Как найти обрыв в HDMI-тракте и не сойти с ума при диагностике TMDS

Телевизор показывает чёрный экран. Монитор не реагирует. Источник сигнала исправен, кабель новый, настройки правильные, а изображения нет. Многие в этот момент грешат на прошивку, настройки разрешения или загадочные HDCP-конфликты. Но куда чаще виновник прячется там, где его меньше всего ожидают: в физическом слое HDMI-тракта, в маленьких дифференциальных парах TMDS, которые несут картинку через разъём, кабель или плату. Найти обрыв в таком тракте без понимания его архитектуры невозможно. Зато с пониманием это становится вполне решаемой задачей.

Что такое TMDS и почему обрыв в паре так опасен

TMDS расшифровывается как Transition Minimized Differential Signaling, что в вольном переводе означает "дифференциальная передача с минимизацией переходов". Каждый канал HDMI содержит четыре таких пары: три передают данные (Data0, Data1, Data2) и одна несёт тактовый сигнал (Clock). Внутри каждой пары бегут два провода: прямой (обозначается символом "+") и инверсный ("-"). Данные кодируются разностью напряжений между ними, а не абсолютным уровнем относительно земли. Именно поэтому TMDS так устойчив к синфазным помехам: то, что одинаково наводится на оба провода пары, приёмником просто вычитается и исчезает.

Физический уровень TMDS работает с токовой логикой CML, согласованной на 3.3 В. Дифференциальный импеданс пары должен составлять ровно 100 Ом плюс-минус 10%, а одиночный провод в паре удерживается на уровне 50 Ом. Размах дифференциального напряжения при нормальной работе находится в пределах от 150 до 800 мВ, типовое значение около 500 мВ. Скорость нарастания переднего фронта при этом составляет порядка 100 пикосекунд.

Теперь понятно, почему обрыв одного провода в паре настолько критичен. Если проводник Data0+ оборван, а Data0- цел, приёмник получает не дифференциальный сигнал, а хаотичный шум. Картинки нет. Причём характер неисправности может быть любым: полный чёрный экран, мерцание, артефакты на части экрана, потеря звука при сохранении изображения. Это зависит от того, какая именно пара повреждена и насколько.

Структура разъёма и где прячутся типичные обрывы

Стандартный HDMI Type A содержит 19 контактов. Расположены они в два ряда, верхний содержит 9 пинов, нижний 10. Пары TMDS занимают конкретные позиции: Data2 занимает пины 1, 2 и 3 (плюс, экран, минус), Data1 сидит на пинах 4, 5, 6, Data0 на пинах 7, 8, 9, Clock на пинах 10, 11, 12. Оставшиеся пины отданы под CEC, DDC (I2C для EDID), HPD (Hot Plug Detect), питание 5В и массу.

Обрывы концентрируются в нескольких предсказуемых местах. Первое и самое распространённое: зона перехода кабеля в разъём. Именно здесь многократный изгиб постепенно разрушает тонкие жилы. Диаметр сигнального проводника внутри HDMI-кабеля составляет от 0.1 до 0.2 мм, это почти волос. Второе место: сама пайка контактов разъёма на плате телевизора или монитора. Под микроскопом нередко видно, как контакт держится буквально на нитке припоя, механически отслоившейся от площадки. Третье: переходные отверстия (vias) на многослойной плате в местах, где трасса TMDS меняет слой.

Первый шаг диагностики. Что можно сделать тестером

Мультиметр в режиме прозвонки является первым и самым доступным инструментом. Работает это так: щупы подключаются к двум концам кабеля или к соответствующим точкам платы, и прибор проверяет целостность каждого проводника. Если цепь замкнута, прибор издаёт звуковой сигнал или показывает сопротивление, близкое к нулю. Если обрыв, мультиметр показывает бесконечность.

Прозвонка кабеля HDMI требует аккуратности в одном важном моменте: проверять нужно попарно, соблюдая распиновку. На одном конце кабеля щуп касается пина Data0+, на другом конце тот же пин Data0+. Затем проверяется Data0-, затем Data0 Shield. И так для каждой из четырёх пар. Перепутать пины легко, разъём маленький, а шаг контактов составляет примерно 0.4-0.5 мм. Именно здесь нужна лупа или простой визуальный контроль с увеличением, чтобы щуп попал именно туда, куда нужно.

Прозвонкой выявляются три типа дефектов:

1. Полный обрыв: цепь не звонится вообще, сопротивление бесконечно.
2. Частичный контакт: сопротивление нестабильно, при изгибе кабеля показания мультиметра меняются. Это говорит о надломленном, но ещё не полностью оторванном проводнике.
3. Замыкание между проводами: мультиметр прозванивает пины, которые звониться не должны. Это особенно опасно, потому что короткое замыкание в TMDS-паре уничтожает сигнал немедленно и полностью.

Ограничение тестера очевидно: он проверяет только постоянный ток. Высокочастотные эффекты, рост сопротивления на частотах нескольких гигагерц, нарушение импеданса пары, скин-эффект, мультиметр не увидит. Но для поиска механических обрывов этого вполне достаточно.

