. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Průvodce návrhem rozraní HDMI - 1.díl
21. dubna 2009 | T. Kugelstadt | Průvodce návrhem rozraní HDMI - 1.díl | Komentářů: 1  

Průvodce návrhem rozraní HDMI - 1.díl

Pravidla návrhu desek s plošnými spoji pro vysokorychlostní signálové cesty, s přihlédnutím na signály HDMI. V článku jsou postupně zmíněny základní aspekty návrhu PCB pro rychlé, diferenciální datové sběrnice.

Úvod
Na následujících řádcích jsou přehledně uvedena pravidla pro tvorbu návrhů, která pomohou maximalizovat výkon nejen HDMI zařízení díky promyšlenému návrhu desky s plošnými spoji (printed circuit board; PCB). Vysvětlíme si zde důležité koncepce základních aspektů návrhu vysokorychlostních desek s plošnými spoji. V článku se zaměříme na následující oblasti: sestavení vrstev, diferenciální trasy, přenosové linky s řízenou impedancí, přerušení, pravidla směrování, referenční vrstvy, průchozí pokovení a oddělovací kondenzátory.

Sestavení vrstev
Vývody opakovače HDMI jsou přizpůsobené návrhu v přijímacím obvodu HDTV (viz obr.1). Každá strana obsahuje port HDMI, který obsahuje čtyři různé signálové páry TMDS, tři vstupní a jeden výstupní port. Zbylé signály obsahují napájení, Vcc a uzemnění, a nízkorychlostní signály, jako jsou rozhraní I2C, detekce výměny za provozu a další vývody opakovače.


Obr. 1: Výstupy zařízení jsou upraveny pro aplikace přijímače HDTV

Aby vznikl návrh desky s plošnými spoji s nízkou elektromagnetickou interferencí, používají se minimálně čtyři vrstvy. Vrstvy by měly být uspořádány v tomto pořadí (odshora dolů): signálová vrstva TMDS, uzemňovací vrstva, výkonová vrstva a vrstva kontrolního signálu.


Obr. 2: Doporučené seskládání 4 až 6 vrstev pro návrh přijímače na desce s plošnými spoji

  • Směrování vysokorychlostních drah TMDS na vrchní vrstvu omezuje potřebu průchozích pokovení (a tím vliv jejich indukčních odporů) a umožňuje čisté propojení z konektorů HDMI na vstupy opakovače a z výstupů opakovače na následující obvod přijímače.
  • Umístění kvalitní uzemňovací vrstvy vedle vysokorychlostní signálové vrstvy zavádí kontrolovanou impedanci pro propojení přenosových linek a poskytuje ideální cestu s nízkým indukčním odporem pro zpětný tok proudu.
  • Umístění výkonové vrstvy vedle uzemňovací vrstvy vytváří další vysokofrekvenční obtokový kapacitní odpor.
  • Směrování pomalejších kontrolních signálů na spodní vrstvu vede k větší flexibilitě, protože tyto signály mají obvykle větší toleranci k nespojitostem, vznikajícím např. u průchozích pokovení.

Pokud je potřebná další vrstva napájecího napětí nebo signální vrstva, rozšiřte sestavu o druhou výkonovou a uzemňovací vrstvu a zachovejte symetričnost. Tím zůstane sestava stabilní a odolná vůči deformaci signálu. Rovněž lze výkonovou a uzemňovací vrstvu každého napájecího systému umístit blíže k sobě, čímž se výrazně zvyšuje vysokofrekvenční obtokový kapacitní odpor.

Diferenciální trasy
Rozhraní HDMI používá protokol TMDS (transition minimized differential signaling) pro přenos vysokorychlostních sériových dat. Diferenciální signalizace má proti jednoduché celou řadu výhod.

V jednopólových systémech proud prochází ze zdroje k napájení přes jeden vodič a vrací se přes uzemňovací vrstvu nebo kabel. Příčně elektromagnetická vlna (transversal electromagnetic wave; TEM), vytvořená tokem proudu může volně vyzařovat do okolního prostředí a způsobit závažné elektromagnetické interference (electromagnetic interference; EMI) (obr. 3). Rovněž šum z externích zdrojů indukovaný ve vodiči, který je navíc zesílený přijímačem, snižuje dále integritu signálu.

