Се

ти

и и

нт

ер

фе

йС

ы

11

электронные компоненты №9 2009

В статье рассмотрены особенности двух современных цифровых интер-фейсов HDMI и DisplayPort, способы защиты интерфейсных микросхем от паразитных переходных процессов, методы тестирования и рекоменда-ции по решению возникших при тестировании проблем. Обсуждаются основные правила проектирования устройств с использованием этих высокоскоростных интерфейсов.

интерфейСы HDMI и DIsplayport: вопроСы проектирования и теСтирования. Часть 1Виктор ЕжоВ, научный редактор, иД «Электроника»

Цифровые интерфейсы HDMI и Displayport в настоящее время нахо-дятся на разных этапах своего разви-тия. HDMI фактически стал стандарт-ным интерфейсом для приложений, связанных с передачей аудио/видео-потоков в потребительской электро-нике, в первую очередь для тв-панелей высокой четкости. новый цифровой стандарт, Displayport, разработку кото-рого поддержали многие крупные про-изводители электроники, постепенно завоевывает популярность в области компьютерной техники.

Мультимедийный интерфейс высо-кой четкости (High-Definition Multimedia Interface — HDMI) появился в 2002 г. и стал первым полностью цифровым интерфейсом для передачи несжатых потоков аудио и видео. в первую оче-редь этот высокоскоростной интер-фейс обеспечивает канал передачи широкополосных цифровых данных между источником аудио/видеосигна-ла (например, DVD-проигрывателем) и приемным устройством, таким как тв-панель высокого разрешения (HDtV). Этот интерфейс обратно совме-стим с DVI, который передает цифровой поток видео.

Стандарт HDMI постоянно разви-вался. в настоящее время насчиты-вается уже несколько версий. Самая последняя, HDMI 1.3, была утверждена в июне 2006 г. каждая следующая вер-сия отличается увеличенной пропуск-ной способностью и типами информа-ции, которую можно передавать через HDMI. например, HDMI 1.0 поддержи-вает максимальную скорость 4,9 Гбит/с (1,65 Гбит/с на дифференциальную пару), а HDMI 1.3 — уже 10,2 Гбит/с (3,4 Гбит/с на дифференциальную пару). Стандарт HDMI 1.3 поддерживает большую глу-бину передаваемого цвета. кроме того, в данной спецификации утвержден новый мини-разъем для портативных устройств.

ниже приводится краткая информа-ция о версиях HDMI.

– HDMI 1.0 (12/2002):- один кабель для передачи циф-ровых потоков аудио/видео с мак-симальной пропускной способ-ностью 4,9 Гбит/с. поддерживает поток видео до 165 Мп/с (1080p/ 60 Гц или UXGa) и 8-канальный звук 192 кГц/24 бит.

– HDMI 1.1 (5/2004): - добавлена поддержка защиты контента DVD audio.

– HDMI 1.2 (8/2005): - добавлена поддержка super audio CD; - разъем HDMI type a для подклю-чения пк в качестве источника; - источники пк могут использо-вать «родной» режим цветов rGB, сохраняется опция режима цветов yCbCr; - поддержка источников с низким напряжением.

– HDMI 1.3 (6/2006):- пропускная способность соеди-нения аудио/видео была увеличена до 10,2 Гбит/с; - улучшенная поддержка цветов, включая глубину 30, 36 и 48 бит (rGB или yCbCr); - добавлена поддержка цветовых стандартов xvyCC; - добавлена поддержка автомати-ческой синхронизации звука; - добавлена поддержка потоков Dolby trueHD и Dts-HD (форматы, используемые в дисках HD DVD и

Blu-ray) для декодирования внеш-ними ресиверами; - был утвержден новый мини-разъем для таких устройств как видеокамеры.

в 2009 г. была представлена версия HDMI 1.4, которая отличается сразу несколькими нововведениями, прежде всего наличием двунаправленного кана-ла Ethernet со скоростью передачи дан-ных 100 Мбит/с. Более подробное описа-ние этой версии стандарта приведено в специальном разделе данной статьи.

