差動信号

差動信号方式は、 2 つの相補信号を使用して情報を電気的に送信する方法です。この技術では、同じ電気信号を差動信号ペアとして送信し、各ペアは独自の導体を使用します。導体ペアは、ツイストペア ケーブルまたはリボン ケーブルのワイヤ、またはプリント回路基板上のトレースです。

電気的には、2 本の導体は大きさは同じですが極性が反対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、結果として大きさが 2 倍の信号が生成されます。

差動信号の対称信号はバランス型と呼ばれることもありますが、この用語は、差動受信機に入力されたときにコモンモード干渉を除去するバランス型回路およびバランス型ラインに適用される方が適切です。差動信号によってラインがバランス型になるわけではなく、バランス型回路でのノイズ除去に差動信号が必要になるわけでもありません。

差動信号方式は、1 つの導体のみを信号で駆動し、もう 1 つの導体は固定基準電圧に接続される シングルエンド信号方式とは対照的です。

一般に信じられていることとは反対に、差動信号はノイズ除去には影響しません。差動受信機を備えたバランスラインは、信号が差動であるかシングルエンドであるかに関係なくノイズを除去します。 ^{[1] [2]}しかし、バランスラインのノイズ除去には差動受信機が必要なので、差動信号はバランスラインでよく使用されます。差動信号の利点には次のものがあります。

• 差動ペア間の信号電圧が2倍になり（同じ公称レベルのシングルエンド信号と比較して）、6 dBの追加ヘッドルームが得られます。^[1]
• 2 つのアンプ間のコモンモードノイズ (たとえば、不完全な電源除去によるもの) は、差動受信機によって簡単に除去されます。
• ノイズ耐性が向上し、ヘッドルームが 6 dB 増えたため、より長いケーブル配線が可能になります。
• 高周波では、出力アンプの出力インピーダンスが変化し、小さな不均衡が生じる可能性があります。2つの同一のアンプで差動モードで駆動すると、このインピーダンスの変化は両方のラインで同じになり、相殺されます。^[1]

差動信号は、バランスオーディオなどのアナログ信号と、RS-422、RS-485、ツイストペア経由のイーサネット、PCI Express、DisplayPort、HDMI、USBなどのデジタル信号の両方で機能します。

電子機器業界、特にポータブル機器やモバイル機器では、電力を節約するために電源電圧を下げる努力が絶えず行われています。^[要出典]ただし、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、与えられた電源電圧に対してシングルエンドシステムの 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。

理由を理解するために、電源電圧 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。高ロジック レベルは で、低ロジック レベルは 0 V です。したがって、2 つのレベルの差は です。次に、同じ電源電圧の差動システムを考えてみましょう。1 本のワイヤが で、もう 1 本のワイヤが 0 V である高状態の電圧差は です。ワイヤの電圧が交換される低状態の電圧差は です。したがって、高ロジック レベルと低ロジック レベルの差は です。これは、シングルエンド システムの差の 2 倍です。1 本のワイヤの電圧ノイズがもう 1 本のワイヤのノイズと相関していない場合、差動システムでエラーを引き起こすには、シングルエンド システムの 2 倍のノイズが必要です。言い換えると、差動信号方式ではノイズ耐性が 2 倍になります。^{[引用が必要]}${\displaystyle V_{S}}$${\displaystyle V_{S}\,}$${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$${\displaystyle V_{S}\,}$${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$${\displaystyle 0\,\mathrm {V} -V_{S}=-V_{S}}$${\displaystyle V_{S}-(-V_{S})=2V_{S}\,}$

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。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ます。多くの場合、シングルエンド設計は実現可能ではありません。もう 1 つの難点は、高速で動作しようとするシングルエンド信号方式によって発生する可能性がある電磁干渉です。^{[引用が必要]}

2 つの機器間で差動的に信号を伝送する場合、バランス インターフェイスを介して行うのが一般的です。インターフェイスは、ドライバー、ライン、レシーバーの 3 つの部分を含むサブシステムです。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構成し、この回路のインピーダンスによってインターフェイス全体がバランスしているかどうかが決まります。^[3]「バランス回路とは、2 つの導体回路で、両方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回路です。」^[4]バランス インターフェイスは、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 (両方の導体に同じ大きさで同じ極性で現れる電圧) である限り、干渉を排除できます。^[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とどう関係するのかについては大きな混乱があります。実際には、これらは完全に独立した 2 つの概念です。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しますが、差動信号はヘッドルームのみに関係します。回路のインピーダンスバランスは、回路が伝送できる信号を決定するものではなく、その逆も同様です。^[3]

