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差動信号伝送とは、 2つの相補的な信号を用いて情報を電気的に伝送する方法である。この技術では、同じ電気信号を差動信号対として、それぞれ独立した導体を通して送信する。この導体対は、ツイストペアケーブルやリボンケーブルの導線、あるいはプリント基板上の配線などである。
電気的には、2本の導体は大きさが等しく極性が逆の電圧信号を伝送します。受信回路は2つの信号の差に反応し、その結果、大きさが2倍の信号が得られます。
差動信号の対称信号は「平衡」と呼ばれることもあるが、この用語は、差動受信機に入力された際に同相干渉を除去する平衡回路および平衡線路に対してより適切に適用される。差動信号によって線路が平衡になるわけではなく、また平衡回路におけるノイズ除去に差動信号は必要ない。
差動信号伝送は、一方の導体のみに信号を送り、もう一方の導体を固定基準電圧に接続するシングルエンド信号伝送とは対照的である。
一般的に信じられていることとは異なり、差動信号はノイズキャンセリングに影響を与えません。差動受信機を備えた平衡線は、信号が差動かシングルエンドかに関わらずノイズを除去します[ 1 ] [ 2 ]。しかし、平衡線でのノイズ除去にはいずれにせよ差動受信機が必要なので、平衡線では差動信号がよく使用されます。差動信号の利点には次のようなものがあります。
差動信号方式は、バランスオーディオなどのアナログ信号方式と、 RS-422、RS-485、ツイストペアケーブルによるイーサネット、PCI Express、DisplayPort、HDMI、USBなどのデジタル信号方式の両方で機能します。
電子機器業界、特に携帯機器やモバイル機器の分野では、消費電力削減のために電源電圧の低減が常に求められています。しかし、電源電圧が低いとノイズ耐性が低下します。差動信号方式は、同じ電源電圧であればシングルエンド方式の2倍のノイズ耐性を提供するため、これらの問題を軽減するのに役立ちます。
その理由を理解するために、電源電圧が一定のシングルエンドデジタルシステムを考えてみましょう。高い論理レベルはそして、低論理レベルは0Vです。したがって、2つのレベルの差はでは、同じ電源電圧を持つ差動システムを考えてみましょう。一方のワイヤがハイ状態にあるときの電圧差は、そしてもう一方の0Vは配線の電圧が入れ替わる低電圧状態での電圧差は。したがって、高論理レベルと低論理レベルの違いは次のようになります。これはシングルエンド方式の2倍の差です。一方のワイヤの電圧ノイズがもう一方のワイヤのノイズと無相関である場合、差動方式ではシングルエンド方式の2倍のノイズでエラーが発生します。つまり、差動信号方式はノイズ耐性を2倍にします。
シングルエンド信号方式では、送信機は単一の電圧を生成し、受信機はそれを固定基準電圧と比較します。この基準電圧は、両端で共有される共通の接地接続を基準としています。しかし、多くの場合、シングルエンド方式の設計は実現不可能です。また、高速動作を試みるシングルエンド信号方式では、電磁干渉が発生するという問題もあります。
2 つの機器間で信号を差動伝送する場合、平衡インターフェースを介して伝送するのが一般的です。インターフェースは、ドライバ、ライン、レシーバの 3 つの部分からなるサブシステムです。これらの 3 つのコンポーネントは、信号が通過するための完全な回路を完成させ、この回路のインピーダンスによって、インターフェース全体が平衡であるかどうかが決まります。[ 3 ]「平衡回路とは、2 つの導体とそれらに接続されたすべての回路が、接地および他のすべての導体に対して同じインピーダンスを持つ 2 導体回路です。」[ 4 ]平衡インターフェースは、ノイズに対する保護方式として開発されました。理論的には、コモンモード (両方の導体で同じ大きさで同じ極性の電圧が現れる) である限り、あらゆる干渉を除去できます。[ 3 ]
バランス型インターフェースとは何か、またそれが差動信号伝送とどのように関係するのかについて、大きな混乱が生じている。実際には、これらは完全に独立した概念である。バランス型インターフェースはノイズと干渉の除去に関係するが、差動信号伝送はヘッドルームのみに関係する。回路のインピーダンスバランスは伝送可能な信号を決定するものではなく、その逆もまた然りである。[ 3 ]
この技術は、電子的なクロストークと電磁干渉（ノイズの発生とノイズの受容の両方）を最小限に抑え、一定または既知の特性インピーダンスを実現できるため、高速信号伝送線路や高品質の平衡線路、平衡回路オーディオ信号経路において重要なインピーダンス整合技術が可能になります。
差分ペアには以下が含まれます。
