차동 신호란 무엇입니까?작동 원리, EMI 감소 및 용도

차동 신호는 현대 전자 시스템에서 잡음 내성을 향상시키고 EMI를 줄이며 안정적인 고속 통신을 유지하는 데 사용되는 신호 전송 방법입니다.접지를 참조하는 하나의 신호 라인을 통해 데이터를 전송하는 대신 두 개의 보완 신호를 사용하여 둘 사이의 전압 차이를 측정합니다.이 기사에서는 차동 신호의 작동 방식, 공통 모드와 차동 모드 신호의 차이점, 단일 종단 신호와 비교하는 방법, 잡음 및 전자기 간섭을 줄이는 이유, 임피던스, 터미네이션, PCB 라우팅 및 신호 무결성이 실제 성능에 미치는 영향에 대해 설명합니다.또한 USB, 이더넷, RS-485, CAN 버스, LVDS, HDMI, PCIe 및 SATA와 같은 일반적인 차동 신호 표준을 다루고 있습니다.

카탈로그

그림 1: 차동 신호

차동 신호란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

차동 신호는 접지를 기준으로 하는 단일 신호 대신 두 개의 상보 신호를 사용하여 데이터를 전송하는 방법입니다.수신기는 두 라인 사이의 전압 차이를 측정하여 외부 방해에 대한 전송 저항을 강화합니다.신뢰성으로 인해 차동 신호는 USB, 이더넷, HDMI, PCIe, SATA 및 CAN 버스와 같은 통신 표준에 널리 사용됩니다.

차동 쌍은 동일하지만 반대 신호를 전달합니다.한 선이 양수로 변하면 다른 선도 같은 양만큼 음수가 됩니다.수신기는 전송된 데이터를 식별하기 위해 쌍 사이의 전압 차이를 감지합니다.원치 않는 간섭은 일반적으로 두 라인 모두에 유사하게 영향을 미치므로 신호가 처리되기 전에 대부분의 교란이 제거됩니다.

이 신호 방식은 전자기 복사를 줄이는 데도 도움이 됩니다.쌍의 전류는 반대 방향으로 흐르므로 전자기장의 일부가 서로 상쇄됩니다.이는 전송 품질을 향상시키고 현대 전자 시스템에서 빠른 데이터 전송을 지원합니다.

공통 모드 및 차동 모드 신호

차동 신호 시스템에서 신호는 일반적으로 차동 모드 신호 또는 공통 모드 신호로 분석됩니다. 둘 다 서로 다른 방식으로 신호 무결성과 통신 성능에 영향을 미치기 때문입니다.고속 PCB 설계, 이더넷 통신, USB 인터페이스, CAN 버스 시스템 및 잡음 내성이 중요한 기타 고속 전자 회로에서는 이러한 두 신호 유형의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.

신호 유형	설명	주요 효과
차동 모드 신호	반대쪽 두 개 유용한 데이터를 전달하는 신호	활성화 안정적인 데이터 전송
공통 모드 신호	동일한 전압 두 도체 모두에 나타납니다.	보통 원치 않는 소음을 나타냅니다

차동 모드 신호는 차동 쌍을 통해 전송되는 실제 데이터 신호입니다.한 신호선의 전압이 증가하면 다른 신호선도 같은 양만큼 감소합니다.수신기는 전송된 정보를 정확하게 복구하기 위해 쌍 사이의 전압 차이를 측정합니다.

공통 모드 신호는 두 도체 모두 접지에 대해 동일한 전압 변화를 경험할 때 발생합니다.이는 일반적으로 전자기 간섭, 스위칭 노이즈 또는 근처 회로의 결합으로 인해 발생합니다.동일한 원치 않는 신호가 두 라인 모두에 나타나기 때문에 차동 수신기는 공통 모드 잡음 제거를 통해 자동으로 많은 간섭을 제거할 수 있습니다.

