探索TMDS351：2.5 Gbps 3 - TO - 1 DVI/HDMI開關(guān)的卓越性能與應(yīng)用

在數(shù)字視頻接口領(lǐng)域，德州儀器（TI）的TMDS351是一款備受關(guān)注的3 - 端口數(shù)字視頻接口（DVI）或高清多媒體接口（HDMI）開關(guān)。今天，我們就來深入探討一下TMDS351的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵要點(diǎn)。

文件下載：tmds351.pdf

一、TMDS351的主要特性

電源供應(yīng)

• TMDS I/O電源：TMDS I/O采用3.3V固定電源供電，確保了與HDMI 1.3a的兼容性。
• 其他電路電源：HPD、DDC和源選擇電路則由5V固定電源供電，為這些重要電路提供穩(wěn)定的電力支持。

信號(hào)處理能力

• 高帶寬支持：支持2.5 Gbps的信號(hào)傳輸速率，能夠?qū)崿F(xiàn)480i/p、720i/p和1080i/p分辨率，最高可達(dá)12位色彩深度，滿足了高清視頻傳輸?shù)男枨蟆?/li>
• 低信號(hào)偏差：內(nèi)部的信號(hào)處理電路保證了極低的內(nèi)部和外部信號(hào)偏差，其中內(nèi)部對(duì)偏差小于40ps，外部對(duì)偏差小于65ps，確保了圖像的清晰和穩(wěn)定。

封裝與環(huán)保特性

• 封裝形式：采用64引腳的TQFP封裝，便于在電路板上進(jìn)行布局和焊接。
• 環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)：符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠承受260°C的回流焊溫度，適應(yīng)環(huán)保和工業(yè)生產(chǎn)的要求。

其他特性

• 集成接收器終端：每個(gè)TMDS接收器輸入都集成了上拉至VCC的50Ω終端電阻，無需外部終端電阻，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 可選擇的接收器均衡：提供了兩種級(jí)別的接收器輸入均衡，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的輸入電纜，確保信號(hào)的質(zhì)量。

二、TMDS351的應(yīng)用場(chǎng)景

TMDS351的高性能使其在多種數(shù)字視頻設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，主要包括數(shù)字電視和數(shù)字投影儀等。在這些設(shè)備中，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)DVI或HDMI端口的切換，為用戶提供更多的信號(hào)輸入選擇。

三、TMDS351的詳細(xì)工作原理

端口切換功能

TMDS351允許最多3個(gè)DVI或HDMI端口切換到單個(gè)顯示終端。每個(gè)端口支持四個(gè)TMDS通道、一個(gè)熱插拔檢測(cè)器和一個(gè)數(shù)字顯示控制（DDC）接口。通過控制引腳S1和S2的不同電平組合，可以實(shí)現(xiàn)不同端口的選擇和特定功能的開啟。例如，當(dāng)S1為高電平且S2為低電平時(shí)，所有輸入終端斷開，TMDS輸入呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，內(nèi)部MOSFET關(guān)閉以禁用DDC鏈接，所有HPD輸出連接到HPD_SINK，從而啟動(dòng)HDMI物理地址發(fā)現(xiàn)過程。

信號(hào)處理與均衡

• 終端電阻：內(nèi)部集成的50Ω終端電阻確保了信號(hào)的匹配和穩(wěn)定傳輸。同時(shí)，通過從VSADJ引腳外部連接一個(gè)精密電阻到地，可以設(shè)置差分輸出電壓，使其符合TMDS標(biāo)準(zhǔn)。
• 接收器均衡：每個(gè)TMDS接收器都擁有頻率響應(yīng)均衡電路，提供兩種級(jí)別的輸入均衡，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的電纜。當(dāng)EQ設(shè)置為低電平時(shí)，接收器適用于符合HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的電纜；當(dāng)EQ設(shè)置為高電平時(shí)，適用于10米長(zhǎng)的28 AWG HDMI電纜。

四、設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)

電源供應(yīng)設(shè)計(jì)

• TMDS電路電源：為TMDS電路和輸出終端電壓提供相同的3.3V電源，有助于減少ESD保護(hù)電路的泄漏電流。在數(shù)字電視處于待機(jī)模式時(shí)，統(tǒng)一控制3.3V電源的開關(guān)，可以進(jìn)一步降低設(shè)備和接收器的泄漏電流。
• 備用電源：5V的備用電源VDD為HPD、DDC和大部分控制邏輯供電，確保在待機(jī)模式下這些電路仍能正常工作。

TMDS輸入設(shè)計(jì)

• 輸入均衡：利用可選擇的頻率響應(yīng)均衡電路，支持短距離和長(zhǎng)距離電纜連接。根據(jù)不同的電纜長(zhǎng)度，合理設(shè)置EQ引腳的電平，以獲得最佳的信號(hào)質(zhì)量。
• 輸入故障保護(hù)：由于TMDS輸入沒有內(nèi)置故障保護(hù)電路，為了防止輸出振蕩，可以通過外部偏置輸入引腳。例如，將一個(gè)引腳通過1kΩ電阻上拉至VCC，另一個(gè)引腳接地。

