深度解析RENESAS ISL54100、ISL54101、ISL54102：高性能TMDS再生器与复用器

在当今的电子设备中，高清视频传输变得越来越重要。TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）技术作为一种高速差分信号传输技术，在HDMI和DVI等接口中得到了广泛应用。而RENESAS的ISL54100、ISL54101、ISL54102系列产品，正是针对TMDS信号处理而设计的高性能再生器与复用器。今天，我们就来深入了解一下这些产品。

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产品概述

ISL54100、ISL54101、ISL54102是高性能的TMDS时序再生器和复用器。接收器为HDMI或DVI信号中的3个TMDS对分别配备了可编程均衡器和时钟数据恢复（CDR）功能。ISL54100的TMDS数据输出经过再生处理，并与再生后的TMDS时钟信号完美对齐，从而产生极其干净、低抖动的DVI/HDMI信号，可轻松被任何TMDS接收器解码。

这几款产品的设计和封装尺寸支持多种复合配置。例如，两个ISL54100可以组成一个DualLink 4:1多路复用器、一个4:2交叉点或一个8:1多路复用器。更多的ISL54100还能组成更大规模的组合。ISL54102具有2:1多路复用功能，适用于输入较少的应用场景；ISL54101则可用作电缆延长器，用于清理嘈杂/抖动的TMDS信号源，或为边缘DVI或HDMI接收器提供非常稳定的TMDS信号。此外，这些产品还通过了HDMI ATC认证，符合HDMI 1.3a标准的多项特性，包括12位深色彩、x.v.Color™以及所有HDMI 1.3音频格式和选项。

产品特性

• 多种复用功能
  • ISL54100：4:1 TMDS再生器和复用器。
  • ISL54101：1:1 TMDS再生器。
  • ISL54102：2:1 TMDS再生器和复用器。
• 时钟数据恢复与重定时功能：可作为TMDS范围扩展器使用，有效延长信号传输距离。
• 可编程预加重功能：输出驱动器上的可编程预加重功能，能够根据实际需求调整信号的驱动能力，提高信号质量。
• 通道活动检测：基于输入TMDS时钟活动进行通道活动检测，方便用户实时了解通道状态。
• 对称引脚布局：对称的引脚布局支持高性能的DualLink、4:2交叉点和8:1多路复用选项，为设计提供了更多的灵活性。
• 可编程内部终端：可编程内部50Ω、100Ω或高阻抗终端，可根据不同的应用场景进行灵活配置。
• 多种控制方式：支持独立或I²C软件控制操作，可通过硬件、软件或自动方式进行通道选择。
• 环保设计：无铅（符合RoHS标准），符合环保要求。

应用领域

这些产品广泛应用于多个领域，包括但不限于：

• KVM交换机：在多设备切换场景中，确保高清视频信号的稳定传输。
• A/V接收器：处理和切换音频/视频信号，提供高质量的视听体验。
• DVI/HDMI延长器：延长DVI/HDMI信号的传输距离，解决长距离传输信号衰减的问题。
• 电视/PC显示器/投影仪：保证输入的高清视频信号质量，提升显示效果。

电气特性

工作条件与参数

在典型的工作条件下，如$V_D = 3.3V$，像素速率为165MHz，$T_A = +25°C$，$RES_TERM = 1kΩ$，$RESBIAS = 3.16kΩ$，TMDS输出负载为50Ω，TMDS输出终端电压$V{TERM} = 3.0V$时，这些产品具有一系列特定的电气参数。

例如，最大接收时钟频率/像素速率$fDATA_MAX$典型值可达225MHz，但保证在165MHz下稳定工作；最小接收时钟频率/像素速率$fDATA_MIN$为25MHz。TMDS接收器的最小差分输入灵敏度$VSENS$典型值为50mVp-p。TMDS发射器的时钟输出总抖动$jTX_CLOCK$典型值为32ps，数据输出总抖动$jTX_DATA$典型值为52ps。

电源要求

电源电压$V_D$范围为3V至3.6V，典型值为3.3V。不同产品在正常工作和掉电模式下的电源电流有所不同。例如，ISL54100在正常工作时的电源电流典型值为435mA，在掉电模式下为20mA至26mA。

引脚与寄存器配置

引脚描述

这些产品的引脚功能丰富，涵盖了TMDS输入、输出、时钟信号、控制信号等多个方面。例如，RX系列引脚用于接收TMDS数据和时钟信号，不同的通道有对应的引脚；TX系列引脚则用于输出TMDS数据和时钟信号。此外，还有SCL、SDA等引脚用于2线接口的串行通信，ADDR[6:0]用于设置串行接口的7位地址，CH_SEL_0、CH_SEL_1用于通道选择等。

