（信号与信息处理专业论文）基于hdmi接口的esd保护设计与实现.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 高清晰度多媒体接i i ( h d m i ) 是数字电视和消费电子产品的接口标准，由单 一电缆传送无压缩的多信道音频信号及高分辨率视频信号，同时无需在信号传 送前进行数模或者模数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。h d m i 采用 了先进的最小变换差分信号通道作为基本电气连接，随着最新的h d m il - 3 标准 的颁布，h d m i 的数字信号最大传输速度可达到1 0 2 g b p s ，但h d m i 图像芯片 几何尺寸非常小，因此对静电放电( e s d ) 二i z 常敏感。由于h d m i 是热插拔接口， 在现实生活中用户经常接触h d m i 接口，因此会引起对接口的静电放电，容易 损坏甚至摧毁内部芯片。高速视频信号中的容性负载会导致信号衰减，所以e s d 保护设备利用各种方法和技术降低电容。为了降低容性负载必须谨慎地选择 e s d 器件。本文的研究重点即是基于h d m i 接口的e s d 保护。 本文首先介绍了h d m i 接口的基本原理，物理构架，详细的分析了其电气 特性，指出了要进行基于h d m i 接口设计所要熟悉的一些关键技术。然后对e s d 保护原理及方法进行了说明，比较了几种常见保护元件，分析了它们之间各自 的优势，并选定了适合h d m i 接口使用的t v s 元件。保护高速接口的传统方法 常采用控向二极管和聚合体器件，但这类保护器件对h d m i 保护并不是最理想 的。传统二极管并不能承受i e c6 1 0 0 0 4 2 定义的e s d 脉冲高能量，聚合体器件 虽然电容低，但启动电压并不可靠，通常高于l k v 。这就意味着受保护的i c 在 聚合体器件对e s d 有反应之前最低必须承受l k v 电压。因此必须采用更合适的 瞬态电压抑匍j ( t v s ) - - 极管作为保护设备。 本文接着详细阐述了t v s 二极管的工作原理和特性，并在此基础上建立了 h d m i 接口的e s d 保护t v s 二极管参数模型。对于高速数据信号传输电路来说， 瞬态电压抑n - 极管的每一个参数都有可能对信号传输质量产生比较大的影 响，因此必须精确地选择元件参数来匹配保护电路和信号传输线路。 本文最后部分在全面了解e s d 保护技术的基础上，给出了一种保护电路设 计的方案，针对h d m i 的接口各个引脚分别设计保护电路，通过计算机仿真进 行分析保护器件的插入损失，比较设置保护电路与不设置保护电路时静电放电 对信号的影响，结果证明了设计的可行性。 关键词：h d m i ，静电放电，t v s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h d m ii sai n t e r f a c ep r o t o c o lo fd i g i t a lt e l e v i s i o na n dc u s t o m e re l e c t r i c a lp r o d u c t w h i c ht r a n s m i tu n c o m p r e s s e dm u l t i - c h a n n e la u d i os i g n a la n dh i 【g l ad e f i n i t i o nv i d e o s i g n a lb yo n es i n g l ec a b l e ，a sw e l l 硒e n s u r et h eb e s tq u a l i t ya u d i oa n dv i d e o t r a n s m i s s i o nw i t h o u td i g i t a lt oa n a l o go ra n a l o gt od i g i t a lc o n v e r s i o n a st h ei s s u a n c e o fh d m is p e c i f i c a t i o nv e r s i o n 1 3 ，t h e m a xs p e e do fh d m id i g i t a l s i g n a l t r a n s m i s s i o nc a l lr e a c h10 2 g b p s ，w h i l et h es i z eo fh d m ii m a g e c h i pi sq u i t es m a l l ， s oi ti sv e r ys e n s i t i v et oe s d a sh d m ii sah o tp l u gi n t e r f a c e ，c u s t o m e r so f t e nt o u c h h d m ia n dr e s u l ti ne s dt od a m a g eo re v e nb r e a ki n s i d ec h i pi nt h ea