в таблице 1 приведены основные характеристики версий HDMI 1.2 и 1.3. на рисунке 1 представлен разъем интерфейса HDMI и назначение выво-дов. ниже даются пояснения к обозна-чениям выводов разъема HDMI.

– tMDs (transition-Minimized Differential signaling — дифференци-альная передача сигналов с минимиза-цией перепадов уровней). технология высокоскоростной передачи цифровых потоков, используемая в интерфей-сах HDMI и DVI. использует три кана-ла, передающие потоки аудио/видео и дополнительных данных с пропускной способностью до 3,4 Гбит/с на канал.

– CEC (Consumer Electronics Cont-rol — управление бытовой электрони-кой). позволяет передавать команды и управляющие сигналы между участни-ками связи. функции CEC встраиваются по желанию производителя. если все участники связи будут поддерживать

Таблица 1. Основные характеристики версий стандарта HDMI 1.2 и 1.3

Функция HDMI 1.2 HDMI 1.3Максимальная пропускная способность 4,95 Гбит/с 10,2 Гбит/сМаксимальная полоса частот 165 МГц 340 МГцМаксимальное разрешение 1920×1080 прогрессивное (1080p) 2560×1440 прогрессивное (1440p)Максимальная глубина цвета 24 бит 48 битМаксимальное число цветов 16,7 млн 281 трлнПоддержка DTS и Dolby Digital 5.1 Да ДаПоддержка Dolby TrueHD и DTS-HD Нет ДаМаксимальная частота выборки звука (2 канала) 192 кГц 768 кГцМаксимальная частота выборки звука (3—8 каналов) 96 кГц (макс. 4 потока) 192 кГц (макс. 8 потоков)

12

Се

ти

и и

нт

ер

фе

йС

ы

www.elcp.ru

HDMI CEC, то можно посылать команды с пульта ДУ всей подключенной тех-нике. к командам относятся функции включения/выключения, воспроизве-дения, перехода в режим ожидания, записи и др.

– sCl (serial Data Clock). тактовый сигнал последовательной передачи данных.

– sDa (serial Data access). Сигнал доступа к последовательным данным.

– DDC (Display Data Channel). канал данных дисплея. позволяет переда-вать спецификации дисплея, например название производителя, номер моде-ли, поддерживаемые форматы и раз-решения и т.д.

на рисунке 2 изображено устрой-ство кабеля HDMI.

Для интерфейса HDMI была лицензи-рована встроенная схема защиты циф-рового контента (High-Bandwidth Digital Content protection — HDCp), разрабо-танная компанией Intel и некоторыми другими фирмами для борьбы с пират-ством. технология HDCp должна присут-ствовать на HD-ресиверах или плеерах/видеомагнитофонах DVD/HD-DVD/Blu-ray, которые используют HDMI.

СЕртификация уСтройСтВ на СоотВЕтСтВиЕ трЕбоВаниям Стандарта и защита HDMI-портоВ от пЕрЕходных процЕССоВДля сертификации продукта по

стандарту HDMI требуется, чтобы как источник, так и приемник цифрового сигнала прошли тестирование на соот-ветствие требованиям HDMI (HDMI Compliance test specification — HDMI Cts). Хотя HDMI Cts включает многие типы тестов, решающее значение имеет испытание устройства-приемника сиг-нала по т.н. глазковой диаграмме (eye pattern) и измерения отраженного сигнала с помощью временного реф-лектометра для устройства-источника. Для соответствия требованиям глазко-вой диаграммы открытие глаза должно иметь минимальную величину, которая определяется глазковой маской для стандарта HDMI. в соответствии с тре-бованиями на величину отраженного сигнала, дифференциальное сопро-тивление сигнальных линий HDMI для устройства-приемника должно быть на уровне 100 ом ±15% при времени нарас-тания тестового сигнала не более 200 пс. выполнение этих требований является непростой задачей, т.к. открытие глаза и дифференциальное сопротивление под-вержены значительному влиянию пара-зитных емкостей и индуктивностей.

