谈谈差分线传输线长度差

1、问题的由来

一台设备在输入 HDMI 信号时测试辐射特性，主要是 HDMI 的 CLK 频率及其倍频的辐射强度易超标，有时换一条 HDMI 线缆或者换一台作为信源的 PC 后，被测机器的测试结果也会有数 dB 甚至十多 dB 的变化，一时让很多硬件工程师头疼不已。

2、问题的分析

造成 HDMI 辐射超标的原因有多种可能，就不一一分析了，这里只重点谈谈与差分线传输线长度差有关的问题。

理想情况下，差分信号是正负对称的，其共模份量为零或者只有直流份量，如图 1 所示。如果差分线的正负传输线长度不等，造成传输时间不一致，实际上就是信号在时间轴上的不对称，在终端负载电阻上就能观察到图 2 所示的波形。

显然此时的正负波形不能严格对称，差分电路中的正负电流无法抵消，于是其电源中就有共模电流份量在流动。

研究过 EMI 的人都知道，共模辐射是最难对付的。

图 1

图 2

差分信号转共模信号的现象，在李玉山教授翻译的 Bogatin 的《信号完整性》一书中第 11.15 章和 11.16 章中对此有详细的解释。

书中给出的指导原则是差分线的长度偏差必须在上升沿空间拓展的 20%以内，如果上升时间是 100ps，那么长度差应该控制在 100mil 以内（以 FR4 材质的 PCB 为例），否则会引起 EMI 问题。

3、用实验来验证

让我们先用实验来验证一下上面的分析，看看能否能证实这个推断。

实际测量一下差分信号，如图 3 所示，图中最下面一条图形为共模电压份量，很明显在波形正负边沿交叉的时候的确有脉冲输出。

图 3

我们随机选取了 10 条 HDMI 线，使用网络分析仪测试了每条线的 CLK 差分线的时延差，因为时延差直接反映了正负传输线的长度差，10 条线的时延差如表 1 中所示。

表 1

接下来，分别选两台 EMI 测量用 PC 作为 HDMI 信源，接上负载，然后测量每条线所产生的共模电压的峰峰值，如表 2 中所示，将它们绘制在图 4 中。

表 2

从图 4 中，我们可以看到直观的看到：只要时延差（横轴表示）大的，无论是正值还是负值，其共模电压幅度（纵轴表示）均较高，且两台电脑呈现相同的趋势。这就是说时延差大的，也就差分线长度匹配差异越大，产生的共模电压越高。

图 4

在随后的辐射测试中，保持测试电脑（PC1）及被测机器不变，依次更换 10 条 HDMI 线，其结果印证了我们的预计，数据详见表 3。

为了图形的清晰，选择共模电压最小、中间、最大的 8#、4#、0#这 3 条线的测试数据用图形表示，如图 6 所示。

0#线时延差最大，辐射也最大；8#线时延差最小，辐射也最小。

绝大部分频率点上的辐射特性强弱与共模电压大小几乎都有直接的对应关系。

表 3

图 6

以上实验说明差分线长度的不匹配程度越大，共模辐射也越大，也就解释了换用不同的 HDMI 线其辐射测试结果相差甚远的原因。

4、关于眼图的 X 轴抖动

通过前面的分析，我们自然会联想到信号在时间轴上的不对称一定会影响眼图的质量，如 X 轴上的抖动范围会更大，因为差分信号的边沿更容易触碰模板了，如图 7 所示。

图 7

需要注意的是，长度匹配是指芯片到芯片（即差分信号发送端到接收端）之间的链路，并不是对 PCB 走线的单一要求。

经与 IC 供应商了解后发现，其内部的差分线金线的长度差有时可以达到 40-60mil 这样的数值，显然是不能被忽略的。

在芯片供应商提供了 IC 内部每条差分线金线的长度后，要求 PCB 工程师根据此数据将差分走线的进行长度匹配，总偏差控制在 10-20mil（注意：是同一对差分线的正负线长度差，不是差分对与差分对的长度差）。

某产品在仅仅改善了差分线的长度匹配之后，眼图测试中触碰模板的数量便大幅度得到改善，如表 4 所示，水平轴上的抖动也从 148ps 降低到 122ps，确定性抖动与总抖动也有不同程度的下降，如图 8 所示。

表 4

图 8

5、小 结

差分电路的好处是在于对称，包括传输线的长度对称，倘若做不到，差分信号转共模信号后会带来 EMI 和眼图等问题。上升沿速度越快，对差分长度匹配要求越高。

对于在 PCB 板上的差分传输线，必须考虑差分芯片收发整个链路的长度差，这一点在设计中常常被忽略。

信号上升沿在 100ps 级别时，笔者认为 Bogatin 提出的 100mil 匹配要求（FR4 材质 PCB）对于 EMI 来说还是有很大风险的，差分线的长度匹配控制在 10-20mil 以内比较稳妥。

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