c t u a ll i f e t h e c a p a c i t a n c el o a di nh i g l ls p e e dv i d e os i g n a lw i l lr e s u l ti ns i g n a la t t e n u a t i o n , e s d p r o t e c t i o nd e v i c eu s ev a r i o u sw a y sa n dt e c h n i q u et or e d u c et h ec a p a c i t a n c e e s d p r o t e c t i o nd e v i c es h o u l db ec h o s e nc a r e f u l l yi no r d e rt or e d u c et h ec a p a c i t a n c e t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e se s dp r o t e c t i o nb a s e do nh d m i i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h eb a s i ce l e m e n t s ，p h y s i c sf r a m e ，e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c a n ds o m ek e yt e c h n i q u ef o rh d m id e s i g na r ei n t r o d u c e d s e c o n d l ye s dp r o t e c t i o n e l e m e n t sa n dt e c h n i q u e sa r ea n a l y z e d s e v e r a lf a m i l i a rp r o t e c t i o nc o m p o n e n t sa r e c o m p a r e d e a c ha d v a n t a g ei sa n a l y z e d f i n a l l y , t v sd i o d ei sc h o s e nf o rp r o t e c t i n g h d m i o r i e n t a t i o nc o n t r o l l e dd i o d ea n dp o l y m e rd e v i c ea r eu s u a l l yu s e di nt h e t r a d i t i o n a lw a yo fh i 曲s p e e di n t e r f a c ep r o t e c t i o n , b u tt h e s ep r o t e c t i o nd e v i c e sa r en o t t h eb e s t t r a d i t i o n a ld i o d ec o u l dn o ts u s t a i nt h eh i g hs u r g ee n e r g yd e f i n e db yi e c 610 0 0 - 4 2 t h es t a r t u pv o l t a g eo fp o l y m e rd e v i c ei sn o ts t a b i l i z a t i o n , u s u a l l yh i g h e r t h a nl k v , e v e nt h o u g hi t sc a p a c i t a n c ei sl o w i tm e 赳- l $ t h ei cw h i c hb ep r o t e c t e dm u s t s u s t a i na tl e a s tik vb e f o r ep o l y m e rd e v i c er e s p o n s e st oe s d a c c o r d i n g l y , t r a n s i e n t v o l t a g es u p p r e s s o ri sm o r es u i t a b l ef o rp r o t e c t i n gt h ec i r c u i t t h e n ，i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft v sd i o d e h a sb e e na n a l y z e d t h e nt v s d i o d ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e di nd e t m l o nt h i sb a s i st h e t v sd i o d eb a s e do nh d m ie s dp r o t e c t i o ns p i c ep a r a m e t e r sh a v eb e e