кроме требований к целостности сигнала, HDMI-порты, к которым имеет-ся внешний доступ, становятся чувстви-тельны к различного рода переходным процессам, связанным с зарядом и раз-рядом. например, они могут быть вызва-ны непосредственным касанием руки пользователя или «горячим» подключе-нием заряженного кабеля. встроенная в HDMI-чипы защита от электростатиче-ского разряда (EsD) не обеспечивает их достаточную надежность, что вызывает

необходимость дополнительной внеш-ней защиты HDMI-портов. разработчики HDMI-систем вынуждены следовать требованиям по электростатической защите стандарта IEC61000-4-2, в то же время обеспечивая целостность сигна-ла и поддерживая номинальную величи-ну дифференциального сопротивления сигнальных линий.

Для выполнения таких требований защитное устройство должно иметь как можно меньшее значение емкости, желательно менее 0,5 пф. Это вызвано тем, что чем меньше емкость устройства защиты, тем незначительнее его влияние на сопротивление дифференциальных линий. кроме того, устройство защи-ты должно обеспечивать симметрич-ную разводку платы без разрывов, что позволяет поддерживать целостность сигнала и получить требуемую величину сопротивления сигнальных линий.

Согласно стандарту IEC 61000-4-2, электростатическая защита HDMI-чипов должна обеспечивать уровень защиты не ниже 4. таким образом, минимальное значение напряжения электростатиче-ского разряда, которое должны выдер-живать линии питания и портов ввода/вывода HDMI-разъема, должно состав-лять минимум ±8 кв (контактный раз-ряд) и ±15 кв (воздушный разряд). кроме уровня напряжения защиты от электро-статического разряда, следует учитывать и другой важный параметр — напря-жение фиксации электростатического разряда. при высокой чувствительности современных микросхем к воздействию выбросов напряжения снижение напря-жения фиксации электростатического разряда уменьшает риск выхода микро-схемы из строя. поэтому важно выбирать устройство защиты, обеспечивающее наименьшее значение этого параметра.

примером устройства защиты, которое удовлетворяет указанным требованиям, является ограничитель переходных процессов rClamp 0524p компании semtech. Максимальная емкость rClamp0524p составляет всего 0,3 пф, напряжение питания — 5 в. Этот 10-выводной прибор используется для защиты двух дифференциальных пар 100-ом линий вне зависимости от коли-чества слоев и толщины печатной платы.

Другими словами, разработчики могут проектировать 100-ом линии на основе исходных характеристик платы, а защитное устройство rClamp0524p не вызовет каких-либо отклонений значе-ния рассчитанного сопротивления. на рисунке 3 показан пример топологии высокоскоростных дифференциальных линий с использованием ограничителя переходных процессов rClamp0524p.

такая топология обеспечивает непрерывность сигнальных линий и не влияет на их дифференциальное сопротивление. кроме того, существен-

Рис. 1. Разъем интерфейса HDMI и назначение выводов

Рис. 2. Устройство кабеля HDMI

14

Се

ти

и и

нт

ер

фе

йС

ы

www.elcp.ru

ное значение имеет размер корпуса устройства защиты, т.к. крупный кор-пус с широкими выводами и зазором между ними может вносить искажения в передаваемый сигнал. Следовательно, желательно использовать устройство защиты в компактном корпусе.

на рисунке 4 показаны результаты измерений сигналов дифференциальных линий с помощью временного рефлекто-метра с использованием ограничителя переходных процессов rClamp0524p. из рисунка видно, что требования по диф-ференциальному сопротивлению линий (100 ом ±15%) для HDMI-устройства при-емника в этом случае выполняются.

Для сравнения на рисунке 5 показа-ны результаты измерения сигнала при использовании устройства защиты в 38-выводном корпусе tssop для тех же сигнальных линий с дифференциаль-ным сопротивлением 100 ом. из рисун-ка видно, что применение такого корпу-са привело к падению сопротивления до 68 ом, что не отвечает требованиям

стандарта и может вызвать искажения сигнала на высокой частоте.

праВила проЕктироВания пЕчатных плат HDMI-СхЕмДля получения наилучших характе-

ристик высокоскоростных HDMI-схем особое значение следует уделять тща-тельному проектированию печатных плат HDMI-устройств. наиболее важ-ные правила проектирования таких печатных плат рассмотрены ниже.