차동 신호와 단일 종단 신호

그림 2: 차동 신호와 단일 종단 신호

특징	차동 신호 보내기	단일 종단 신호 보내기
신호 전송	2개를 사용한다 보완 신호	하나를 사용 접지를 참조하는 신호
소음 면역력	매우 높음	낮은
EMI 방출	낮은 전자기 방사선	더 높음 전자기 방사선
신호 무결성	더보기 고주파수에서 일관됨	더보기 방해에 민감하다
전송 거리	더 나은 더 먼 거리	더 제한적
데이터 속도 능력	적합 빠른 의사소통	더 나은 저속 신호
PCB 라우팅 복잡성	필요하다 차등 라우팅	더 간단하다 라우팅
공통 응용	USB, 이더넷, CAN, PCIe, HDMI	GPIO, SPI, UART

차동 신호는 긴 PCB 트레이스와 케이블에서 더 나은 전송 품질을 유지하기 때문에 빠른 통신 시스템에 일반적으로 선택됩니다.신호 정확도와 타이밍 안정성이 중요한 환경에서 특히 유용합니다.

단일 종단 신호는 더 간단하고 비용 효율적이기 때문에 내장형 전자 장치에서 여전히 인기가 높습니다.저속 센서, GPIO 라인 및 기본 제어 인터페이스에는 차동 쌍이 필요하지 않은 경우가 많습니다.엔지니어는 일반적으로 속도, 거리, 라우팅 복잡성 및 시스템 요구 사항에 따라 두 가지 접근 방식 중 하나를 선택합니다.

차동 신호가 잡음과 EMI를 줄이는 이유

차동 신호 처리가 잘 수행되는 한 가지 이유는 외부 간섭의 영향을 줄이는 능력 때문입니다.두 개의 트레이스가 서로 가깝게 라우팅되므로 근처의 전기 교란이 두 라인에 비슷하게 영향을 미치는 경향이 있습니다.수신기는 쌍 사이의 전압 차이에만 초점을 맞춰 원본 데이터를 보존하는 데 도움을 줍니다.

또한 차동 쌍은 많은 단일 종단 연결보다 전자기 복사를 적게 방출합니다.반대 전류 흐름으로 인해 전자기장의 일부가 서로 상쇄되어 인근 회로와의 간섭을 최소화하는 데 도움이 됩니다.이는 여러 개의 빠른 통신 채널을 포함하는 소형 장치에서 중요해집니다.

연선 케이블은 케이블 길이를 따라 두 도체를 거의 동일한 환경 조건에 노출시켜 이 효과를 더욱 향상시킵니다.이것이 이더넷과 많은 산업 통신 시스템이 신뢰할 수 있는 장거리 데이터 전송을 위해 꼬인 차동 쌍에 의존하는 이유입니다.

차동 임피던스 및 종단

고속 차동 신호 시스템에서는 안정적인 신호 전송과 양호한 신호 무결성을 유지하기 위해 차동 임피던스와 적절한 터미네이션이 중요합니다.신호 속도가 증가함에 따라 PCB 트레이스와 통신 케이블은 단순한 전선이 아닌 전송선처럼 동작하기 시작합니다.이로 인해 임피던스 불일치로 인해 반사, 링잉, 파형 왜곡 및 통신 오류가 발생할 수 있습니다.

차동 임피던스는 차동 쌍의 두 도체 사이에서 측정된 임피던스입니다.트레이스 폭, 트레이스 간격, PCB 재질, 접지면까지의 거리 등의 요인에 따라 달라집니다.안정적인 고속 통신을 유지하려면 차동 임피던스가 전체 신호 경로에서 일정하게 유지되어야 합니다.

다양한 통신 인터페이스는 설계 요구 사항에 따라 다양한 임피던스 값을 사용합니다.

차동 쌍을 따라 임피던스가 변경되면 신호의 일부가 소스쪽으로 다시 반사될 수 있습니다.이러한 반사는 특히 고속 PCB 설계에서 신호를 왜곡하고 통신 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

종단은 부하 임피던스를 전송선 임피던스에 일치시켜 이러한 반사를 줄이는 데 도움이 됩니다.많은 차동 신호 시스템에서는 신호 에너지를 적절하게 흡수하고 파형 품질을 향상시키기 위해 수신기 근처에 종단 저항기가 배치됩니다.