nm o d e l e d f o rh i 曲s p e e dd a t as i g n a lt r a n s m i s s i o nc i r c u i t ，e a c hp a r a m e t e ro ft r a n s i e n tv o l t a g e u 武汉理工大学硕士学位论文 s u p p r e s s o ra f f e c tt h es i g n a lt r a n s m i s s i o nq u a l i t yp o s s i b l y , s oe l e m e n tp a r a m e t e r s s h o u l db ec h o s e ne x a c t l yt om a t c ht h ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n dt h es i g n a lt r a n s m i s s i o n c i r c u i t i nt h el a s ts e c t i o no ft h i sp a p e r , b a s e do no v e r v i e wo fe s d p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , ap r o t e c t i o nc i r c u i td e s i g ni m p l e m e n t e di sp r o p o s e d e a c hp i no fh d m i i sd e s i g n e d r e s p e c t i v e l yf o rp r o t e c t i o nc i r c u i t i n s e r t i o nl o s so fp r o t e c t i o nd e v i c ei sa n a l y z e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n n ee f f e c to fe s db ys e t t i n go rw i t h o u ts e t t i n gp r o t e c t i o n d e v i c e sa n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ni sp r o v e d k e y w o r d s ：h i g h - d e f i n i t i o nm u l t i m e d i ai n t e r f a c e ，e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，t r a n s i e n t v o l t a g es u p p r e s s o r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取褥的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获褥武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作彳明确的说臻荠表示了谢意。 研究生签名：童j 查监日期趟：五 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：j 槛导师签名_ 叁查垄篮2 酲期剔萝6 武汉理丁大学硕十学位论文 1 1h d m ! 接口简介 第l 章绪论 随着各种数字显示终端的日益普及，多种数字传输接口标准被推出，如 u s b 、i e e e l 3 9 4 等。u s b 虽然得到普遍应用，但是有限的带宽使u s b 只能传 输一些低速率的高清晰静态图像或者低分辨率的动态图像。i e e e l 3 9 4 在数码摄 影机上得到了广泛应用，但是也由于受传输带宽的限制只能传输标准清晰度的 压缩数码图像，同时又因其电路结构复杂无法真正应用于高清晰实时视频领域。 1 9 9 9 年4 月数字视频接口d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ( d v i ) l0 标准正式颁布，d v i 能够传输无压缩高清晰实时数码图像。视频质量得到了极大提高，然而d v i 接 口过于庞大，不适合便携设备使用，而且它仍然不支持数字音频信号传输。为 了克服这些缺点，h d m i ( h i g h - d e f i n i t i o nm u l t i m e d i ai n t e r f a c e ) 高清晰多媒体数字 接口应运而生i “。图1 - 1 是h d m i 接口的实物图片。 图l - 1 h d m i 接口实物图 2 0 0 2 年4 月由几立、松下、飞利浦、s i l i c o n i m a g e 、索尼、汤姆逊、东芝共 7 家公司成立了h d m l 组织开始制订新的专用于数字视频音频传输标准。2 0 0 2 年末，高清晰数字多媒体接口h d m i1 0 标准颁布。 