この技術は、電子クロストークと電磁干渉、ノイズ放出とノイズ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、高速信号伝送ラインや高品質のバランスライン、バランス回路オーディオ信号パスで重要なインピーダンス整合技術が可能になります。

差動ペアには次のものが含まれます。

• ツイストペアケーブル（シールド付きおよびシールドなし）
• プリント基板上のマイクロストリップおよびストリップライン差動ペア配線技術

差動ペアは一般に、 LVDS差動ECL、PECL、LVPECL、Hypertransport、ツイストペア経由イーサネット、シリアルデジタルインターフェース、RS-422、RS-485、USB、シリアル 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などの差動信号または半差動信号、あるいは高品質および/または高周波アナログ信号 (例:ビデオ信号、バランスオーディオ信号など) を伝送します。

差動信号では、高速シリアルリンクで使用される長さが一致したワイヤまたは導体が使用されることが多い。^[5]

差動ペアで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。

• シリアル ATA – 1.5 Gbit/s
• ハイパートランスポート– 1.6 Gbit/s
• インフィニバンド– 2.5 Gbit/s
• PCI Express – 2.5 ギガビット/秒
• シリアル ATA リビジョン 2.0 – 2.4 Gbit/s
• XAUI – 3.125 ギガビット/秒
• シリアル ATA リビジョン 3.0 – 6 Gbit/s
• PCI Express 2.0 – レーンあたり 5.0 Gbit/s
• 10 ギガビット イーサネット– 10 Gbit/s (各 2.5 Gbit/s で動作する 4 つの差動ペア)
• DDR SDRAM – 3.2 Gbit/s (差動ストローブがシングルエンドデータをラッチ)

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、信号の種類が決まることがよくあります。シングルエンド信号は通常、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します。すべての遮蔽 (またはシールド) が 1 つの材料に結合され、共通の接地を形成します。一方、差動信号は通常、平衡型導体ペアで使用されます。ケーブルが短く周波数が低い場合、2 つの方法は同等であるため、共通の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ます。信号速度が速くなると、ワイヤは伝送線路として動作し始めます。

差動信号方式は、コンピュータの電磁干渉を減らすためによく使用されます。これは、幾何学的制約と、DC では遮蔽が機能しないという事実により、コンピュータのマイクロストリップとチップでは完全な遮蔽が不可能であるためです。DC 電源ラインと低電圧信号ラインが同じグランドを共有する場合、グランドを通って戻る電力電流によって、そこに大きな電圧が誘導される可能性があります。低抵抗のグランドは、この問題をある程度軽減します。バランスの取れたマイクロストリップ ラインのペアは、ストリップラインのように追加の PCB レイヤーを必要としないため、便利なソリューションです。各ラインは、電源供給にいずれにしても必要なグランド プレーンで一致するイメージ電流を発生させるため、ペアは 4 本のラインのように見え、したがって、単純な分離されたペアよりもクロストーク距離が短くなります。実際、ツイスト ペアと同じように動作します。一般的な PCB のように、多くのラインが小さなスペースに詰め込まれている場合、クロストークが低いことが重要です。^{[引用が必要]}

高電圧差動 (HVD) 信号方式では、高電圧信号を使用します。コンピューターエレクトロニクスでは、高電圧とは通常 5 ボルト以上を意味します。

SCSI -1 のバリエーションには、最大ケーブル長がシングルエンド バージョンの何倍にもなる高電圧差動 (HVD) 実装が含まれていました。たとえば、SCSI 機器では、HVD を使用すると最大合計ケーブル長が 25 メートルになりますが、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が 1.5 ～ 6 メートルになります。SCSI の LVD バージョンでは、電圧が低いためではなく、これらの SCSI 規格では、古い HVD SCSI よりもはるかに高速になるため、ケーブル長が 25 メートル未満になります。

高電圧差動信号という一般的な用語は、さまざまなシステムを表します。一方、 低電圧差動信号(LVDS) は、TIA/EIA 規格で定義された特定のシステムです。

差動信号を扱う集積回路の中には、2つの差動信号の極性を入れ替えるハードウェアオプション（ストラッピングオプション経由、ファームウェア制御下、または自動）を提供するものがあり、これを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ぶ。これを利用すると、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配線エラーに対処したり、ファームウェア制御下で一般的な設計エラーを簡単に修正したりすることができる。^{[6] [7] [8] [9] [10]} 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修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）。^[11] PCIeと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別の方法は、極性を区別しないライン コードを使用することです。

• バックプレーン
• コモンモード信号
• 電流ループ信号
• 電流モードロジック(CML)
• DDR SDRAM
• 差動増幅器
• 差動TTL
• ディスプレイポート
• ハムバッカー
• 信号の整合性
• シングルエンド信号
• 遷移最小化差動信号(TMDS)