Diferenciální signalizace naproti tomu používá dva vodiče, jeden pro tok proudu vpřed a druhý pro zpětný proud. Pokud se sloučí k sobě, tak vzhledem k tomu, že proudy v těchto dvou vodičích mají stejný rozkmit s opačnou polaritou, jejich magnetické pole se vyruší. Vlny TEM obou vodičů, nyní zbaveny svých magnetických polí, nemohou tedy již vyzařovat do okolí. Vyzařovat mohou jen daleko menší rozptylová pole mimo smyčku vodiče, což však vede k výrazně nižším elektromagnetickým interferencím. (obr. 3).


Obr. 3: Vyzařování příčně elektromagnetických vln z velkých rozptylových polí okolo jednoduchého vodiče a malá rozptylová pole okolo pevně uzavřené smyčky vodičů při diferenciálních signálových párech

Další výhodou uzavřeného elektrického spojení je, že externí šum indukovaný do obou vodičů se rovnoměrně objevuje jako soufázový šum na vstupu přijímače. Přijímače s různým vstupem jsou však citlivé jen na rozdíly v signálech a vůči soufázovým signálům jsou imunní. Přijímač proto odmítá soufázový šum a integrita signálů je zachována.

Aby diferenciální signalizace pracovala na desce s plošnými spoji spolehlivě, musí se vzdálenost mezi dvěma vodiči různých párů signálů zachovat po celé délce trasy. Jinak rozdíly ve vzdálenosti způsobí nerovnováhu ve slučování polí, omezí se vzájemné rušení magnetických polí a tím se zvýší elektromagnetické interference.

Kromě vyšších interferencí způsobují změny ve vzdálenosti vodičů rozdílnou impedanci signálových párů, takže vznikají přerušení v přenosovém systému s kontrolovanou impedancí, což vede k odrazům signálů a snížení integrity signálu.

Kromě konzistentní vzdálenosti musejí mít oba vodiče stejnou elektrickou délku, aby jejich signály vstoupily do přijímače ve stejný okamžik. Obr. 4 ukazuje signály + a – rozdílného páru při změnách logického stavu pro trasy se stejnou a různou délkou.


Obr. 4: Trasy různých elektrických délek způsobují fázový posuv mezi signály, což vede k různým signálům a způsobuje vážné problémy s elektromagnetickou interferencí

Pro trasy o stejných délkách jsou oba signály stejné a opačné, proto je jejich součet nulový. Pokud se trasy v elektrické délce liší, signál na kratší trase mění svůj stav dříve než ten na delší trase. V tomto okamžiku obě trasy směrují proud do stejného směru. Protože delší trasou, která pracuje jako zpětné vedení, i nadále prochází proud, proud „dřívější“ kratší trasy musí hledat svoji zpáteční cestu na referenční vrstvě (výkonové nebo uzemňovací).

Pokud sečteme oba signály, jejich součet se nerovná nule během přechodové fáze. Při vysoké frekvenci se tyto rozdílné signály projevují jako ostré výkyvy značné velikosti, promítají se na uzemňovací vrstvě a způsobují značné problémy s elektromagnetickou interferencí.

Uvědomte si, že šířka impulzů „šumu“ se rovná fázovému posuvu mezi dvěma signály a lze ji chápat jako časový rozdíl pro danou frekvenci. Tento časový rozdíl, rovněž známý jako asymetrie páru (intra-pair skew) je určen pro přijímač HDMI s 0,4 • TBIT a taktovací kmitočet protokolu TMDS o velikosti 225 MHz a dosahuje maximálně 178 ps. Pro vysílač HDMI s 0,15 • TBIT a taktovací kmitočet protokolu TMDS o velikosti 225 MHz dosahuje maximálně 66 ps.

Protože tvorba pixelů požaduje současný přenos čtyř různých signálových párů protokolu TMDS (3 datové + 1 taktovací), musí dosáhnout přijímače ve stejný okamžik. V ideálním případě by všechny čtyři signálové páry měly mít stejnou elektrickou délku a tím i nulový časový rozdíl. Rozhraní HDMI nicméně toleruje asymetrii páru (časový rozdíl mezi signálovými páry) pro přijímač na 0,2 • TCHARACTER + 1.78 ns až celkové 2,67 ns při taktu protokolu TMDS o velikosti 225 MHz. Pro vysílač HDMI technické podmínky požadují při 0,2 • TCHARACTER maximálně 888 ps.