TMDS輸出設(shè)計(jì)

• 輸出擺動(dòng)控制：推薦使用4.02kΩ的10%精密電阻來控制輸出擺動(dòng)，使其符合HDMI標(biāo)準(zhǔn)的400mV至600mV范圍（典型值為500mV）。
• 待機(jī)模式：在待機(jī)模式下（S1為高電平且S2為低電平），TMDS輸出呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，減少了不必要的功耗。

HPD和DDC設(shè)計(jì)

• HPD引腳：HPD電路由5V電源供電，輸出5V TTL信號(hào)，典型輸出電阻為1kΩ，無需外部1kΩ電阻。選中源端口的HPD輸出跟隨HPD_SINK輸入的邏輯電平，未選中的HPD輸出保持低電平。在待機(jī)模式下，所有HPD輸出跟隨HPD_SINK。
• DDC通道：DDC電路由5V電源供電，I/O引腳可直接連接到5V終端電壓。推薦在SCL1、SCL2和SCL3引腳上使用47kΩ上拉電阻到5V，SDA引腳則不需要上拉電阻。

布局設(shè)計(jì)

• 高速差分信號(hào)：TMDS的高速差分輸入是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵路徑，需要保持100Ω的差分傳輸線阻抗，確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。
• 接地平面：在高速I/O下方保持不間斷的接地平面，減少信號(hào)干擾。
• 信號(hào)路徑：盡量縮短連接器和設(shè)備之間的TMDS信號(hào)走線長(zhǎng)度，降低信號(hào)損耗。

五、TMDS351在不同CEC鏈接需求系統(tǒng)中的應(yīng)用

支持被動(dòng)CEC鏈接的DTV

在這種情況下，DTV本身不具備處理CEC信號(hào)的能力，但允許CEC信號(hào)通過CEC總線。源選擇由DTV的控制命令完成，用戶無法通過CEC總線上的音頻/視頻產(chǎn)品強(qiáng)制發(fā)出命令。選中的源在接收到斷言的HPD信號(hào)后讀取E - EDID數(shù)據(jù)，微控制器通過S1和S2引腳在切換源時(shí)加載不同的CEC物理地址。

支持主動(dòng)CEC鏈接的DTV

• CEC功能要求：所有源必須有自己的CEC物理地址，以支持CEC鏈接的完整功能。源在接收到HPD反饋的邏輯高電平時(shí)，讀取其E - EDID內(nèi)存中存儲(chǔ)的CEC物理地址。當(dāng)HPD為高電平時(shí)，保持分配給接收器的CEC物理地址；當(dāng)HPD為低電平時(shí)，源將CEC物理地址值設(shè)置為(F.F.F.F)。
• 不同耦合方式的源處理
  • 交流耦合源：當(dāng)源的TMDS線為交流耦合或無法檢測(cè)到接收器提供的TMDS終端時(shí)，源選擇的指示只能來自HPD信號(hào)，此時(shí)TMDS351的HPD1引腳應(yīng)直接作為HPD信號(hào)反饋給源。
  • 直流耦合源：有兩種方法通知源它是接收器的活動(dòng)源，一是檢查來自接收器的HPD信號(hào)，二是檢查接收器中的終端條件。在全CEC操作模式下，HPD信號(hào)為高電平，無論端口是否被選中，源都會(huì)加載并保持CEC物理地址。

待機(jī)模式下的E - EDID讀取配置

• 默認(rèn)情況：在DTV系統(tǒng)處于待機(jī)模式時(shí)，由于1kΩ下拉電阻使HPD_SINK輸入保持邏輯低電平，所有HPD引腳輸出邏輯低電平，源不會(huì)讀取E - EDID數(shù)據(jù)。
• 特殊需求配置：如果需要在系統(tǒng)待機(jī)模式下讀取E - EDID數(shù)據(jù)，可以按照以下步驟操作：首先，為TMDS351的VCC和HDMI接收器的TMDS線終端提供相同的3.3V電源；然后，關(guān)閉VCC，保持VDD開啟，此時(shí)TMDS電路關(guān)閉，但HPD、DDC和源選擇電路仍然活躍；最后，設(shè)置S1和S2選擇允許讀取E - EDID內(nèi)存的源端口。

六、總結(jié)

TMDS351作為一款高性能的DVI/HDMI開關(guān)，憑借其豐富的功能和出色的性能，在數(shù)字視頻設(shè)備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮其工作原理和各種特性，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，可以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和高質(zhì)量的視頻傳輸。希望通過本文的介紹，能為電子工程師們?cè)谑褂肨MDS351進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。