h d m l 支持高端视频传输标准： 1 ) h d m i 可支持的计算机显示格式有： s x g a - s u p e r e x t e n d e d g r a p h i c s a i r a y ：1 2 8 0 x 1 0 2 4 8 5 h z ： u x g a - u e r a e x t e n d e d g r a p h i c s a n a y ：1 6 0 0 1 2 0 0 6 0 h z ： 2 ) h d m i 可支持的数字电视显示格式有： s d t v ：4 8 0 i 、4 8 0 p 、5 7 6 i 、5 7 6 p ： 霉一 武汉理工大学硕士学位论文 h d i v ：7 2 0 p 、1 0 8 0 i 、1 0 8 0 p ： 灵活的视频接口支持d v d 和h d m p e g 解码输出： 1 ) 2 4 - b i tr g b 厂y c b c r4 ：4 ：4 ： 2 ) 16 2 0 2 4 - b i ty c b c r4 ：2 ：2 ： 3 ) 8 1 0 1 2 - b i ty c a c r 4 ：2 ：2n u 6 0 1 ，6 5 6 ； 4 11 2 - b i t 双时钟沿时钟输入模式； 5 ) y c b c r r g b 的彩色转换： 6 1 支持b t a t 10 0 4 视频输入格式； 7 ) 输入时钟可分0 5 倍，2 倍，4 倍。 支持高端数字音频接口： 1 ) 4 x i z s 输入接收d o l b yd i g i t a ld v d a u d i oi n p u t2 通道19 2 k h z ，8 通道 9 6 k h z ： 2 ) s p d i f 输入支持p c m 、d o l b yd i g i t a l 、d t sd i g i t a la u d i o3 2 9 6 k h z 的采 样频率；， 3 ) 兼容i e c6 0 9 8 5 或i e c6 1 9 3 7 标准； 4 ) 灵活的可编程1 2c 通道映射； 5 ) 2 ：l 与4 ：l 的采样比例下支持9 6 k h z 和1 9 2 k h z 音频码流。 h d m l 支持e d i d 及c e c ，支持h d m i 的设备有即插即用的特点，信号源 和显示设备之间会进行“协商”自动选择最合适的视频音频格式。 h d m i 采用了先进的t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l 最小变 换差分信号) 通道作为基本电气连接。它包含3 路t m d s 数据通道和l 路t m d s 时钟通道。对视频而言每个像素点最高可以用2 4 位来表示，通过t m d s 传输， 点的传输速率最高可达1 6 5 m h z ，因此整个带宽最高可以达到3 9 5 g b p s ，完全满 足传输高清晰度的图像的要求。音频信息也是通过t m d s 通道传输，最高采样 频率达1 9 2 k h z 。h d m i 利用视频信号的逆程消隐期间，即岛屿数据传输期，进 行音频数据和辅助数据如信息帧和场、行同步信号的传输，因此不会占用可用 视频传输带宽【2 1 。 正是因为这些先进的技术特性使h d m i 接口成为“第一个，也是目前唯一一 个使用单电缆传输未经压缩数字音视频信号的传输接口”。不仅可以轻松支持 h d t v 信号如1 0 8 0 p 的无压缩传输，还可以支持d v d a u d i o 等最先进的数字音 频格式，8 声道9 6 k h z 或1 个声道的1 9 2 k h z 数字伴音【3 】。h d t v 仅需要2 2 g b p s ， 还有很大裕量留给将来可能出现的更高标准的数字视频信号。这样就可以使用 2 武汉理工大学硕士学位论文 一根线完成高清晰度图像和数字伴音的传播。 同时，与h d c p ( h i g h - b a n d w i d t hd i g i t a lc o n t e n tp r o t e c t i o n ，宽带数字内容保 护是一种保护影像版权的防盗录编码) 良好配合，支持音视频加密保护。h d m l 支持e d i d ( e x t e n d e dd i s p l a yi d e n t i f i c a t i o nd a t a ，扩展显示鉴定数据1 和 c e c ( c o n s u m e re l e c t r o n i c sc o n t r o l ，消费者电子控s u ) ，用来在各种音视频产品间 传输控制命令，还支持热插拔的检测，具有“即插即用”的特点【4 】。 d v d 拷贝管制协会c c a 规定，所有播放c s s 保护内容且画质高于 4 8 0 p 5 7 6 p 的d v d 放映机，均必须具备h d m i h d c p 或d v i h d c p 输出端子。 此规定是h d m i 应用的重大里程碑，更加强化了h d m i 在市场的地位。除了c c a 之外，美国的f c c 也规定在2 0 0 5 年7 月1 日后出售的所有具数字有线功能( d i g i t a l c a b l e - r e a d y ) 电视，均必须具有h d m i h d c p 或d v i h d c p 输入端子【5 1 。