寄存器列表

产品的寄存器用于配置各种功能，如通道活动检测、通道选择、输入控制、终端控制、输出选项等。例如，寄存器0x02用于通道选择和自动通道选择功能的配置；寄存器0x03用于输入控制，包括三态未选中时钟和数据输入、活动检测模式等的设置；寄存器0x07和0x08用于控制TMDS输入的均衡量。

应用信息

复用器操作

ISL54100和ISL54102分别具有4:1和2:1的输入复用器。上电或硬件复位后，默认采用硬件通道选择方式，通过AUTO_CH_SEL和CH_SEL_x引脚进行选择。如果将AUTO_CH_SEL引脚拉高，具有活动TMDS时钟的最高优先级通道将被自动选择。也可以通过将AUTO_CH_SEL引脚接地，采用手动通道选择方式，或者通过I²C接口进行软件控制。

活动检测

通道活动检测有两种方法。原始默认方法是测量TMDS时钟输入的共模电压，但这种方法在处理弱信号时不太可靠。推荐的方法是检测TMDS时钟输入上的活动交流信号，通过寄存器0x03的相关位进行配置。为了避免在差分接收器输入电平相同时出现误检测，可以通过寄存器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输入的均衡量，每个通道有4位控制。均衡范围从最小1dB增益到800MHz时最大13dB增益，以0.8dB为增量进行调整。在实际应用中，应根据具体的DVI/HDMI发射器和电缆进行调整，一般来说，所需的均衡量与电缆长度成正比。

Tx预加重

发射预加重功能通过在每个转换后的第一位吸收额外电流，增加给定电容下的转换速率，有助于在使用较长/较高电容的电缆时保持转换速率。预加重由寄存器0x06的位7:4控制，范围从最小0mA（无预加重）到1.875mA（最大预加重）。

PLL带宽

2位的PLL带宽寄存器控制用于恢复输入时钟信号的PLL的环路带宽。默认的4MHz设置在大多数应用中表现良好，但对于一些边缘信号源，1MHz的较低带宽可能会提供更好的性能。

典型性能与测试

通过实际的测试设置和眼图分析，可以直观地看到这些产品的性能表现。在测试中，当信号经过长电缆传输后，眼图可能无法满足HDMI或DVI标准的要求，导致显示器无法正常显示图像。而插入ISL54100后，输出信号变得极其干净，在幅度和抖动方面都有明显改善，经过另一段长电缆后，眼图仍然能够满足要求，显示器可以正常显示图像。

Tx负载考虑与PCB布局建议

Tx负载考虑

当ISL54100上电且Tx输出禁用时，Tx引脚为高阻抗，不会从连接的TMDS接收器的Rx引脚吸取电流。但当ISL54100掉电时，Tx引脚不再是高阻抗，内部的ESD保护二极管可能会正向偏置，从外部TMDS接收器吸取电流，导致无法通过HDMI合规测试7 - 3。通过在$VD$电源网络和$V{D_ESD}$引脚之间添加肖特基二极管，可以减少电流吸取，但仍无法完全满足测试要求。而ISL54100A、ISL54101A和ISL54102A在使用该电路时可以完全符合测试要求。

PCB布局建议

由于TMDS信号的高速特性，精心设计的PCB布局对于最大化性能至关重要。以下是一些关键的布局准则：

• 阻抗匹配：所有TMDS对迹线应与电源/接地平面保持50Ω的特性阻抗，彼此之间保持100Ω的特性阻抗，以减少反射。
• 避免过孔：尽量避免在3个高速TMDS对上使用过孔，因为过孔会增加电感，导致迹线特性阻抗不连续。如果必须使用过孔，应确保差分对的两条线使用相同的过孔。
• 迹线长度匹配：对于每个TMDS通道，3个TMDS对（0、1和2）的迹线长度应尽量相同，以减少板级引入的通道间偏移。
• 时钟线布局：时钟对的迹线长度不是关键因素，因为时钟仅作为频率参考，其相位/延迟无关紧要。此外，由于TMDS时钟频率是像素速率的1/10，时钟信号本身具有更强的抗噪能力，因此在布线时钟线时可以更加灵活。
• 电容最小化：尽量减少所有TMDS线上的电容，以获得更尖锐的上升和下降时间。
• 电源旁路：每个电源应通过0.1µF电容旁路到地，并尽量减少迹线长度和过孔，以减少电感并最大化噪声抑制。

总结

RENESAS的ISL54100、ISL54101、ISL54102系列产品为TMDS信号处理提供了高性能、灵活且可靠的解决方案。通过其丰富的功能特性、良好的电气性能和详细的应用指导，这些产品能够满足各种高清视频传输应用的需求。在实际设计中，工程师需要充分考虑产品的特点和要求，合理进行引脚和寄存器配置，优化PCB布局，以确保系统的稳定性和性能。你在使用这些产品的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。