[CE] Differential Signaling (차동신호)

1. Differential Signaling 

signal을 전송할 때 다음과 같이 동작하는 방식 가리킴:

• Driver를 통해 원래 신호 와 해당 신호의 complementary (반전된 신호)를 만들고,
• 이들 각각을 2개의 전송선(보통 twisted-pair cable임. differential pair라고도 불림)으로 전송한 후, 
• Reciever에서 이들의 차이를 계산하여 다시 하나의 신호로 만드는 방식

"Driver"는
전자공학이나 컴퓨터에서 무언가를 직접 움직이게 만드는(구동하는) 주체를 가리킬 때 폭넓게 사용되는 용어임.

전송선(cable)은 스스로 신호를 만들 수 없으므로, 전송선에 전압/전류를 공급하여 신호가 흐르도록 구동해 주는 회로를 Driver라고 부름.

Differential Signaling은
Schmitt Trigger 의
2개의 threshold를 뛰어넘는
noise를 제거하는 방법 중의 하나임.

2022.12.08 - [Computer/CE] - [CE] Schmitt trigger

[CE] Schmitt trigger

 

대표적인 응용 중 하나가 UTP cable임.

Unshielded-Twisted-Pair (UTP) cable : LAN cable.

 

일반적으로 differential pair에서는 2개의 정보가 전송됨.

• differential signal : Driver에서 나온 원래 신호($V_\text{ori}$)와 complementary($V_\text{comp}$)의 차이 
• common signal : 원래 신호와 complementary의 공통성분으로 noise등이 포함됨.

위의 경우는 완전 반전신호를 사용한 차동신호는 아님. DC offset이 존재함.

 

일반적으로 low frequency component들이 common mode에 있을 확률이 큼
(실제로, DC는 평균값의 신호이며 이는 common mode에 속함).

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2. Common Mode Rejection Ratio (CMRR)

Differential signaling에서 처리가 가능한 noise의 한계를 나타내는 specificaton.
(많이 사용되는 차동 증폭기(differential amplifier) 등에서 사용됨)

 

쉽게 말하면 연산증폭기의 두 입력단자에 인가된 전압의 차이를 증폭 하는것이 바로 차동증폭기임.

 

이상적(ideal)인 Differential signalinig인 경우

• receiver로 들어온 원래 신호와 complementary 간의
• 전압의 차이가 아무리 적더라도 정확히 차이를 구해 출력

하지만, 실제적인 경우

• 매우 작은 전압의 차이일 경우엔 구분을 못할 수 있음.
• 이 경우 제대로 된 출력이 불가능함.
• 차이 전압을 구분해 내는 능력이 바로 Common Mode Rejection Ratio로 표시됨.

2025.03.25 - [Computer/CE] - [Ex] CMRR 및 특정 CMRR에서의 최소 신호값 구하기.

[Ex] CMRR 및 특정 CMRR에서의 최소 신호값 구하기.

 

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2-1. Common-Mode Rejection Ratio (CMRR, 동상모드 제거비) 이란.

• receiver에서 두 입력간의 차이(보통 전압차)를 구분해낼 수 있는 능력 을 나타내는 척도.
• Common-Mode(동상)란 두 입력신호가 공통으로 가진 신호를 뜻함.
• Differential signalinig에서 receiver가 받는 두 신호는 각각 다음 두 가지를 포함.
  • 두 신호가 가진 공통신호 (←common mode로 제거대상)
  • 두 신호간 차이신호(←증폭대상. 우리가 원하는 입력)

Differential signalinig (or Differential amplifying,차동 증폭)시 중요한 건 차이신호임.

• CMRR(동상모드 제거비)은 공통신호를 제거 (or 거부)하는 정도를 나타냄.
  • 이상적인 연산증폭기의 동상모드 제거비는 무한대
  • 성능을 결정짓는 매우 중요한 요소.

일반적으로 생체전위증폭기에선
당연히 CMRR이 높아야 함.

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References

https://dokkodai.tistory.com/159

Differential Signal 란?

https://www.seminet.co.kr/channel_micro.html?menu=content_sub&com_no=800&category=article&no=4201#:~:text=%EC%B0%A8%EB%8F%99%20%EC%8B%A0%ED%98%B8%EB%9E%80%20%EB%94%94%ED%8D%BC%EB%A0%8C%EC%85%9C%20%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%EB%B2%84,(Vp%20%2B%20Vn)%EC%9D%B4%EB%8B%A4. 

신호 무결성의 개념 정의: 디퍼렌셜 페어