此外， 在1 9 8 8 年由有线电视业界成员所设立的c a b l e l a b s ( t h ec a b l et e l e v i s i o n l a b o r a t o r i e si n c ) 也在其o p e n c a b l e 计划中，规定所有高画质数字电视盒 ( h d s t b s ) 必须具备h d m i h d c p 或d v i h d c p 输出端口。在全球各地纷纷宣 布采用h d m i 的机构中，代表欧洲信息通信技术与消费性电子产业的组织e i c t a 于2 0 0 5 年1 月1 9 日在布鲁塞尔宣布，任何贴有“h dr e a d y 卷标的显示装置， 均必须透过h d m i 或d v i 数字接口接收高分辨率内容的传输，而且其h d m i 或 d v i 输入端子必须要支持h d c p 。另外，h d m i 顺应性测试h d m ic t 标准己经 成为消费类电子市场确保产品兼容性和互通性的一个重要因素【6 】。 h d m i1 3 标准是最新的h d m i 接口标准，它与2 0 0 6 年6 月推出，相对于 以前的标准，它在性能上由较大的提升，并支持如下新功能： 1 ) 高速：尽管老版本的h d m i 已经具有足够带宽来支持现有的全部高清晰 度电视h d t v 格式，但h d m i1 3 的单通道带宽提升到了3 4 0 m h z ( 1 0 2 g b p s ) ，能 够支持未来高清晰度显示设备的要求( 如更高的分辨率、深色d e e pc o l o r 和高帧 频) 。此外，h d m i1 3 标准还包含了能够显著提高未来版本的h d m i 速度的技术 基础。 2 ) 深色d e e pc o l o r ：h d m i1 3 支持的色深由旧版本h d m i 标准的8 位色深提 升至l o 位、1 2 位和1 6 位( r g b 或y c b c r ) ，能够以无沉淀细节完美呈现十多亿种 色彩。( h d m il i c e n s i n g 以前使用另一套命名方案表示所有三元色彩亮度尺度 ( r g b 或y e b c r ) 的混合位深，用3 0 位、3 6 位和4 8 位色彩指代l o 位、1 2 位和1 6 位色 彩。) 3 ) 更广阔的色彩空间：h d m i1 3 增加了对“x v y c c ”色彩标准的支持，消除 3 武汉理工大学硕士学位论文 了当前的色彩空间限制，能够呈现人类肉眼可见的任何颜色。 4 ) 新式微型连接器：应小型便携设备( 如h d 录像机和照相机) 与h d t v 无缝 连接的需求，h d m i1 3 推出了称为“c 型”连接器的新式微型连接器。一 5 ) 音口形同步l i ps y n e ：由于消费电子设备采用越来越复杂的数码信号处 理方式以增强清晰度和内容的细节，用户设备的视频和音频同步已经成为一个 更大的挑战，可能需要最终用户进行复杂的调节。h d m i1 3 集成了自动音频视 频同步功能，能够使设备准确无误地自动完成此同步过程。 6 ) 新型多声道h d 无损音频格式：除了h d m i 当前对高带宽无压缩数字音频 和所有现有压缩格式( j t l d o l b yd i g i t a l 和d t s ) 的支持外，h d m i1 3 还增加了对新 的无损压缩数字音频格式d o l b yt r u e h d 和d t s h dm a s t e ra u d i o ( 能够呈现最高 质量的音频，且h d 电影的h d d v d 和蓝光格式都支持的格式) 的支持。 1 2e s d 概述 e s d 的英文全名是“e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ”，从字面上直接翻译就是静电的 放电产生。最简单的原理就是当两个物质接触摩擦后，带有负电的离子由其中 一个物质的表面转移到另一个物质的表面，使得两个物质产生静电。静电是静 止不动的电荷，它一般存在于物体的表面，是正负电荷在局部范围内失去平衡 的结果。静电是通过电子或离子转换而形成的。静电可由物质的接触和分离、 静电感应、介质极化和带点微粒的附着等物理过程而产生【刀。 人体所带的静电产生最大因素就是摩擦带电，例如走动时鞋子和地面摩擦、 坐在椅子上椅子和地面摩擦等，其主要是因为不同物质对于电子的吸收和放出 倾向不同。尤其静电放电破坏的产生多半是由于人为因素所形成，却又很难避 免。电子器件、产品或系统在制造、生产、组装、测试、存放、搬运等过程中， 静电会累积在人体、仪器、储放设备等之中，甚至在电子组件本身也会累积静 电，而人们在不知情的情况下，使这些物体相互接触，因而形成了一条放电路 径，使得电子组件或系统遭到静电放电的破坏。 e s d 所产生的效应是负面的，静电放电是造成大多数的电子器件或电子系 统受到过度电性应力e o s ( e l e c t r i c a lo v e rs t r e s s ) 破坏的主要因素之一，这种破坏 会导致半导体器件以及计算机系统等形成永久性的破坏，进而影响集成电路i c 内部的电路功能，使得电子产品不能正常工作【8 】。 