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硬件电路设计之HDMI电路设计

CHANBAEK 来源: 一杯苦Coffee 作者: 一杯苦Coffee 2023-11-08 11:40 次阅读

1 简介

高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface,HDMI)是一种全数字化视频和声音发送接口,可以发送未压缩的音频及视频信号。HDMIDE 应用十分广泛,常见于个人计算机、显示器、电视等。其最主要的传输方式为传输TMDS+以及TMDS-的差分信号,最初版本HDMI定制的最大像素传输速率为165Mpx/sec,足以支持1080p-60FPS的画质要求,而在后来的HDMI1.3标准中扩增为340Mpx/sec。

2 HDMI的PIN脚说明

HDMI有19个引脚,其位置见下:

图片

每个引脚都有其特定的功能

PIN脚SignalPIN脚SignalPIN脚Signal
1数据2+2数据2屏蔽3数据2-
4数据1+5数据1屏蔽6数据1-
7数据0+8数据0屏蔽9数据0-
10时钟+11时钟屏蔽12时钟-
13CEC14保留15SCL
16SDA17DDC/CEC地18+5V电源
19HPD

3 HDMI的识别过程

HDMI可分为发送设备和接收设备,具体的识别过程见下:

  • HDMI发送设备给HDMI接收设备提供5V的电源,其电流应小于50mA;
  • HDMI检测到5V电源后,HDMI接收设备给HDMI发送设备提供HPD信号,其电压为5V;
  • HDMI发送设备接收到HPD信号,通过IIC从HDMI接收设备获取EDID信号(EDID具体内容后面章节会分享);
  • 根据接收到的EDID信号,输出相应的视频信息

图片

4 EDID信息

EDID包含了128个字节,每个字节包含的信息见下:

图片

图片

图片

图片

5 HDMI电路设计

差分信号以及低速信号均需要进行静电防护,值得注意的高速信号的TVS需要注意结电容这个参数(工作电压为3.3V,结电容≤0.2pF)。

图片

ESD73034D-10/TR的结电容典型值为0.2pF

图片

  • 信号匹配电路

这部分电路用于休眠,工作时HDMI0_TX_ON_H为高。

图片

这个位置使用220nF,在设计过程中我通常使用0.1uF电容,PCB走线阻抗控制在100Ω。

图片

  • HDMI接收电路

需要的注意的是需要确定发送端是否添加了AC电容。

图片

6 TMDS信号

TMDS的工作原理如下图所示,其源端由一个10mA的恒流源驱动一对差分信号,接收端需要将差分信号分别通过RT(50Ω)上拉到3.3V,由于接收端为高阻抗输入,所以几乎所有的驱动电流(10mA)通过3.3V—>RT—>发送端。即在电阻RT上产生500mV(10mA×50Ω=500mV)的电压,由下边电路可知,一条线开关导通,相对于地的电压为2.8V(3.3V-500mV=2.8V),另一条电路处于断开状态,即对地电压为3.3V。当源端驱动状态反转变化时,流经匹配电阻的电流方向改变,于是在接收端产生高低逻辑状态的变化。即TMDS在接收端产生差分摆幅为-500mV—+500mV,而产生的直流偏置为2.8V。

图片

7 PCB Layout注意事项

  • 信号阻抗 :差分传输线的特性阻抗为100Ω,防止信号的反射等问题。
  • 器件放置 :ESD器件靠近HDMI放置,共模电感靠近ESD器件,匹配电阻并排放置,匹配电阻起防ESD作用和微调阻抗用途,通常靠近插座放置。
  • 信号线宽 :差分对组内控制在5mil以内,组与组之间间距至少20mil以上;使用立体包地处理(组与组之间包地 & 组内差分线包地),需要有完整的参考平面;
  • 信号回路 :信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路,邻近GND层走线,空间足够的情况下进行包地处理,包地线离差分线间距满足差分线宽的3倍(中心到中心),铺铜离差分线20mil。
  • 信号走线 :差分阻抗控制为100欧姆(+/-10%),单端走线控制50欧姆;尽可能使用尺寸最小的信号线过孔和HDMI连接器焊盘,因为其对 100 差动阻抗产生的影响较小(推荐使用过孔8mil/16mil);尽可能使HDMI连接器和器件之间的电气长度保持最短,从而使衰减最小化。
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