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Differential Signaling(디퍼런셜 시그널링)

신호를 보낼 때 일반적으로 사용되는 방법에는 두 가지가 있다. 하나는 single-ended(SE) 시그널링으로 하나의 신호선(리턴 패스 포함)을 이용하여 신호를 보내는 것이다. 다른 방법으로는 두 개의 신호선을 이용하여 보내는 것인데 differential 시그널링이라고 부른다. 디퍼런셜 시그널링에서는 하나의 라인에 신호를 보낼 때, 다른 라인에 원래 신호와 같은 크기에 반대의 극성을 갖는 신호를 같이 보낸다(이것을 odd mode라고 부른다). 디퍼런셜 시그널링은 SE 시그널링에 비해서 2 개의 선을 이용한다는 단점은 있지만, 다음과 같은 장점을 가지고 있어서 고속 신호의 전송에서 주로 이용되고 있다.

● 별도의 리턴 패스가 필요하지 않거나 임피던스 불연속에 강하다.

●  출력 드라이버의 전체 전류 소모량을 줄이고, 스위칭 노이즈를 덜 유발한다.

●  디퍼런셜 리시버는 입력 신호들의 레벨 차이에 민감하고 common-mode 시프트(shift)에는 둔감하므로 SE에 비해서 노이즈 마진이 크다.

●  신호 레벨이 2배가 되는 효과를 볼 수 있다(high gain). 따라서 신호 스윙 폭을 작게 가져갈 수 있고 결과적으로 고속화에 유리하다.

디퍼런셜 시그널링을 하려면 다음과 같은 제약 조건이 따른다. 두 개의 신호선 길이는 180도 위상 차를 유지하기 위해서 같아야 한다. 위상이 틀어질 경우 common mode 노이즈가 유발 된다. 그리고 두 신호선은 일정한 간격을 유지해야 하는데 거리가 가까울수록 커플링이 잘 되므로 유리하다. 두 신호선의 길이를 가깝게 하면 임피던스가 달라지게 되므로 임피던스를 다시 계산해야 한다.

위 그림을 보자. 임피던스가 저항 기호로 묘사되어 있지만 실제로 저항은 아니고 임피던스를 의미한다. SE로 구성되었을 경우 임피던스가 Zo 라면, 디퍼런셜 페어(differential pair)로 구성될 경우, 두 라인 사이가 충분히 멀면 Zc = ∞ 가 되어 디퍼런셜 임피던스는 2 x Zo가 된다. 그러나 2개의 라인이 가까워지면 라인간에 커플링이 되기 때문에 Zc는 유한한 어떤 값을 갖게 되고 디퍼런셜 임피던스는 2 x Zo보다 작아지게 된다.

디퍼런셜 시그널링의 터미네이션 방법은 일반적으로 종단에서 두 신호 라인 사이에 디퍼런셜 임피던스 값에 해당하는 저항을 삽입하는 것이다. 따라서 저항값 일반적인 2 x Zo 값이 아니고, 커플링까지 고려된 임피던스 값이 사용되어야 한다.  두 신호(포지티브와 네거티브)의 위상이 정확이 180도가 되지 않을 경우 common-mode 노이즈가 유발되는 데 이 노이즈를 제거하기 위해서 Y 타입의 터미네이션을 사용할 수도 있다.