PCB 라우팅은 차동 임피던스와 종단 성능에도 영향을 미칩니다.잘못된 트레이스 간격, 과도한 비아, 부적절한 접지, 일관되지 않은 라우팅은 신호 무결성에 부정적인 영향을 미치는 임피던스 불일치를 유발할 수 있습니다.이 때문에 고속 PCB 설계에서는 안정적인 통신 성능을 유지하기 위해 신중한 차동 쌍 라우팅 및 임피던스 제어가 필요합니다.

일반적인 차동 신호 표준 및 애플리케이션

표준 / 인터페이스	전형적인 차동 임피던스	메인 신청
USB 2.0 / USB 3.0	90Ω	컴퓨터 주변기기 및 데이터 전송
이더넷	100Ω	네트워킹 통신 시스템
RS-485	120Ω	산업용 통신 시스템
CAN 버스	120Ω	자동차 통신 네트워크
LVDS	100Ω	디스플레이, 카메라, FPGA 시스템
HDMI	100Ω	오디오 및 비디오 전송
PCIe	85Ω	고속 컴퓨터 인터페이스
SATA	100Ω	저장 장치 통신

많은 최신 인터페이스는 신뢰할 수 있는 고속 데이터 전송을 지원하기 때문에 차동 신호를 사용합니다.USB, PCIe, HDMI 및 SATA는 차동 쌍을 사용하여 프로세서, 그래픽 시스템, 저장 장치 및 주변 장치 간에 데이터를 교환합니다.

이더넷 네트워크는 긴 케이블 전체에서 통신 품질을 유지하기 위해 꼬인 차동 쌍을 사용합니다.산업 장비에서는 RS-485를 사용하는 경우가 많습니다. 왜냐하면 모터 및 중전기 장비 주변에서 잘 작동하기 때문입니다.자동차 전자 장치는 CAN 버스 네트워크를 사용하여 컨트롤러, 센서 및 차량 시스템 간에 데이터를 교환합니다.

LVDS는 컴팩트한 레이아웃 설계와 전자기 복사 감소가 중요한 디스플레이, 카메라, FPGA 플랫폼에서 흔히 볼 수 있습니다.

실제 전자 시스템의 차동 신호

컴퓨터 및 고속 인터페이스

최신 컴퓨팅 플랫폼은 프로세서, 저장 장치, 그래픽 하드웨어 및 주변 장치 간의 통신을 위해 차동 신호를 사용합니다.USB, PCIe, SATA, HDMI 및 DisplayPort와 같은 인터페이스는 차동 쌍을 사용하여 파형 왜곡을 줄이면서 신속한 데이터 교환을 지원합니다.

네트워킹 및 통신 시스템

이더넷 통신은 꼬인 차동 쌍을 사용하여 긴 케이블을 통한 안정적인 데이터 전송을 지원합니다.라우터, 스위치 및 서버를 포함한 네트워킹 장비는 까다로운 작동 조건에서 향상된 전송 일관성의 이점을 얻습니다.

자동차 전자

차량 전자 장치에는 점화 시스템, 모터 및 전원 제어 회로를 비롯한 다양한 전자기 활동 소스가 포함되어 있습니다.CAN 버스 차동 통신은 제동 시스템, 엔진 컨트롤러, 센서 및 온보드 모듈 간의 정확한 데이터 교환을 유지하는 데 도움이 됩니다.

산업 자동화 시스템

산업 시설에는 통신 신호를 방해할 수 있는 중장비 및 스위칭 장비가 포함되어 있는 경우가 많습니다.RS-485와 같은 차동 인터페이스는 안정적인 장거리 통신을 지원하기 때문에 PLC 시스템, 로봇공학, 산업 모니터링 장치, 공장 자동화 네트워크에 널리 사용됩니다.

디스플레이, 카메라, 임베디드 시스템

디스플레이 시스템, 이미지 센서, FPGA 보드 및 임베디드 장치는 종종 차동 통신을 사용하여 컴팩트한 레이아웃과 효율적인 데이터 전송을 지원합니다.LVDS와 같은 기술은 전자기 복사 감소와 빠른 신호 전송이 필요한 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다.