Расположение слоев печатной платыДля создания HDMI-устройства с низ-

ким уровнем электромагнитных помех требуется печатная плата с минималь-ным количеством слоев равным четы-рем (см. рис. 6). порядок их следования должен быть следующим (сверху-вниз): слой линий tMDs, слой земли, слой питания и слой сигналов управления.

такой порядок следования слоев в печатной плате обеспечивает следую-щие преимущества.

– разводка высокоскоростных линий tMDs в верхнем слое исклю-чает необходимость использования переходных отверстий, которые вно-сят паразитную индуктивность, и обе-спечивает непосредственную связь HDMI-разъема с входами повторителя, а выходов повторителя — с последую-щими цепями приемника.

– размещение сплошного слоя земли рядом со слоем высокоскорост-ных сигнальных линий позволяет кон-тролировать сопротивление линий межсоединений и обеспечивает необ-ходимый проводящий канал для обрат-ного тока.

– размещение слоя питания рядом с землей позволяет создать дополни-тельный высокочастотный развязываю-щий конденсатор.

– разводка низкоскоростных линий управления в нижнем уровне обеспе-чивает большую гибкость при проек-тировании платы, т.к. для этих сигна-лов обычно допускаются переходные отверстия.

если требуются дополнительные слои питающего напряжения или сиг-нальных линий, добавляют еще один набор слоев питания/земли, располагая их симметрично на плате. Это обеспе-чивает механическую стабильность и предотвращает деформацию печатной платы. кроме того, каждую пару слоев питания/земли можно расположить ближе друг к другу, что значительно увеличивает емкость высокочастотно-го развязывающего конденсатора.

Дифференциальные линиив HDMI-устройствах используются

tMDs-линии для последовательной передачи данных с высокой скоро-стью. Дифференциальная передача сигналов имеет значительные преиму-щества перед несимметричной (одно-полярной) передачей, в частности, существенно меньшие электромагнит-ные помехи, создаваемые дифферен-циальными линиями, по сравнению с однополярными линиями. кроме того, внешние помехи создают на дифферен-циальных линиях синфазный шум на входе приемника. приемники с диффе-ренциальными входами чувствительны лишь к разности сигналов и не под-вержены влиянию синфазных сигналов. таким образом, приемники подавляют синфазные помехи и поддерживают целостность сигнала.

Для дифференциальной передачи сигналов на печатной плате необходи-мо, чтобы зазор между двумя линия-ми сигнальной пары оставался посто-янным по всей длине проводников. в противном случае, изменение зазора может вызвать неустойчивость линий наведенного магнитного поля, что уве-личивает электромагнитные помехи.

Рис. 3. Пример разводки топологии дифференциальных линий с применением ограничителя переходных процессов RClamp0524P

Рис. 4. Результаты измерений формы сигналов дифференциальных линий на 4-слойной HDMI-плате с использованием RClamp0524P

Рис. 5. Результаты измерений формы сигналов на HDMI-плате с использованием устройства защиты в 38-выводном корпусе TSSOP

Рис. 6. Для HDMI-приемников рекомендуется использовать печатные платы с количеством слоев 4—6

Се

ти

и и

нт

ер

фе

йС

ы

15

электронные компоненты №9 2009

кроме того, изменение зазора между проводниками вызывает изменения дифференциального сопротивления, что приводит к вероятности отражения сигналов и нарушению их целостности.

кроме постоянного зазора, оба про-водника должны иметь одинаковую электрическую длину для того, чтобы сигналы достигли входов приемника одновременно. если длина проводни-ков различна, то при передаче сигна-лов с высокой частотой на земляном слое возникают помехи.

Ширина импульсов помехи равна фазовому сдвигу между двумя сигнала-ми. Максимальное значение этого вре-менного интервала, известного также как фазовый сдвиг сигналов пары, специфицировано в стандарте HDMI для приемника на уровне 0,4 tBIt 1 (для тактовой частоты tMDs 225 МГц), или 178 пс. Для HDMI-передатчика этот вре-менной интервал не может быть более 0,15 tBIt (для тактовой частоты tMDs 225 МГц), или 66 пс.