Kontrolované impedanční přenosové linky
Kontrolované impedanční trasy se používají pro sladění různých impedancí přenosových médií, např. kabelů či koncových odporů. Různou impedanci způsobují konfigurace signálových párů, jejich vazba na sousední uzemňovací vrstvu a dielektrikum desky s plošnými spoji. Tyto konfigurace se musí spravovat po celé délce trasy.

Obr. 5 zobrazuje parametry relevantní pro výpočet impedance jak pro trasy Microstrip (vnější vrstvy tras), tak i pro trasy symetrického páskového vedení (trasy uvnitř sestavy vrstev, obvykle mezi dvěma uzemňovacími vrstvami).


Obr. 5: Konfigurace různých tras

Pro výpočet konfigurací tras na obr. 5 při 100 ohmech diferenciální impedanci na signálovém páru protokolu TMDS lze použít následují vzorce:

(1) Pro volně spárované páskové vedení, kde s > 12 mils, lze místo hodnoty 0,748 požít 0,374
(2) Pro W < 2 h je maximální chyba 3 %
(3) Pro maximální přesnost udržujte b – t > 2 W a b > 4 t, kde b je dielektrická tloušťka mezi uzemňovacími vrstvami

S ohledem na vzdálenost mezi různými signálovými páry a jejich prostředí ukazuje obr. 5 trasu X, která není spojená s průchodem proudu v sousedních vodičích + a –. X může být trasa jiného signálového páru, stínění uzemňovacích tras nebo trasa TTL/CMOS.

Pro sousední signálové páry a jejich stínící trasy, nastavte vzdálenosti d > 3 s. Spuštění stínící trasy (nejspíš uzemnění) na jedné straně však může vytvořit nerovnováhu, která zvyšuje elektromagnetické interference. Stínění uzemňovacích tras může vést k rozptylu průchozích pokovení na podložní uzemňovací vrstvě.

Pozor! Na první pohled představují uvedené vzorce levný způsob pro sestavení konfigurací tras. Nicméně tyto funkce vycházejí z empirických dat a i v tom v nejlepším případě představují jen přiblížení k přesným datům. Skutečná přesnost může být jiná a různé zdroje uvádějí chybu až ± 10 procent.

Mnohem přesnější a z dlouhodobého pohledu i levnější přístup je použití dvou- nebo vícerozměrných řešitelů pole. To je softwarový nástroj, který řeší Maxwellovy rovnice a počítá elektrická a magnetická pole pro libovolné přenosové linky. Z nich dále počítá hodnoty elektrického výkonu, jako jsou charakteristická impedance, rychlost signálu, přeslech a diferenciální impedance. Některé řešitele dokáží rovněž spočítat i přenos proudu uvnitř vodičů. Výhodou dvourozměrných řešitelů oproti odhadům je možnost uvažování o téměř jakýchkoliv konfiguracích. Kromě veličin prvního řádu jako jsou šířka, dielektrická tloušťka a dielektrické konstanty lze zahrnout i veličiny druhého řádu jako tloušťka trasy, pájených cest a leptaných mezer.

Nespojitosti
Nespojitost nebo disproporce signálu způsobují místa na trase, kde se impedance různých tras odchylují od určité hodnoty (100 ohmů ± 15 procent pro rozhraní HDMI) a dosahují buď vyšší nebo nižší hodnoty impedance. Nespojitost způsobují odrazy signálu kvůli nesouhlasné impedanci a snižují integritu signálu. Důvodem jsou zejména změny v efektivní šířce trasy nebo ve vzdálenosti mezi vodiči způsobené buď nevyhnutelnými změnami v konfiguraci trasy podél cesty signálu nebo špatným směrováním signálových tras.

Možná místa pro nespojitost jsou:

  • místo styku pájeného bloku konektoru rozhraní HDMI se signálovými trasami;
  • místo styku signálových tras s průchozím pokovením, s částmi odporů nebo s vývody integrovaných obvodů;
  • 90° zahnutí na signálových trasách;
  • místo, kde se signálový pár dělí okolo objektu.