差動ペアは一般的に、LVDS差動ECL、PECL、LVPECL、Hypertransport、ツイストペア経由のイーサネット、シリアルデジタルインターフェース、RS-422、RS-485、CANbus、USB、DSL、Serial ATA、TMDS、FireWire、HDMIなどの高速デジタルシリアルインターフェースのような差動信号または半差動信号を伝送するか、あるいは高品質および/または高周波のアナログ信号（ビデオ信号、バランスオーディオ信号など）を伝送します。
差動信号伝送では、高速シリアルリンクで使用される長さが一致するワイヤまたは導体がよく使用されます。[ 5 ]
差動ペアを使用して実装された一部のインターフェースのデータレートは次のとおりです。
2つのデバイス（チップ、モジュール）を接続する伝送線路の種類によって、信号方式が決まることが多い。シングルエンド信号方式は、通常、同軸ケーブルで使用され、一方の導体がもう一方の導体を環境から完全に遮蔽する。すべての遮蔽体（またはシールド）は、共通の接地を形成するために、1つの材料にまとめられる。一方、差動信号方式は、通常、平衡導体ペアで使用される。短いケーブルと低周波数では、この2つの方式は同等であるため、共通接地を備えた安価なシングルエンド回路を安価なケーブルで使用できる。信号速度が速くなるにつれて、ワイヤは伝送線路として動作するようになる。
コンピュータでは、電磁干渉を低減するために差動信号伝送がよく用いられます。これは、コンピュータ内のマイクロストリップ線路やチップでは、幾何学的制約や直流では遮蔽が機能しないという事実から、完全な遮蔽が不可能であるためです。直流電源線と低電圧信号線が同じグランドを共有している場合、グランドを通って戻る電源電流によってグランド内に大きな電圧が誘起される可能性があります。低抵抗のグランドを使用することで、この問題をある程度軽減できます。
従来の解決策は、伝送線路を形成するストリップラインを使用することである。
マイクロストリップは、ストリップラインのように追加の PCB 層を必要とせずに伝送線路を形成します。バランスのとれたマイクロストリップ線路のペアで十分な場合が非常に多いです。各線路は、いずれにせよ電源供給に必要なグランドプレーンに整合イメージ電流を発生させるため、ペアは 4 本の線のように見え、単純な絶縁ペアよりもクロストーク距離が短くなります。[ 6 ] [ 7 ]実際、ツイストペアと同じように動作します。クロストークが低いことは、一般的な PCB のように多くの線路が狭いスペースに詰め込まれている場合に重要です。
PCBビアを使用することで、結合マイクロストリップと比較してクロストーク特性が向上した物理的にねじれた配線を作成することも可能になります。[ 8 ]
高電圧差動（HVD）信号方式は、高電圧信号を使用します。コンピュータ電子機器において、高電圧とは通常5ボルト以上を指します。
SCSI -1のバリエーションには、高電圧差動実装が含まれており、その最大ケーブル長はシングルエンド版の何倍にも達しました。例えば、SCSI機器では、HVDを使用した場合、最大ケーブル長は25メートルですが、シングルエンドSCSIでは、バス速度に応じて最大ケーブル長は1.5メートルから6メートルです。SCSIのLVDバージョンでは、 電圧が低いからではなく、これらのSCSI規格が従来のHVD SCSIよりもはるかに高速な通信を可能にするため、ケーブル長は25メートル未満となっています。
高電圧差動信号伝送という総称は、様々なシステムを指す。一方、低電圧差動信号伝送（LVDS）は、TIA/EIA規格で定義された特定のシステムである。
差動信号を扱う一部の集積回路は、2 つの差動信号の極性を反転させるハードウェア オプション (ストラップ オプション、ファームウェア制御、または自動) を提供しており、これは差動ペア スワッピング、極性反転、差動ペア反転、極性反転、またはレーン反転と呼ばれます。これは、ハードウェア開発においてプリント基板上の高速差動ペアの配線を簡素化または改善したり、配線の入れ替えによる一般的なケーブル エラーに対処したり、ファームウェア制御による一般的な設計エラーを簡単に修正したりするために利用できます。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]多くのイーサネットPHYトランシーバーは、これを自動極性検出および補正としてサポートしています（同様の自動クロスオーバー機能と混同しないでください）。[ 14 ] PCIeおよびUSB SuperSpeedもレーン極性反転をサポートしています。
極性エラーに対処するもう1つの方法は、極性に依存しない回線コードを使用することです。
ここで最初に明確にしておきましょう。これらの各信号のソースインピーダンスが同一でない場合、つまりバランスが取れていない場合、この方法は完全に失敗し、差動オーディオ信号のマッチングは無関係になりますが、ヘッドルームの考慮では望ましいです。（3ページ）
ドライバ、ライン、レシーバのコモンモードインピーダンスバランスのみがノイズまたは干渉除去に関与します。このノイズまたは干渉除去特性は、目的の差動信号の存在とは無関係です。
