖動

通過前面的分析，我們自然會聯想到信號在時間軸上的不對稱一定會影響眼圖的質量，如X軸上的抖動范圍會更大，因為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，并不是對PCB走線的單一要求。

經與IC供應商了解后發現，其內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內部每條差分線金線的長度后，要求PCB工程師根據此數據將差分走線的進行長度匹配，總偏差控制在10-20mil（注意：是同一對差分線的正負線長度差，不是差分對與差分對的長度差）。

某產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

小 結

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整個鏈路的長度差，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Bogatin提出的100mil匹配要求（FR4材質PCB）對于EMI來說還是有很大風險的，差分線的長度匹配控制在10-20mil以內比較穩妥。

審核編輯：湯梓紅