シングルエンド信号と差動信号の帯域幅要件

以前の記事で述べたように、シリーズ終端伝送線路とともに、差動信号はほとんどのCMOSデバイスのリンクとして機能します。単端信号と差動信号の主な違いの一つは、同じ周波数で動作する単端信号パスに必要な帯域幅要件よりも、差動信号パスの帯域幅要件がはるかに厳しくないことです。この記事では、差動信号の利点と、実際の電子製品での動作方法についての概要を提供します。

差動信号の利点の概要

差動信号に関する最初のデータポイントは、通常、単端信号よりもはるかに小さい信号スイングを持ち、ほぼ常に並列終端されることです。これにより、信号線上で方向が切り替わるときの総電流駆動がほぼ一定になります。差動信号の具体的な利点には以下のものがあります：

• 電力負荷は電流であり、一定です。
• 2本のワイヤーの信号電流と戻り電流は等しく、逆方向です。
  • これにより、パッケージインターフェース上の総電流が一定になります。
• 差動信号において、両方の線が並行して移動しているため、それらは同じ量のノイズが飛行機からの結合によって注入される傾向があります。
  • 差動信号は、隣接するトレースから同じ量のノイズ結合を受け取りません。
• 差動受信機は、コンポーネント間のグラウンドドロップや電源シフトによって生じる問題を解消します。
• 差動信号は、単終端信号よりもはるかに高速で動作できます。

前述のことを考えると、差動信号を使用することは「明白な選択」のように思えます。しかし、一つ欠点があります。それは、一方の端でデータを直列化し、他方の端でデータを逆直列化する必要があることです。

差動信号に関して一般的に適用される誤解もあります。差動信号に帰属される特性は、PCB内でペアを並行にルーティングすることで共通モードノイズの拒絶が得られるというものです。以前の記事で議論されたように、これは事実ではありません。

異なるタイプのロジックの動作方法

実際のロジック

単終端ロジックの動作方法と差動ロジックの動作方法を掘り下げる前に、実際のロジックがどのように動作するかを見直すことが有益です。以下のポイントでこれについて説明します。

• 実際のロジック信号は完璧な正方波ではありません。
• 実際のドライバーは、クロック周波数の高次高調波を生成する能力に限界があり、図1の左側のグラフィックに示されているように、エッジが丸くなります。

• 遅いドライバーは、図1のグラフィックの右側に見られるように、遅いエッジを生成します。

シングルエンドロジック

シングルエンドロジックの主要な動作特性には以下が含まれます：

• シングルエンドロジックパスは、ロジック信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジに反応する入力を持っています。
  • 立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが閾値電圧（通常はロジック1レベルとロジック0レベルの中間）を通過すると、ロジック変化が検出されます。
• ロジック変化のタイミングの精度は、そのエッジがどれだけ速くまたは鋭いかによって異なります。
  • 遅いエッジは、ロジック状態の変化の検出が不正確になる結果をもたらします。
• ロジックの精度を保持するためには、信号パスはクロック周波数のいくつかの高次高調波を通過させる必要があります。
• 高調波とは、異なる周波数の他の波形によって正弦波が歪むことを説明するために使用される用語です。

シグナル高調波対立ち上がり時間とそのシングルエンドデータパスへの影響に関する重要な詳細

シングルエンド信号の動作を理解するためには、信号の高調波と立ち上がり時間の役割を考慮に入れることが役立ちます。これらのデータポイントには以下が含まれます：

• 波形のフーリエ変換は、波形に存在する高調波とその振幅を生成します。
  • フーリエ解析は、電圧波形に対して行われる数学的操作で、それを時間領域から周波数領域へ、またはその逆へ変換します。
• 図2の左側に示された図は、クロック周波数が100 MHzで立ち上がり時間が遅い論理パスの周波数内容を示しています。主要な成分はこの周波数の奇数高調波です。

• 図2の右側に示された図は、左側と同じ波形ですが、立ち上がり時間と立ち下がり時間が速いです。右側では高周波の高調波が左側よりもはるかに大きいことがわかります。
  • 低帯域幅の信号経路は、図2の左側に示されているように、エッジの遅延を引き起こします。これにより、シングルエンドデータパスの動作が信頼性に欠ける結果となります。

差動信号の動作方法

図3は、差動データパスを示しています。

シングルエンドデータパスの動作とは対照的に、差動信号の主要な動作特性には次のようなものがあります：

• 差動データパスは、図4に示されるように、二つの等しく反対の信号が交差する時点を検出することによって、論理状態の変化がいつ起こるかを決定します。

• シングルエンドデータパスとは対照的に、差動データパスはその動作方法において異なる要件を持っています。差動信号では、交差の精度に焦点が当てられます。信号の立ち上がり時間に依存しません。

図4に示された差動信号に関する重要な点は次のとおりです：

• 見ての通り、図4の差動信号は「目」のような外観をしています。
  • これが、SI業界でこのグラフィックが「アイダイアグラム」と呼ばれる理由です。
• 差動信号経路が適切に動作するためには、2つの条件が必要です。それらには以下が含まれます：
  • 受信機が論理状態を正確に検出できるように、「目」が十分に開いていなければなりません。（一部の受信機は、これを行うためにわずか4または5ミリボルトしか必要としません。）
  • 論理状態の変化は、信号が交差する場所で検出されます。この変化に伴う動きは、あまり前後に動いてはいけません。頻繁に発生すると、結果としてジッターが発生し、信号が劣化します。
  • 前述の条件が満たされるのは、信号がほとんど正弦波またはクロック周波数の第1高調波である場合です。

これまでの説明に基づいて、差動信号の帯域幅要件に関する以下の決定ができます。これらの決定には：

• 図4に関する前述の議論に基づいて、差動信号経路の帯域幅要件は、同様の周波数を持つ単端データ経路よりもはるかに要求が少ないことが判明します。
• 差動データパスでの成功した信号伝送には、クロック周波数よりわずかに多いパス帯域幅が必要です。
  • 例として、6.125 Gb/Sのデータパスは、クロック周波数が3.0625 GHzです。3 GHzをわずかに超える帯域幅を持つデータパスは、このデータレートで適切に機能します。
• 同じデータレートの単終端データパスでは、適切に動作するために約40 GHzの帯域幅が必要になります。

要約

単終端信号伝送と比較して、差動信号伝送パスの帯域幅要件は、同じ周波数で動作する単終端信号伝送パスに必要なものよりもはるかに少ない要求です。差動信号伝送は、一定で現在の負荷パス、等しく反対方向の信号と電流、単終端信号と同じ量の注入ノイズを受け取らない信号、コンポーネント間および信号間のグラウンドドロップや電源シフトから生じる問題を排除する受信機、単終端信号よりもはるかに高速で動作する信号という、多くの利点を提供します。

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参照文献:

1. Ritchey, Lee W.、およびZasio, John J.、『Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2』。
2. Speeding Edge 3日間コース、「シグナルインテグリティとシステムデザイン、そして32 Gb/Sに到達する方法、非常に高速な差動ペアの設計方法。」
3. Speeding Edge 1日間コース、「32Gb/Sに到達する方法 非常に高速な差動ペアの設計方法。」