Дифференциальное сопротивление линий передачи сигналов

Дифференциальное сопротивление линий передачи сигналов определяет-

ся физическими размерами проводни-ков, их расстоянием до соседней шины земли и толщиной диэлектрика печат-ной платы. Заданные геометрические размеры должны сохраняться по всей длине проводников.

Эмпирические выражения для рас-чета дифференциального сопротив-ления и геометрических размеров сигнальных tMDs-линий приведены в [2]. Для более точной оценки пара-метров дифференциальных линий используют программные средства расчета на базе уравнений Максвелла (т.н. анализаторы полей), которые определяют электрические и магнит-ные поля для произвольных линий передачи сигнала. на основе этих расчетов определяются такие пара-метры как характеристическое сопро-тивление, скорость передачи сигнала, перекрестные помехи и дифферен-циальное сопротивление. некоторые 2D-анализаторы полей также рассчи-тывают распределение тока внутри проводников.

Неоднородностинеоднородности — это участ-

ки сигнальной линии, где диф-

ференциальное сопротивление проводника отклоняется от номи-нального значения (100 ом ±15% для HDMI). неоднородности вызывают отражения сигнала из-за рассогласо-вания сопротивления, что нарушает целостность сигнала. в первую оче-редь, это происходит из-за изменений эффективной ширины проводников или зазора между проводниками, вызванных отклонениями геометрии или неправильной разводкой сиг-нальных линий.

потенциально неоднородности могут появиться на тех участках платы, где:

– контактная площадка HDMI-разъема соединяется с сигнальной линией;

– сигнальная линия соединяется с переходным отверстием, контактной площадкой компонента или выводом микросхемы;

– сигнальные линии изгибаются под углом 90°;

– сигнальная линия разделяет-ся, чтобы обогнуть какой-либо эле-мент.

неоднородности можно обнаружить путем измерений дифференциального

1 один tBIt — это время передачи одного бита данных по шине, или время передачи бита. Это время зависит от скорости передачи и вычисляется следующим образом: tBIt = 1 бит/[скорость передачи (бит/c)]. например, для скорости передачи 12 Мбит/с время передачи бита примерно равно 83 нс, а для скорости передачи 1,5 Мбит/c — около 667 нс.

16

Се

ти

и и

нт

ер

фе

йС

ы

www.elcp.ru

сопротивления с помощью временного рефлектометра 2.

Правила разводки платыЦелью проектирования высокоско-

ростной печатной платы должна быть минимизация неоднородностей, где это возможно и, таким образом, устранение отражений сигнала. приведенный ниже набор правил разводки поможет избе-жать появления неоднородностей и тем самым снизит электромагнитные поме-хи и сохранит целостность сигнала.

– Уменьшить фазовый сдвиг сигна-лов в дифференциальных линиях можно путем внесения необходимого числа изгибов в проводники, используя ско-шенные линии проводников (см. рис. 7).

– используйте скошенные (под углом 45°) линии вместо прямых углов при изгибе проводников. прямые углы увеличивают эффективную ширину линий, что вносит изменения в диффе-ренциальное сопротивление линий и создает неоднородности.

– при разводке дифференциаль-ных линий оба проводника следует рас-полагать параллельно.

– при разводке проводника около переходного отверстия или между мас-сивом переходных отверстий следует убедиться, что зазор между ними не прерывает линию обратного тока на нижнем земляном слое.

– Следует избегать металлических слоев и проводников под или между кон-тактными площадками HDMI-разъема для лучшего согласования сопротивле-ния (см. рис. 8). в противном случае это может вызвать снижение дифференци-ального сопротивления до 75 ом.

– используйте по возможности наименьший размер для переходных отверстий сигнальных линий и кон-тактных площадок HDMI-разъема для уменьшения их влияния на дифферен-циальное сопротивление линий.

– используйте сплошные слои питания и земли для контроля 100-ом сопротивления и минимизации помех по питанию.

– Для точного контроля 100-ом дифференциального сопротивления следует использовать наименьшее рас-стояние между проводниками, которое обычно определяется производителем печатной платы.

– Следует по возможности исполь-зовать минимальную электрическую длину проводников между HDMI-разъемом и устройством для уменьше-ния ослабления сигнала.

