단일 종단 및 차동 신호

단일 종단 시그널링

단일 종단 신호는 발신자에서 수신자로 전기 신호를 전송하는 간단하고 일반적인 방법입니다. 전기 신호는 고정 전위(일반적으로 "접지"라고 하는 0V 노드)를 참조하는 전압(종종 가변 전압)에 의해 전송됩니다.

 

하나의 컨덕터는 신호를 전달하고 하나의 컨덕터는 공통 기준 전위를 전달합니다. 신호와 관련된 전류는 송신기에서 수신기로 이동하고 접지 연결을 통해 전원 공급 장치로 돌아갑니다. 여러 신호가 전송되는 경우 회로에는 각 신호에 대해 하나의 도체와 하나의 공유 접지 연결이 필요합니다. 따라서, 예를 들어, 16개의 도체를 사용하여 17개의 신호를 전송할 수 있다.

 

단일 종단 토폴로지

차동(디퍼런셜) 시그널링

단일 종단 신호보다 덜 일반적인 차동 신호는 하나의 정보 신호를 전송하기 위해 두 개의 보완 전압 신호를 사용합니다. 따라서 하나의 정보 신호에는 한 쌍의 도체가 필요합니다. 하나는 신호를 전달하고 다른 하나는 반전된 신호를 전달합니다.

 

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단일 종단 vs. 차동: 일반 타이밍 다이어그램

 

 

수신기는 반전된 신호와 반전되지 않은 신호 사이의 전위차를 감지하여 정보를 추출합니다. 두 전압 신호는 "균형"되어 있으며, 이는 공통 모드 전압에 대해 동일한 진폭과 반대 극성을 갖는다는 것을 의미합니다. 이러한 전압과 관련된 반환 전류도 균형을 이루므로 서로 상쇄됩니다. 이러한 이유로 차동 신호는 접지 연결을 통해 흐르는 전류가 (이상적으로는) 0이라고 말할 수 있습니다.

 

차동 신호를 사용하면 발신자와 수신자가 반드시 공통 접지 참조를 공유하지는 않습니다. 그러나 차동 신호를 사용한다고 해서 송신기와 수신기 간의 접지 전위 차이가 회로 작동에 영향을 미치지 않는다는 의미는 아닙니다.

 

여러 신호가 전송되는 경우 모든 신호에 대해 두 개의 도체가 필요하며 모든 신호가 차동인 경우에도 접지 연결을 포함하는 것이 필요하거나 최소한 유익합니다. 따라서 예를 들어 16개의 신호를 전송하려면 33개의 컨덕터가 필요합니다(단일 종단 전송의 경우 17개). 이는 차동 신호의 명백한 단점을 보여줍니다.

 

 

디퍼런셜 시그널링 토폴로지

 

차동 신호의 이점

 

반환 전류 없음

(이상적으로는) 반환 전류가 없기 때문에 접지 기준이 덜 중요해집니다. 접지 전위는 발신자와 수신자에서 다르거나 특정 허용 범위 내에서 이동할 수도 있습니다. 그러나 DC 커플링된 차동 신호(예: USB, RS-485, CAN)는 일반적으로 신호가 인터페이스의 최대 및 최소 허용 공통 모드 전압 내에 유지되도록 하기 위해 공유 접지 전위가 필요하기 때문에 주의해야 합니다.

 

유입 EMI 및 누화에 대한 내성

EMI(전자기 간섭) 또는 누화(즉, 주변 신호에 의해 생성된 EMI)가 차동 도체 외부에서 유입되면 반전 신호와 반전되지 않은 신호에 동일하게 추가됩니다. 수신기는 단일 종단(즉, 접지 기준) 전압이 아닌 두 신호 사이의 전압 차이에 응답하므로 수신기 회로는 간섭 또는 누화의 진폭을 크게 줄입니다.

이것이 차동 신호가 EMI, 누화 또는 차동 쌍의 두 신호에 결합되는 기타 잡음에 덜 민감한 이유입니다.