차동 쌍 라우팅 및 신호 무결성

PCB 레이아웃 품질은 차동 신호 성능에 중요한 역할을 합니다.차동 쌍의 두 트레이스는 서로 가깝게 유지되고 일치하는 길이를 유지하여 두 신호가 거의 동시에 수신기에 도착하도록 해야 합니다.길이가 동일하지 않으면 왜곡 및 타이밍 관련 문제가 발생할 수 있습니다.

임피던스 불연속으로 인해 반사와 파형 왜곡이 발생할 수 있으므로 제어된 임피던스 라우팅도 중요합니다.많은 통신 표준에서는 인터페이스 유형에 따라 90Ω 또는 100Ω과 같은 특정 차동 임피던스 값을 요구합니다.적절한 종단은 전송 경로를 따라 반사를 줄이는 데 도움이 됩니다.

잘못된 라우팅 방식으로 인해 누화, 링잉, 신호 손실 및 전자기 간섭이 발생할 수 있습니다.과도한 비아, 일관되지 않은 간격, 손상된 반환 경로 및 날카로운 라우팅 모서리는 빠른 통신 시스템에서 전반적인 전송 품질을 저하시킬 수 있습니다.

문제	일반적인 원인	효과
반사	임피던스 불일치	신호 왜곡
누화	불량한 추적 간격	소음 커플링
스큐	불평등한 추적 길이	타이밍 오류
EMI	나쁨 접지 또는 라우팅	커뮤니케이션 불안정
벨소리	부적절 해고	불안정 파형

엔지니어는 일반적으로 오실로스코프, 아이 다이어그램 및 신호 무결성 시뮬레이션을 사용하여 차동 통신 링크를 평가하고 문제를 해결합니다.

차동 신호의 실제 이점

더 나은 소음 내성

차동 신호는 스위칭 회로, 모터 및 기타 전자기 활동 소스가 포함된 환경에서도 통신 시스템이 계속해서 정확하게 작동하는 데 도움이 됩니다.

소형 전자 시스템의 EMI 감소

전자기 방사가 감소하면 근처 회로가 간섭 관련 문제가 덜 발생하면서 작동할 수 있으므로 소형 PCB 레이아웃 및 내장형 장치에 차동 신호가 유용하게 됩니다.

더욱 안정적인 고속 통신

차동 쌍은 고주파수에서 작동하는 고속 통신 인터페이스에서 더 깨끗한 파형을 유지하고 전송 오류를 줄이는 데 도움이 됩니다.

향상된 장거리 전송

차동 통신은 외부 방해 및 신호 저하에 대한 민감도를 줄여 긴 PCB 트레이스 및 케이블 전반에 걸쳐 보다 안정적인 데이터 전송을 지원합니다.

산업 및 자동차 환경에서 더 높은 신뢰성

공장 장비, 자동차 전자 장치 및 전력 시스템은 종종 가혹한 전기 조건에서 작동합니다.차동 인터페이스는 모터, 스위칭 장치 및 중장비로 인해 발생하는 간섭에도 불구하고 안정적인 통신을 유지하는 데 도움이 됩니다.

결론

차동 신호는 신호 무결성을 향상시키고 전자기 간섭을 줄이며 안정적인 고속 데이터 통신을 지원하기 때문에 현대 전자 시스템에서 널리 사용됩니다.두 개의 보완 신호를 통해 데이터를 전송함으로써 외부 노이즈의 영향을 최소화하는 동시에 PCB 트레이스와 케이블 전체에서 보다 깨끗한 파형 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다.USB, 이더넷, PCIe, HDMI, RS-485, CAN 버스 및 LVDS와 같은 기술은 신뢰할 수 있는 데이터 전송이 중요한 컴퓨팅, 네트워킹, 자동차, 산업 및 임베디드 애플리케이션에서 안정적인 작동을 위해 차동 통신을 사용합니다.