4 武汉理工大学硕十学位论文 电路制造商持续不断地缩小它们的器件中的晶体管、互连和绝缘层的最小 尺寸，半导体制造商能够在过去几十年中通过把几十亿三极管集成到单一芯片 之中来提高芯片性能、降低功耗及驱动成本的下降。尽管具备所有明显的优势， 在子电路的小型化过程中存在重大的不利条件却是难以集成足够鲁棒的e s d 保 护器件，高速器件的结构更小，最终导致器件在较低的能级也更易于因击穿效 应而损坏。早期在设计周期中的“丢弃”各种e s d 器件的选择，如离散元器件或 p c b 堆叠定义，可能常常比复杂的缩放和链路层设计或h d m ia s i c 选择问题更 为重要。 虽然在h d m i1 3 中实现了较高的分辨率和像素深度，集成电路制造商已经 持续地缩小了它们的器件中的晶体管、互连和s i 0 2 绝缘层的尺寸。但这就导致 高速器件的结构更小，因而在较低的能级也易于受到击穿效应的破坏。在发生 e s d 的时候，s i 0 2 层很可能断裂，金属线很可能开路或桥接。 h d m i 接收器和发射器将包括一些用于受控制造环境的片上e s d 保护功能， 但是，典型的实际e s d 攻击可能传递高达3 0 a 的峰值电流，而足够的1 2r 将永 久性地破坏在深亚微米h d t v 接收器或d v d 发射器i c 中比较小的嵌入式二极 管。在寒冷冬天的早晨，站在地毯上把新的视频游戏机插入到家用电视时，i e c 技术委员会制定的国际标准i e c6 1 0 0 0 - 4 2 ( 静电放电抗扰度实验) 估计处理这样 的e s d 脉冲需要采用8 k v 的e s d 保护器件。 倒 蹬 s s 旗i f 鹾 r _ 餐 凶 霸 毯 q 1 5 1 a m 8 0 0 n m3 5 0 n m18 0 n m14 0 n m9 0 r i m6 5 r i m 图1 2 特征尺寸的减少要求对i c 实施足够的e s d 保护 5 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 显示了不同的工艺节点所减少的i c 总面积。每一个i c 之中的灰色方 格表示把最少2 k ve s d 保护功能集成到i c 之中所需要的面积。对于每一个工艺 节点，e s d 保护所需要的相对面积会增加，原因在于e s d 保护器件占用的面积 要随着二极管的面积进行调整，这些二极管却不能像逻辑功能所需要的三极管 那样以相同的比例缩小。 显然，非常先进的工艺节点对于集成足够鲁棒的e s d 保护器件都有物理和 经济上的局限性。先进的i c 要针对功耗和速度进行优化，而不是针对e s d 保护 器件进行优化。如果针对e s d 保护器件优化的话，芯片的面积会扩大到无法接 受的地步。更小的特征尺寸沟道长度和相关更薄及更小的门栅，使最大门极电 压( 例如c m o s 9 0 ) i 艺小于1 5 v 和漏源电压( 例如c m o s 9 0 ) i 艺小于1 6 v 变小。 如图1 3 所示，电子元件相关门栅电压直接受到持续小型化的特征尺寸的影响。 这样的i c 对过压就非常敏感，因此，对e s d 放电特别敏感，会破坏e s d 保护 级别已经非常低的子电路【9 】。 、 薹，l 瑟 崩旷丁 图1 3 三极管的内部电路图 正因为如此，如果消费电器的开发商要构建符合c e 要求的设备，并进一步 防止因e s d 及其它放电问题引起的高现场故障率，那么，外部板级e s d 保护就 是必不可少的措施。一般地说，随着所采用的i c 的特征尺寸日益减少，人们认 为e s d 问题将成为未来电子设计的一个非常大的障碍。 新的高级h d m i 高清晰多媒体接口功能处理具有明显的复杂性之外，想当 然地采用简单的e s d 静电放电单元可能会导致延迟和成本超出限度，并且可能 6 武汉理工大学硕士学位论文 在消费电子产品上市之前难以显著地发现问题。应对这些简单e s d 的问题的解 决方案可能比补救复杂的问题更耗费成本和时间。 h d m i 是第一种和唯一种只用于消费电子电器的数字接口，它集成了最多8 个音频、5 个视频和3 条通信线，仅仅通过一根密封的电缆线进行传输。h d m i 标准的带宽不断加大，已达到3 4 0 m h z ( 1 0 2 g b p s ) 。h d m i 端口被称为“热插拔接 口”。当至少一个应用仍然在运行的时候，用户不能连接任何接收电流或发出电 流的设备，也就是说，在端口处存在电源“自我保护”功能。因此，采取这种供电 方式的端口将受到严重的e s d 问题的影响，而且h d m i 收发器将受到严重破坏。 h d m i 端口的热插拔能力使e s d 保护不可或缺，业已增加的接口速度以及热插 拔特性意味着对e s d 保护方案更为严格的要求，其中包括： 一非常高的二极管开关速度纳秒级和超低线电容可以确保信号完整性； 一经受若干次e s d 冲击之后，鲁棒的e s d 保护没有退化； 一即使经过几百次e s d 放电之后，泄漏保持为低。 1 3 论文的具体工作及内容安排 本论文的课题任务是实现h d m i 接口的保护电路并进行仿真，分析和论证 设计的可行性。 