深度解析RENESAS ISL54100、ISL54101、ISL54102：高性能TMDS再生器與復(fù)用器

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，高清視頻傳輸變得越來越重要。TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）技術(shù)作為一種高速差分信號傳輸技術(shù)，在HDMI和DVI等接口中得到了廣泛應(yīng)用。而RENESAS的ISL54100、ISL54101、ISL54102系列產(chǎn)品，正是針對TMDS信號處理而設(shè)計(jì)的高性能再生器與復(fù)用器。今天，我們就來深入了解一下這些產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

ISL54100、ISL54101、ISL54102是高性能的TMDS時(shí)序再生器和復(fù)用器。接收器為HDMI或DVI信號中的3個(gè)TMDS對分別配備了可編程均衡器和時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）功能。ISL54100的TMDS數(shù)據(jù)輸出經(jīng)過再生處理，并與再生后的TMDS時(shí)鐘信號完美對齊，從而產(chǎn)生極其干凈、低抖動(dòng)的DVI/HDMI信號，可輕松被任何TMDS接收器解碼。

這幾款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和封裝尺寸支持多種復(fù)合配置。例如，兩個(gè)ISL54100可以組成一個(gè)DualLink 4:1多路復(fù)用器、一個(gè)4:2交叉點(diǎn)或一個(gè)8:1多路復(fù)用器。更多的ISL54100還能組成更大規(guī)模的組合。ISL54102具有2:1多路復(fù)用功能，適用于輸入較少的應(yīng)用場景；ISL54101則可用作電纜延長器，用于清理嘈雜/抖動(dòng)的TMDS信號源，或?yàn)檫吘塂VI或HDMI接收器提供非常穩(wěn)定的TMDS信號。此外，這些產(chǎn)品還通過了HDMI ATC認(rèn)證，符合HDMI 1.3a標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)特性，包括12位深色彩、x.v.Color?以及所有HDMI 1.3音頻格式和選項(xiàng)。

產(chǎn)品特性

• 多種復(fù)用功能
  • ISL54100：4:1 TMDS再生器和復(fù)用器。
  • ISL54101：1:1 TMDS再生器。
  • ISL54102：2:1 TMDS再生器和復(fù)用器。
• 時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)與重定時(shí)功能：可作為TMDS范圍擴(kuò)展器使用，有效延長信號傳輸距離。
• 可編程預(yù)加重功能：輸出驅(qū)動(dòng)器上的可編程預(yù)加重功能，能夠根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整信號的驅(qū)動(dòng)能力，提高信號質(zhì)量。
• 通道活動(dòng)檢測：基于輸入TMDS時(shí)鐘活動(dòng)進(jìn)行通道活動(dòng)檢測，方便用戶實(shí)時(shí)了解通道狀態(tài)。
• 對稱引腳布局：對稱的引腳布局支持高性能的DualLink、4:2交叉點(diǎn)和8:1多路復(fù)用選項(xiàng)，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。
• 可編程內(nèi)部終端：可編程內(nèi)部50Ω、100Ω或高阻抗終端，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行靈活配置。
• 多種控制方式：支持獨(dú)立或I2C軟件控制操作，可通過硬件、軟件或自動(dòng)方式進(jìn)行通道選擇。
• 環(huán)保設(shè)計(jì)：無鉛（符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)），符合環(huán)保要求。

應(yīng)用領(lǐng)域

這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：

• KVM交換機(jī)：在多設(shè)備切換場景中，確保高清視頻信號的穩(wěn)定傳輸。
• A/V接收器：處理和切換音頻/視頻信號，提供高質(zhì)量的視聽體驗(yàn)。
• DVI/HDMI延長器：延長DVI/HDMI信號的傳輸距離，解決長距離傳輸信號衰減的問題。
• 電視/PC顯示器/投影儀：保證輸入的高清視頻信號質(zhì)量，提升顯示效果。

電氣特性

工作條件與參數(shù)