Nespojitost se objeví během testů diferenciální impedance. K tomu se používá reflektometr pracující v časové oblasti (time-domain reflectometer, TDR), což je elektronický přístroj pro určení a zjištění polohy chyb v kovových vodičích.

TDR přenáší rychle rostoucí časové impulzy podél vodiče. Pokud má vodič stálou impedanci a je správně zakončen, celý přenášený impulz je pohlcen v závěrečné terminaci a žádný signál se neodrazí zpět do reflektometru. Pokud však existují impedanční disproporce, tak každé přerušení vytvoří ozvěnu, která se odráží zpět do reflektometru. Nárůsty impedance tvoří ozvěnu, která zesiluje původní impulz, zatímco poklesy impedance vytvářejí ozvěnu, která odporuje původnímu impulzu.

Výsledný odražený impulz, který se měří na vstupu/výstupu reflektometru, se zobrazuje jako funkce času a protože rychlost šíření signálu je při daném přenosovém médiu téměř konstantní, lze ho chápat jako funkci délky trasy.


Obr. 6: Displej reflektometru zobrazující místa přerušení

Cílem návrhu desek s plošnými spoji musí být co nejmenší počet disproporcí a tím omezení odrazů a zachování integrity signálu. Dodržování uvedených směrovacích pravidel pomůže vyvarovat se zbytečných disproporcí. Zbývající, nevyhnutelné nespojitosti je nejlepší koncentrovat, což znamená udržovat jejich oblasti malé a umístit je co nejblíže k sobě. Podstatou tedy je spíše koncentrace bodů odrazů do určité oblasti než jejich rozprostření po celé signálové trase.

Velikosti impedančních disproporcí, sledované pomocí reflektometru jsou přímo úměrné mezní hodnotě impulzů používaných reflektometrem. Čím vyšší je mezní hodnota reflektometru, tím více problémů a tím větší výkyv impedance se objeví. Pro rozhraní HDMI se jako mezní hodnota používá 200 ps. Obr. 6 ukazuje tento bod. Hodnoty na grafu byly dosaženy při mezní hodnotě 30 ps. Výkyv, vzniklý vstupem konektorů SMA na desku, která jsou zobrazena na schématu, budou při použití filtru na mezní hodnotu 200 ps naprosto neviditelná.

Další strana: Průvodce návrhem rozraní HDMI - 2.díl







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk
Příbuzné články:
Metodika návrhu plošných spojů I – Úvod
Metodika návrhu plošných spojů II –Návrh plošného spoje
Metodika návrhu plošných spojů III – Vedení spojů a finální úpravy
Metodika návrhu plošných spojů IV – Generování technologických dat
Metodika návrhu plošných spojů V – Technologie výroby plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů VI – Technologie výroby plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů VII – Povrchová montáž
Metodika návrhu plošných spojů VIII – Součástky pro povrchovou montáž
Metodika návrhu plošných spojů IX – Pájení SMD
Metodika návrhu plošných spojů X – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XI – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XII – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XIII – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XIV – Kapacitní zátěž a přeslechy
Metodika návrhu plošných spojů XV – Zatížení vodičů na plošném spoji
Metodika návrhu plošných spojů XVI – Elektromagnetická kompatibilita
Metodika návrhu plošných spojů XVII – Elektromagnetická kompatibilita
Metodika návrhu plošných spojů XVIII – Normy EMC
Metodika návrhu plošných spojů XIX – Elektromagnetické pole
Metodika návrhu plošných spojů XX – Součástky a EMC
Průvodce návrhem rozraní HDMI - 1.díl
Průvodce návrhem rozraní HDMI - 2.díl
Optimalizace výkonu SAR ADC správným návrhem PCB

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

Příspěvků: 268
Město: Opava CZ
Členem od:
28. 11. 2008
1. Dne 21. 04. 2009 v 20:37 zaslal adamh.cz
Bez titulku
díky!
Více na www.adamh.cz


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Anténa GPS 2J431 - SMA
Aktivní GPS anténa 2J431 s SMA konektorem
Skladem od 223 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007