Микроскоп в деле. Визуальная диагностика платы

Если мультиметр не нашёл обрыва, но сигнал всё равно отсутствует, настаёт время смотреть. Не просто смотреть, а смотреть с увеличением.

Стереомикроскоп или USB-микроскоп с увеличением от 20 до 60 крат позволяет разглядеть то, что невооружённым глазом принципиально невидимо. Типичная картина повреждённой пайки TMDS-разъёма на плате: площадка выглядит блестящей и целой, но между ней и выводом разъёма проходит микротрещина. Она возникает при механическом воздействии, например когда кто-то дёрнул кабель вбок, или при термическом цикле, когда пайка потрескалась от перегрева. Без микроскопа такой дефект абсолютно невидим.

Под микроскопом проверяют несколько зон последовательно. Первая: ножки HDMI-разъёма на плате. Каждый контакт должен быть окружён равномерным галтелем припоя, без пустот, без трещин, без характерных матовых пятен холодной пайки. Холодная пайка выглядит тускло, поверхность шероховатая, а не зеркальная. Вторая зона: дорожки от разъёма до ближайших компонентов. Трассы TMDS очень узкие, примерно 0.1-0.15 мм, и при механическом воздействии на разъём они рвутся первыми. Третья зона: переходные отверстия (виасы), особенно если на плате видны следы перегрева или механического удара рядом с ними.

Профессиональный подход предполагает дополнительный инструмент: после визуального осмотра под микроскопом повреждённые участки прозванивают иглообразными щупами прямо на плате, не выпаивая разъём. Игольчатые щупы с острым концом позволяют попасть точно в нужную точку на дорожке шириной 0.1 мм.

Осциллограф и глазковая диаграмма. Диагностика сигнала вживую

Когда мультиметр показывает, что проводники целы, а изображения всё равно нет, ищут не обрыв, а деградацию сигнала. Это другая история, и здесь без осциллографа уже не обойтись.

Дифференциальный щуп подключается к паре TMDS непосредственно на плате. Лучшее место для зондирования: тестовые точки TP1 (выход источника) и TP2 (вход приёмника), которые в HDMI-спецификации определены как стандартные точки измерения. Осциллограф в режиме бесконечной персистенции накапливает тысячи переходов, и на экране строится так называемая "глазковая диаграмма" (Eye Diagram). Это суперпозиция множества отдельных битов, наложенных друг на друга по времени.

Здоровый TMDS-канал при разрешении 1080р60 работает на частоте пиксельного тактового сигнала 148.5 МГц, при этом скорость данных в каждой паре составляет 1.485 Гбит/с. Глаз диаграммы должен быть открытым: чёткий горизонтальный просвет в центре, минимальный джиттер на переходах, размах сигнала в допустимых пределах. Если глаз "закрывается", джиттер избыточен, или уровни выходят за маску, сигнал деградировал. Возможные причины: потери в кабеле, нарушение импеданса, перекрёстные помехи между парами, или уставший TMDS-трансивер на плате источника.

Спецификация HDMI жёстко нормирует временные параметры. Внутрипарный скью (разница задержек между проводами одной пары) не должен превышать 15% от времени одного бита TBIT. Межпарный скью (рассогласование между парами Data0, Data1, Data2 и Clock) ограничен 0.20 от времени одного пикселя TPIXEL. При нарушении этих норм приёмник теряет синхронизацию, и картинка пропадает даже при физически целых проводниках.

Восстановление обрыва и что будет после ремонта

Если обрыв найден в кабеле, самый надёжный путь: замена кабеля целиком. Попытка спаять HDMI-кабель в месте обрыва технически возможна, но крайне трудоёмка. Сечение жилы 0.1-0.2 мм требует острого паяльника с жалом типа "игла", хорошего флюса и, желательно, того же микроскопа. После пайки место соединения изолируется термоусадкой на каждый проводник отдельно, затем группой, и сверху заливается термоклеем для механической защиты.

Если обрыв обнаружен на плате (оторванная дорожка, трещина в пайке разъёма), ситуация сложнее, но решаемая. Трещина в пайке ликвидируется перепайкой с флюсом: жало паяльника прогревает контакт до полного расплавления старого припоя, при необходимости добавляется свежий. После пайки обязательно промывается флюс изопропиловым спиртом и проводится визуальный контроль под микроскопом: мостики между соседними контактами HDMI-разъёма с шагом 0.4 мм вполне реальны и смертельны для тракта.

Разрыв дорожки TMDS на плате восстанавливается перемычкой из провода AWG32 или AWG34. Провод прокладывается под микроскопом от начала до конца оборванного участка, лудится на площадках и припаивается. После завершения всё фиксируется каплей лака или компаунда, чтобы тонкий провод не оторвался при следующем прикосновении.

После ремонта обязательно проводится функциональная проверка: источник подключается к приёмнику и тестируется передача сигнала в максимально поддерживаемом разрешении. Если прибор доступен, повторная прозвонка всех 19 пинов подтверждает целостность тракта. Настоящая победа над обрывом TMDS выглядит просто: на экране появляется картинка, и остаётся только одна мысль: как мало всё-таки нужно этому сигналу, чтобы исчезнуть, и как много усилий, чтобы вернуть его обратно.