在典型的工作條件下，如$V_D = 3.3V$，像素速率為165MHz，$T_A = +25°C$，$RES_TERM = 1kΩ$，$RESBIAS = 3.16kΩ$，TMDS輸出負(fù)載為50Ω，TMDS輸出終端電壓$V{TERM} = 3.0V$時(shí)，這些產(chǎn)品具有一系列特定的電氣參數(shù)。

例如，最大接收時(shí)鐘頻率/像素速率$fDATA_MAX$典型值可達(dá)225MHz，但保證在165MHz下穩(wěn)定工作；最小接收時(shí)鐘頻率/像素速率$fDATA_MIN$為25MHz。TMDS接收器的最小差分輸入靈敏度$VSENS$典型值為50mVp-p。TMDS發(fā)射器的時(shí)鐘輸出總抖動(dòng)$jTX_CLOCK$典型值為32ps，數(shù)據(jù)輸出總抖動(dòng)$jTX_DATA$典型值為52ps。

電源要求

電源電壓$V_D$范圍為3V至3.6V，典型值為3.3V。不同產(chǎn)品在正常工作和掉電模式下的電源電流有所不同。例如，ISL54100在正常工作時(shí)的電源電流典型值為435mA，在掉電模式下為20mA至26mA。

引腳與寄存器配置

引腳描述

這些產(chǎn)品的引腳功能豐富，涵蓋了TMDS輸入、輸出、時(shí)鐘信號、控制信號等多個(gè)方面。例如，RX系列引腳用于接收TMDS數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號，不同的通道有對應(yīng)的引腳；TX系列引腳則用于輸出TMDS數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號。此外，還有SCL、SDA等引腳用于2線接口的串行通信，ADDR[6:0]用于設(shè)置串行接口的7位地址，CH_SEL_0、CH_SEL_1用于通道選擇等。

寄存器列表

產(chǎn)品的寄存器用于配置各種功能，如通道活動(dòng)檢測、通道選擇、輸入控制、終端控制、輸出選項(xiàng)等。例如，寄存器0x02用于通道選擇和自動(dòng)通道選擇功能的配置；寄存器0x03用于輸入控制，包括三態(tài)未選中時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入、活動(dòng)檢測模式等的設(shè)置；寄存器0x07和0x08用于控制TMDS輸入的均衡量。

應(yīng)用信息

復(fù)用器操作

ISL54100和ISL54102分別具有4:1和2:1的輸入復(fù)用器。上電或硬件復(fù)位后，默認(rèn)采用硬件通道選擇方式，通過AUTO_CH_SEL和CH_SEL_x引腳進(jìn)行選擇。如果將AUTO_CH_SEL引腳拉高，具有活動(dòng)TMDS時(shí)鐘的最高優(yōu)先級通道將被自動(dòng)選擇。也可以通過將AUTO_CH_SEL引腳接地，采用手動(dòng)通道選擇方式，或者通過I2C接口進(jìn)行軟件控制。

活動(dòng)檢測

通道活動(dòng)檢測有兩種方法。原始默認(rèn)方法是測量TMDS時(shí)鐘輸入的共模電壓，但這種方法在處理弱信號時(shí)不太可靠。推薦的方法是檢測TMDS時(shí)鐘輸入上的活動(dòng)交流信號，通過寄存器0x03的相關(guān)位進(jìn)行配置。為了避免在差分接收器輸入電平相同時(shí)出現(xiàn)誤檢測，可以通過寄存器0x03的位5和6添加10mV或20mV的偏移。

Rx均衡

寄存器0x07和0x08用于控制TMDS輸入的均衡量，每個(gè)通道有4位控制。均衡范圍從最小1dB增益到800MHz時(shí)最大13dB增益，以0.8dB為增量進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的DVI/HDMI發(fā)射器和電纜進(jìn)行調(diào)整，一般來說，所需的均衡量與電纜長度成正比。

Tx預(yù)加重

發(fā)射預(yù)加重功能通過在每個(gè)轉(zhuǎn)換后的第一位吸收額外電流，增加給定電容下的轉(zhuǎn)換速率，有助于在使用較長/較高電容的電纜時(shí)保持轉(zhuǎn)換速率。預(yù)加重由寄存器0x06的位7:4控制，范圍從最小0mA（無預(yù)加重）到1.875mA（最大預(yù)加重）。

