高清傳輸-HDMI信號的完整性分析_高都電子電路PCB技術(shù)中心

[導(dǎo)讀] 相對于結(jié)構(gòu)問題的直觀性而言，連接器的高頻特性具有一定的“隱性”，從結(jié)構(gòu)上直觀的判斷高頻性能是比較困難的，透過有效的仿真分析，可以比較明確的判斷高頻性能，從而為高頻連接器的設(shè)計提供了良好的參考依據(jù)。

輸線的特征阻抗取決于其結(jié)構(gòu)及材料的選擇。圖1是一個HDMI線纜的街頭部分，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括線材和連接器部分。

　　
圖1：HDMI線纜（局部）

　　圖1：HDMI線纜（局部） 圖2：HDMI線纜頭部結(jié)構(gòu)

　　為了能夠保證線纜的特征阻抗，首先要保證線材的特征阻抗能夠盡量接近目標(biāo)特征阻抗。圖3是HDMI Type A/C線纜所用線材的截面圖，確定了材料之后，可以使用2D場求解器確定其特征阻抗，經(jīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)就可以確定線材個部分的設(shè)計尺寸。

　　圖3：Type A/C線材模型

　　連接器是線纜能夠?qū)崿F(xiàn)可分離連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。由于連接器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在阻抗控制方面遠(yuǎn)不及線材容易實現(xiàn)，所以一般的業(yè)界規(guī)格里面，對連接器區(qū)段的阻抗匹配的規(guī)格略有放松。即便是如此，對于高速互聯(lián)的連接器，在控制阻抗方面仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。圖4是一款HDMI線纜的特征阻抗測試的結(jié)果，該結(jié)果表明該連接器區(qū)域內(nèi)存在較大的特這阻抗偏差（超出規(guī)格），而且存在特征阻抗較大區(qū)域的時間過長等一些列的問題。

　　圖4：某型HDMI連接器特征阻抗測試結(jié)果

　　透過三維高頻結(jié)構(gòu)分析，能夠有效預(yù)測連接器區(qū)段內(nèi)的散射矩陣，獲得結(jié)構(gòu)的高頻特性評估的依據(jù)。和結(jié)構(gòu)的力學(xué)評估類似，高頻結(jié)構(gòu)分析，也大致需要以下幾個步驟：首先建立結(jié)構(gòu)的三維，接著指定各個零件的高頻材料特性，其次必須設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件及背景分析，最后就可以加入求解設(shè)定并進行結(jié)構(gòu)的高頻分析，圖5給出了高頻結(jié)構(gòu)分析的模型局部效果。

　　圖5：HDMI cable to board連接器高頻結(jié)構(gòu)分析模型

　　通過結(jié)構(gòu)高頻分析，可以得到結(jié)構(gòu)的散射矩陣或者RLGC矩陣，然后就可以使用SPICE軟件進行時域及頻域的分析（圖：6），通過特定的運算與轉(zhuǎn)換就可以得到包括特征阻抗（圖7）在內(nèi)的各種高頻特性的仿真結(jié)果。

　　　圖6 HDMI cable to board連接器SPICE模型

　 圖7 HDMI連接器特征阻抗仿真結(jié)果

　HDMI線纜的高頻特性改善

　　在HDMI產(chǎn)品的改善過程中，同樣可以透過仿真來協(xié)助問題的快速解決。與在設(shè)計過程中必須要建立完整的實體模型不同，在改善產(chǎn)品的高頻特性的過程中，只需要針對實際測量過程中出現(xiàn)問題的區(qū)域進行局部建模分析（圖8）及調(diào)整優(yōu)化（圖9），使用最少的資源，在最短的時間內(nèi)找到最有效的解決方案。

　　
　圖8 HDMI連接器簡化模型

　 圖9 不良及改善方案的仿真結(jié)果比較

　　前述的HDMI產(chǎn)品透過上述的仿真給出的方案改善了特征阻抗超出規(guī)格的問題。

　　結(jié)語

　　相對于結(jié)構(gòu)問題的直觀性而言，連接器的高頻特性具有一定的“隱性”，從結(jié)構(gòu)上直觀的判斷高頻性能是比較困難的，透過有效的仿真分析，可以比較明確的判斷高頻性能，從而為高頻連接器的設(shè)計提供了良好的參考依據(jù)。

　　高頻特性是一項系統(tǒng)工程，產(chǎn)品的材料選用，端子、塑料件、外部五金件的設(shè)計，都對連接器的高頻特性有著直接和間接的影響。對產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)往往是牽一發(fā)而動全身，因此，采用傳統(tǒng)的失誤法或定性的經(jīng)驗調(diào)整法，勢必造成設(shè)計改進過程中成本的巨大浪費，透過高頻仿真分析，可以最大限度的加快解題的收斂速度，大量的節(jié)省改善的成本。

　　設(shè)計和仿真的結(jié)果必然要付諸于實際生產(chǎn)，設(shè)計方案必然影響到制造的成本。

　　圖10 完善設(shè)計方案