在课题中所完成的工作包括： 1 ) 对e s d 保护方法进行了理论上的分析； 2 ) 确定t v s 二极管的参数并建立s p i c e 模型； 3 ) 设计h d m i 接口的二极管保护电路。 全文共分六章，各章内容安排如下： 第l 章绪论。介绍了h d m i 的产生背景和标准以及实现e s d 保护的必要 性 第2 章h d m i 的技术特性。本章首先分析了h d m i 接口的基本原理，物理 构架，详细地讨论了其电气特性，指出在进行基于h d m i 接口设计时所涉及的 关键技术。 第3 章e s d 保护原理及方法。本章首先比较了几种常见保护元件中，分析 了它们之间各自的优势，并选定了适合h d m i 接口使用的t v s 元件。最后阐述 了e s d 的测试方法。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章t v s 二极管s p i c e 参数建模及性能分析。本章主要讨论了s p i c e 参数建模的具体方法与理论基础，并对保护h d m i 接口的e s d 保护t v s 二极管 进行了参数建模，最后对模型进行了参数分析。 第5 章保护电路设计与仿真分析。本章对保护电路进行了设计，并对该电 路进行了仿真、测量与分析，实验证明所设计的电路具有较好的可行性，达到 了预期的效果。 第6 章总结了本论文研究工作，指出了论文还有待深入研究的问题及方向。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章h d m i 技术特性分析 2 1h d m i 基本原理 h d m i 接口系统由数字信号编码、数字传输、信号解码三部分构成，如图 2 1 所示。视频、音频和辅助信号如场、行同步信号送入h d m i 的编码发送芯片， 进行数据编码，然后通过3 路t m d s 数据通道和l 路t m d s 时钟通道传送到信 号接收端。视频像素时钟信号由t m d s 时钟通道传送，作为接收端对3 路t m d s 数据通道传来的数据进行恢复的频率参考。接收端的h d m i 解码芯片进行数据 解码，将对应的音视频信号还原并送到数字显示终端【1 0 】。h d m i 系统结构框图 如图2 1 所示。 h d m i 发送端h d m i 接收端 彩哗嚣学譬7 砰鼍忡甲叶节 ” 一鳓 移鳟一+ ”一”一一 i 7 ”强 y l iw 龟j h - 一j j ， ， 。；m 。“ 酵 t 毪。奢嘲舷。么勘1 涮缀盘 蓼 视频。墨 一 t m d s 通道o i 荔 税频 t m d s 通t 1 曩一荔 移 v 勃t 么飞 5 lr = h d m i t m d s i | i 1 2 三 h d m i开频 发送端 已溺幽 接收端 黪眇”强“ 1 l 善控制，状堡篙：蔫 t m d s 时钟通道j眇l。爪j 群。“渤纱镬 孓f 撇状况、i ：， 彰女 。 镌 秀 糖 萋 二攀一v 一7缓 & “。j 77 4 轳 ： 甑：。，。_ 囊。三。话矗。& 、c r 、l r 、 a，溉i ! z t i f 。i ? “ ，z 。“o 溺 爹 7 显示数据通道( d d c )l ：j 。 缸一、 7 一。 ” 鬻 “ 1 ”l = 二 绣 爹 。 麓 消费者电子控制( c e c ) ； l 鍪 i r 彩 ：j ，i 玩z u ，。x 、。轴幺，“；。t z 。、_ 拖。氛。女。z z 。菇：# ，荔 。女。一。? j 。| 。锄 图2 - 1h d m i 系统结构框图 9 武汉理工人学硕士学位论文 2 2 h d m i 物理层 2 2 1 接口型号 h d m i 有a ，b ，c 三种类型的接i s i ： 1 ) h 型接口( 图2 - 2 ) 有1 9 个引脚( 表2 1 ) ，支持单向的t m d s 连接，可以传 送h d m i 所支持的所有信号，壤高1 6 5 m p i x e l s s ，a 型接口是最常用的接口，本 文所作研究均是基于a 型接口； 2 ) b 型接口有2 9 个引脚t 支持双向的t m d s 连接，用于支持需要双向连接 带宽的超高分辨率的计算机显示器，可以高于1 6 5 m p i x e l s s ： 3 ) c 型接口是h d m ii 3 标准中最新定义的用于便携设备前小型接口，它与 a 型接口的信号传输能力相同。 a ，b ，c 三种类型的接口之间可以通过转换器相互转换。 t m d s t m d s t m d s 丁m d s 图2 - 2h d m i a 型接口实物图 测 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1a 型接口引脚配置 引脚信号配置 lt m d s 数据线2 正极 2t m d s 数据线2 屏蔽 3t m d s 数据线2 负极 4t m d s 数据线1 正极 5t m d s 数据线1 屏蔽 6t m d s 数据线i 负极 7t m d s 数据线0 正极 8t m d s 数据线0 屏蔽 9t m d s 数据线0 负极 1 0t m d s 时钟信号正极 l lt m d s 时钟信号屏蔽 1 2t m d s 时钟信号负极 1 3 消费类电子控制( c e c ) 1 4 保留( 不连接) 1 5s c l ( d d c 时钟线) 1 6 s d a ( d d c 数据线) 1 7d d c c e c 屏蔽线 1 8+ 5 v 电压源 1 9 热插拔检测线( h p d ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 电气特性 最小变换差分信号t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l ) 模式，是 d d w g 的成员s i l i c o ni m a g e 公司开发的，它是基于p a e l l i n k 接口技术中所使用 的最基本电气连接。