기본 사항: 단일 종단 및 차동 신호

먼저, 차동 신호와 그 특성을 살펴보기 전에 단일 종단 신호가 무엇인지에 대한 몇 가지 기본 사항을 배워야 합니다.

단일 종단 신호

단일 종단 신호는 발신자에서 수신자에게 전기 신호를 전송하는 간단하고 일반적인 방법입니다. 전기 신호는 고정 전위, 일반적으로 "접지"라고 하는 0V 노드를 기준으로 하는 전압(종종 가변 전압)에 의해 전송됩니다.

하나의 전도체는 신호를 전달하고 하나의 전도체는 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 있습니다.

 

단일 종단 토폴로지

차동 신호

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

 

단일 종단 대 차동: 일반 타이밍 다이어그램

 

수신기는 반전된 신호와 반전되지 않은 신호 간의 전위차를 감지하여 정보를 추출합니다. 두 전압 신호는 "균형"입니다. 즉, 공통 모드 전압에 대해 진폭이 동일하고 극성이 반대입니다. 이러한 전압과 관련된 반환 전류도 균형을 이루므로 서로 상쇄됩니다. 이러한 이유로 차동 신호는 접지 연결을 통해 흐르는 전류가 (이상적으로는) XNUMX이라고 말할 수 있습니다.

차동 신호를 사용하면 발신자와 수신자가 반드시 공통 접지 기준을 공유할 필요는 없습니다. 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 종종 필요하거나 최소한 유익합니다. 따라서 예를 들어 16개의 신호를 전송하려면 33개의 컨덕터가 필요합니다(단일 종단 전송의 경우 17개). 이것은 차동 신호의 명백한 단점을 보여줍니다.

 

차동 신호 토폴로지

차동 신호의 이점

그러나 증가된 도체 수를 보상할 수 있는 차동 신호의 중요한 이점이 있습니다.

반환 전류 없음

(이상적으로) 반환 전류가 없기 때문에 접지 기준이 덜 중요해집니다. 접지 전위는 발신자와 수신자가 다르거나 특정 허용 범위 내에서 이동할 수 있습니다. 그러나 DC 결합 차동 신호(USB, RS-485, CAN 등)는 일반적으로 신호가 인터페이스의 최대 및 최소 허용 공통 모드 전압 내에서 유지되도록 하기 위해 공유 접지 전위가 필요하므로 주의해야 합니다.

들어오는 EMI 및 누화에 대한 저항

EMI(전자기 간섭) 또는 누화(즉, 주변 신호에 의해 생성되는 EMI)가 차동 도체 외부에서 유입되면 반전 및 비반전 신호에 동일하게 추가됩니다. 수신기는 단일 종단(즉, 접지 참조) 전압이 아니라 두 신호 간의 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.

발신 EMI 및 누화 감소

디지털 신호의 상승 및 하강 에지와 같은 빠른 전환은 상당한 양의 EMI를 생성할 수 있습니다. 단일 종단 및 차동 신호는 모두 EMI를 생성하지만 차동 쌍의 두 신호는 크기가 (이상적으로) 동일하지만 극성이 반대인 전자기장을 생성합니다. 이것은 두 도체 사이의 근접성을 유지하는 기술(예: 트위스트 페어 케이블 사용)과 함께 두 도체의 방출이 서로 크게 상쇄되도록 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. 향상된 노이즈 저항으로 인해 차동 신호는 더 낮은 전압을 사용하면서도 적절한 SNR을 유지할 수 있습니다. 또한 차동 수신기의 동적 범위가 차동 쌍 내 각 신호의 동적 범위보다 두 배 높기 때문에 차동 신호의 SNR은 동등한 단일 종단 구현에 비해 자동으로 XNUMX배 증가합니다.

더 낮은 신호 전압을 사용하여 데이터를 성공적으로 전송하는 기능에는 몇 가지 중요한 이점이 있습니다.

• 더 낮은 공급 전압을 사용할 수 있습니다.
• 더 작은 전압 전환
  • 복사 EMI 감소,
  • 전력 소비를 줄이고,
  • 더 높은 작동 주파수를 허용합니다.

높음 또는 낮음 상태 및 정확한 타이밍

신호가 로직 하이 또는 로직 로우 상태인지 정확히 어떻게 결정하는지 궁금하신가요? 단일 종단 시스템에서는 전원 공급 장치 전압, 수신기 회로의 임계값 특성, 아마도 기준 전압 값을 고려해야 합니다. 물론 논리 높음 또는 논리 낮음 질문에 추가 불확실성을 가져오는 변동 및 허용 오차가 있습니다.