PLL帶寬

2位的PLL帶寬寄存器控制用于恢復(fù)輸入時(shí)鐘信號的PLL的環(huán)路帶寬。默認(rèn)的4MHz設(shè)置在大多數(shù)應(yīng)用中表現(xiàn)良好，但對于一些邊緣信號源，1MHz的較低帶寬可能會(huì)提供更好的性能。

典型性能與測試

通過實(shí)際的測試設(shè)置和眼圖分析，可以直觀地看到這些產(chǎn)品的性能表現(xiàn)。在測試中，當(dāng)信號經(jīng)過長電纜傳輸后，眼圖可能無法滿足HDMI或DVI標(biāo)準(zhǔn)的要求，導(dǎo)致顯示器無法正常顯示圖像。而插入ISL54100后，輸出信號變得極其干凈，在幅度和抖動(dòng)方面都有明顯改善，經(jīng)過另一段長電纜后，眼圖仍然能夠滿足要求，顯示器可以正常顯示圖像。

Tx負(fù)載考慮與PCB布局建議

Tx負(fù)載考慮

當(dāng)ISL54100上電且Tx輸出禁用時(shí)，Tx引腳為高阻抗，不會(huì)從連接的TMDS接收器的Rx引腳吸取電流。但當(dāng)ISL54100掉電時(shí)，Tx引腳不再是高阻抗，內(nèi)部的ESD保護(hù)二極管可能會(huì)正向偏置，從外部TMDS接收器吸取電流，導(dǎo)致無法通過HDMI合規(guī)測試7 - 3。通過在$VD$電源網(wǎng)絡(luò)和$V{D_ESD}$引腳之間添加肖特基二極管，可以減少電流吸取，但仍無法完全滿足測試要求。而ISL54100A、ISL54101A和ISL54102A在使用該電路時(shí)可以完全符合測試要求。

PCB布局建議

由于TMDS信號的高速特性，精心設(shè)計(jì)的PCB布局對于最大化性能至關(guān)重要。以下是一些關(guān)鍵的布局準(zhǔn)則：

• 阻抗匹配：所有TMDS對跡線應(yīng)與電源/接地平面保持50Ω的特性阻抗，彼此之間保持100Ω的特性阻抗，以減少反射。
• 避免過孔：盡量避免在3個(gè)高速TMDS對上使用過孔，因?yàn)檫^孔會(huì)增加電感，導(dǎo)致跡線特性阻抗不連續(xù)。如果必須使用過孔，應(yīng)確保差分對的兩條線使用相同的過孔。
• 跡線長度匹配：對于每個(gè)TMDS通道，3個(gè)TMDS對（0、1和2）的跡線長度應(yīng)盡量相同，以減少板級引入的通道間偏移。
• 時(shí)鐘線布局：時(shí)鐘對的跡線長度不是關(guān)鍵因素，因?yàn)闀r(shí)鐘僅作為頻率參考，其相位/延遲無關(guān)緊要。此外，由于TMDS時(shí)鐘頻率是像素速率的1/10，時(shí)鐘信號本身具有更強(qiáng)的抗噪能力，因此在布線時(shí)鐘線時(shí)可以更加靈活。
• 電容最小化：盡量減少所有TMDS線上的電容，以獲得更尖銳的上升和下降時(shí)間。
• 電源旁路：每個(gè)電源應(yīng)通過0.1μF電容旁路到地，并盡量減少跡線長度和過孔，以減少電感并最大化噪聲抑制。

總結(jié)

RENESAS的ISL54100、ISL54101、ISL54102系列產(chǎn)品為TMDS信號處理提供了高性能、靈活且可靠的解決方案。通過其豐富的功能特性、良好的電氣性能和詳細(xì)的應(yīng)用指導(dǎo)，這些產(chǎn)品能夠滿足各種高清視頻傳輸應(yīng)用的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要充分考慮產(chǎn)品的特點(diǎn)和要求，合理進(jìn)行引腳和寄存器配置，優(yōu)化PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。你在使用這些產(chǎn)品的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。