h d m i 标准是建立在一接口技术之上，h d m i 协议是基于编 码机理的。最小变换差分信号是用于将图形数据送到显示器的技术。t m d s 通 过o n 和o f f 状态间的跃变来传送数据，采用布尔异或x o r 或者异非或x n o r 操作，可最小化跃变以避免额外的电磁干扰对电缆的影响，并附加了平衡直流 d c 信号的操作，将8 位数据转化为l o 位，前8 位由原始信号经过运算后获得， 第9 位指示了运算的方式，第1 0 位用来对应直流平衡。这种算法使得被传输信 号过渡过程的上冲和下冲减小，直流信号接近于平衡。它以差分形式发送信号， 信号的优化使信号对传输线的电磁干扰减少，传送的数据也趋于直流平衡，另 外这种先进的编码技术使数据在接收端能够得到可靠的恢复。因此通过t m d s 传输，传输距离能够得到显著提高，h d m i 的传输线理论上可以达到2 5 米【i l 】。 利用差分传输方式能有效滤除共模干扰，削弱传输电缆中交叉的电磁干扰 ( e m i ) ，h d m i 是基于t m d s 链路来传输信号。 h d m i 标准中的一些时序参数值是基于连接的时钟频率，而其他的时序参数 都是基于绝对值。对于可定标的时序参数就是基于时钟频率，时钟的时间周期 表示为t m d s 特性时间或t 蛔嘲。十分之一的象素时间被称作位时间或者l 。 位时间也可作为抖动和眼图规范的一个单位间隔。 t m d s 差分对的概念电路图如图2 3 所示。t m d s 技术使用当前的驱动产生 一个低电压信号给直流耦合传输线的接收端。连接参考电压a r 设置了差分信 号的高电平，低电平是由h d m i 源的电流源和接收器的截止电阻决定的。截止 电阻r t 和电缆的特性阻抗z 。必须匹配。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3t m d s 差分对电路示意图 h d m i 包括3 个基于t m d s 链路的数据通道和1 个基于t m d s 链路的时钟通 道，每个时钟周期内每通道传输一个像素( 1 0 位) 。发送端传输的信号有视频信号、 数据岛和控制信号。每个视频信号有2 4 位，数据岛有1 2 位，控制信号有6 位。根 据信号可分为3 种周期：视频信号周期、数据岛周期和控制信号周期。每种信号 采用不同的编码方式。视频信号周期3 个通道传输串行的2 4 位视频信号。每通道 传输8 位，t m d s 编码采用d c 平衡的方法将每通道的8 位的串行数据变换成l o 位， 而对于像素传输速率低于2 5 m h z s 的视频格式，采取像素重复的方式，如： 7 2 0 x 4 8 0 i ( n t s c 南i j ) 的像素速率为1 3 5 m h z ，采用像素重复方式，即每个像素传输 2 次。为了传输音频信号和辅助数据，h d m i 采用打包的方式，将音频信号与辅 助数据合成一个封包组成数据岛周期，数据岛周期内传送1 2 位的数据岛。为了 提高数据的可靠性，先用b c h t q 错码进行纠错编码，再采用t e r c 4 编码( t m d s 错误减少编码) 将每通道4 位的数据岛变换到1 0 位。在控制信号周期内，6 位的控 制信号( 每通道2 位) 包括行场同步信号及下个周期的指示信号，将每通道2 位的控 制信号变换到l o 位。 所有t m d s 时钟和数据信号抖动特性都是依据于理想恢复时钟，数据抖动没 有在数字上作特别说明，但是当以一个理想恢复时钟作为触发源测量t m d s 数据 信号时，h d m i 设备必须符合眼图的要求【1 2 1 。t m d s 时钟信号可能包括低频抖动 分量，它可以被接受时钟恢复电路追踪。t m d s 时钟信号也可能包括高频抖分量， 它不能被追踪。当作为眼图和时钟抖动规范是，理想恢复时钟信号的作用是给 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 链路性能一个精确的描述。它被定义为依附于t m d s 时钟信号。当t m d s 时钟输 入到p l l 信号中时，信号理想恢复时钟应该等同于被一个有抖动传送功能的完美 的p l l 信号所推出的信号。当用于兼容性测试时，时钟恢复单元被用于产生恢复 时钟，这应该近似于理想恢复时钟。理想恢复时钟定义的抖动传递函数为： 砌咖矗( 舯2 巩e “毗r 砖- 1 ) 传输线均衡定义如下： i h ( j o j ) i = e