 

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방출 EMI 및 누화 감소

디지털 신호의 상승 및 하강 에지와 같은 급격한 전환은 상당한 양의 EMI를 생성할 수 있습니다. 단일 종단 신호와 차동 신호 모두 EMI를 생성하지만 차동 쌍의 두 신호는 크기가 (이상적으로는) 동일하지만 극성이 반대인 전자기장을 생성합니다. 이것은 두 도체 사이의 근접성을 유지하는 기술(예: 트위스트 페어 케이블 사용)과 함께 두 도체의 방출이 서로를 크게 상쇄하도록 합니다.

 

저전압 작동

단일 종단 신호는 적절한 신호 대 잡음비(SNR)를 보장하기 위해 상대적으로 높은 전압을 유지해야 합니다. 일반적인 단일 종단 인터페이스 전압은 3.3V 및 5V입니다. 잡음에 대한 저항이 향상되었기 때문에 차동 신호는 더 낮은 전압을 사용하면서도 적절한 SNR을 유지할 수 있습니다. 또한, 차동 시그널링의 SNR은 차동 수신기의 다이내믹 레인지가 차동 쌍 내의 각 신호의 다이내믹 레인지보다 <>배 높기 때문에 동등한 단일 종단 구현에 비해 2배 더 자동으로 증가합니다.

 

더 낮은 신호 전압을 사용하여 데이터를 성공적으로 전송할 수 있는 기능에는 몇 가지 중요한 이점이 있습니다.

• 더 낮은 공급 전압을 사용할 수 있습니다.
• 더 작은 전압 전환
  • 방사 EMI 감소,
  • 전력 소비 감소
  • 더 높은 작동 주파수를 허용

 

높거나 낮은 상태 및 정확한 타이밍

신호가 로직 하이 또는 로직 로우 상태인지 정확히 어떻게 결정하는지 궁금해 한 적이 있습니까? 단일 종단 시스템에서는 전원 공급 장치 전압, 수신기 회로의 임계값 특성, 아마도 기준 전압 값을 고려해야 합니다. 물론 변동과 허용 오차가 있으며, 이는 논리가 높거나 낮은 논리 질문에 추가적인 불확실성을 가져옵니다.

차동 신호에서는 논리 상태를 결정하는 것이 더 간단합니다. 반전되지 않은 신호의 전압이 반전된 신호의 전압보다 높으면 로직이 높은 것입니다. 반전되지 않은 전압이 반전된 전압보다 낮으면 로직이 낮은 것입니다. 그리고 두 상태 사이의 전환은 반전되지 않은 신호와 반전된 신호가 교차하는 지점, 즉 교차 지점입니다.

이것이 차동 신호를 전달하는 와이어 또는 트레이스의 길이를 일치시키는 것이 중요한 이유 중 하나입니다. 타이밍 정밀도를 극대화하기 위해 크로스오버 지점이 로직 전이와 정확히 일치하기를 원하지만, 쌍의 두 컨덕터의 길이가 같지 않은 경우 전파 지연의 차이로 인해 크로스오버 지점이 이동합니다.

응용 프로그램

현재 차동 신호를 사용하는 많은 인터페이스 표준이 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• LVDS(저전압 차동 신호)
• CML(전류 모드 로직)
• RS485 시리즈
• RS422 시리즈
• 이더넷
• CAN
• USB
• 고품질 균형 잡힌 오디오

분명히, 차동 신호의 이론적 이점은 수많은 실제 응용 분야에서 실제 사용을 통해 확인되었습니다.

 

 

차동 신호를 사용하면 더 낮은 전압, 우수한 SNR, 향상된 노이즈 내성 및 더 높은 데이터 속도로 정보를 전송할 수 있습니다. 반면에 도체 수가 증가하고 시스템에는 표준 디지털 IC 대신 특수 송신기와 수신기가 필요합니다.