– используйте качественный HDMI-разъем, сопротивление которого соот-ветствует спецификации.

– размещайте основной конденса-тор (емкостью 10 мкф) ближе к источ-нику питания (стабилизаторы напряже-ния) или к месту подведения питания на печатную плату.

Слои питания и землиСлои питания и земли печатных плат

высокочастотных устройств должны удовлетворять различным требованиям. в режиме постоянного тока и на низкой частоте они должны обеспечивать пода-чу постоянного потенциала (напряже-ния питания и земли) на выводы микро-схем и нагрузочных резисторов.

на высокой частоте слои питания и, особенно, земли служат различным целям. Для систем передачи сигнала с контролируемым сопротивлением земляная шина должна обеспечивать емкостную связь с дифференциаль-ными линиями соседнего сигнального слоя. Сильная емкостная связь устра-няет магнитные поля и, таким обра-зом, минимизирует электромагнитные помехи путем уменьшения излучения поперечных электромагнитных волн. Для установления достаточной емкост-ной связи земляной слой следует раз-мещать рядом со слоем высокочастот-ных сигналов.

Для обеспечения низкоомного канала утечки обратного тока, кото-рый может наводиться на шину земли от сигнальных линий, слои питания и земли должны быть сплошными, без каких-либо пустот.

Переходные отверстияСлои печатной платы, которые долж-

ны подключиться к переходным отвер-стиям, непосредственно соединяются с контактными площадками, окружаю-щими отверстие в плате. Слои, которые не должны соединяться с переходными отверстиями, отделяются от них коль-цевым зазором. каждое переходное отверстие имеет емкость на землю,

которая оценивается с помощью сле-дующего уравнения:

,

где D2 — диаметр кольцевого зазора с переходным отверстием в слое земли (дюйм); D1 — диаметр контактной пло-щадки, окружающей переходное отвер-стие (дюйм); t — толщина печатной платы (дюйм); ε — диэлектрическая постоянная печатной платы; C — паразитная емкость переходного отверстия (пф).

при соединении развязывающего конденсатора со слоем земли или при соединении слоев земли индуктив-ность переходного отверстия начинает оказывать заметное влияние на распро-странение сигналов и становится более важной, чем его емкость. величина этой индуктивности приблизительно равна:

,

где l — индуктивность переходного отверстия (нГн); h — длина переходного отверстия (дюйм); d — диаметр пере-ходного отверстия (дюйм).

т.к. это уравнение содержит лога-рифм, изменение диаметра пере-ходного отверстия слабо влияет на индуктивность. Достаточно сильно на индуктивность влияет длина переход-ного отверстия, а также использова-ние нескольких переходных отверстий параллельно. Следовательно, соединять развязывающий конденсатор с землей нужно двумя переходными отверстия-ми на каждый вывод устройства. Для соединения между земляными слоями с малой индуктивностью используют мно-жество переходных отверстий с регу-лярным интервалом по всей плате.

Литература1. Sophie Hou. ESD protection for HDMI

1.3//www.embedded.com/201201480?cid=NL_embedded.

2. Thomas Kugelstadt. The HDMI Design Guide to high-speed PCB design in HDTV receiver applications//www.embedded.com/ 202803500?pgno=1.

3. Brett Li, Lie Dou. Analysis of common failures of HDMI CT//www.embedded.com/207001362?pgno=1.

4. Raj Nair. Gaining insight into the secrets of HDMI//www.embedded.com/ 196901535?cid=NL_embedded.

5. Randy White. Is it time to reconsider D i s p l a y P o r t ? / / w w w . e m b e d d e d . c o m / 212903143?pgno=1.

6. Deirdre Mathelin. HDMI V1.4: New Opportunities for Active Cables with Embedded RM1689.

2 временной рефлектометр (time-domain reflectometer — tDr) — это прибор, используемый для снятия характеристик и определения местоположения дефектов в металлических проводниках.

Рис. 7. Уменьшение фазового сдвига сигналов путем изгибания проводников

Рис. 8. Слои питания и земли должны быть вне зоны краевых контактов HDMI-разъема