차동 신호에서는 논리 상태를 결정하는 것이 더 간단합니다. 반전되지 않은 신호의 전압이 반전된 신호의 전압보다 높으면 로직 하이입니다. 반전되지 않은 전압이 반전된 전압보다 낮으면 로직이 로우입니다. 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 한 가지 이유입니다. 최대 타이밍 정밀도를 위해 크로스오버 포인트가 로직 전환에 정확히 대응하기를 원하지만 쌍의 두 도체가 동일하지 않을 때 길이에 따라 전파 지연의 차이로 인해 크로스오버 지점이 이동합니다.

어플리케이션

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

• LVDS(저전압 차동 신호)
• CML(현재 모드 논리)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• 고품질 균형 오디오

분명히 차동 신호의 이론적 이점은 수많은 실제 응용 프로그램에서 실제 사용으로 확인되었습니다.

차동 트레이스 라우팅을 위한 기본 PCB 기술

마지막으로 차동 트레이스가 PCB에서 라우팅되는 방법에 대한 기본 사항을 알아보겠습니다. 차동 신호를 라우팅하는 것은 약간 복잡할 수 있지만 프로세스를 보다 간단하게 만드는 몇 가지 기본 규칙이 있습니다.

길이 및 길이 일치 - 동일하게 유지하십시오!

차동 신호는 (이상적으로) 크기가 같고 극성이 반대입니다. 따라서 이상적인 경우에는 순 귀환 전류가 접지를 통해 흐르지 않습니다. 반환 전류가 없는 것은 좋은 일이므로 가능한 한 모든 것을 이상적으로 유지하기를 원합니다. 즉, 차동 쌍의 두 트레이스에 대해 동일한 길이가 필요합니다.

신호의 상승/하강 시간이 높을수록(신호의 주파수와 혼동하지 않도록) 트레이스가 동일한 길이를 갖도록 더 많이 확인해야 합니다. 레이아웃 프로그램에는 차동 쌍에 대한 트레이스 길이를 미세 조정하는 데 도움이 되는 기능이 포함될 수 있습니다. 동일한 길이를 달성하는 데 어려움이 있는 경우 "미앤더(meander)" 기술을 사용할 수 있습니다.

 

구불구불한 흔적의 예

너비와 간격 – 일정하게 유지하십시오!

차동 도체가 가까울수록 신호의 결합이 더 좋아집니다. 생성된 EMI는 더 효과적으로 상쇄되고 수신된 EMI는 두 신호에 더 동등하게 결합됩니다. 그래서 그들을 정말 가깝게 하려고 노력하십시오.

간섭을 피하기 위해 차동 쌍 컨덕터를 인접 신호에서 최대한 멀리 라우팅해야 합니다. 트레이스의 너비와 간격은 대상 임피던스에 따라 선택해야 하며 트레이스의 전체 길이에 걸쳐 일정하게 유지되어야 합니다. 따라서 가능한 경우 트레이스는 PCB 주위를 이동할 때 평행을 유지해야 합니다.

임피던스 – 변동 최소화!

차동 신호가 있는 PCB를 설계할 때 해야 할 가장 중요한 일 중 하나는 애플리케이션의 목표 임피던스를 찾은 다음 그에 따라 차동 쌍을 배치하는 것입니다. 또한 임피던스 변동을 가능한 한 작게 유지하십시오.

차동 라인의 임피던스는 트레이스의 폭, 트레이스의 결합, 구리의 두께, PCB의 재료 및 레이어 스택업과 같은 요인에 따라 달라집니다. 차동 쌍의 임피던스를 변경하는 모든 것을 피하려고 할 때 이들 각각을 고려하십시오.

임피던스에도 영향을 미치므로 평면 레이어의 구리 영역 사이의 간격을 통해 고속 신호를 라우팅하지 마십시오. 접지면에서 불연속성을 피하십시오.

레이아웃 권장 사항 – 읽고, 분석하고, 지나치게 생각하십시오!

그리고 마지막으로 가장 중요한 것은 차동 트레이스를 라우팅할 때 수행해야 하는 매우 중요한 일입니다. 차동 신호를 보내거나 받는 칩에 대한 데이터시트 및/또는 애플리케이션 노트를 가져오고 레이아웃 권장 사항을 읽고 분석합니다. 그들을 밀접하게. 이렇게 하면 특정 디자인의 제약 조건 내에서 가능한 최상의 레이아웃을 구현할 수 있습니다.

결론

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.

오늘날 차동 신호는 LVDS, USB, CAN, RS-485 및 이더넷을 포함한 많은 표준의 일부이므로 우리 모두는 (최소한) 이 기술에 익숙해야 합니다. 실제로 차동 신호가 있는 PCB를 설계하는 경우 관련 데이터시트 및 앱 노트를 참조하고 필요한 경우 이 기사를 다시 읽으십시오!

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