Differential Signaling 김선환
배울내용 2 Wire 회로 Differential Signaling 정의 Signal 구성성분 Propagation Mode 장점 현실적고려사항 디자인룰두선의길이 / 간격 /Xtalk 디자인고려사항구조가 Impedance 에미치는영향 /Obstacle Impedance 커플링에의한 Impedance 변화 /Termination 저항값 /Common Impedance Common Mode 고려사항 CM Balance/CM Input Range/Differential to Common Mode/CM Signal 과 EMI FCC 규격 Application LAN interface/long differential link/immunity to large ground shifts
들어가기전에 1. Power 를전달하기위해서 2 개의선이필요하다. loop 를만들기위해서 2. 배터리를나가고들어오는전류의합은 0 이다. Single-end Signaling: 모든회로에대해서레퍼런스전압을공유하는것 각각의신호에대해서분명한하나의신호만요구한다. 두번째선은반드시물리적으로존재해야하며, 크고일반적으로공유된연결로구현된다.
들어가기전에 v BATTERY = v BULB + z A i 1 + v BEAM + z B i 1 z A, z B 패키지임피던스 커질수록 v BULB 가작아진다. z A, z B, v BEAM 에영향을주는요소는 v BULB 에도영향을준다. 따라서, 드라이버와리시버의레퍼런스는 match 되어야한다. Match 되지않을경우 SE signaling 은동작하지않을수있다. 왜냐하면리시버는드라이버의레퍼런스를알수없기때문이다.
들어가기전에 회로 B 에서리시버와트랜스미터가그라운드연결 z B 를공유한다. z B 로전류 i 2 가흐르면리시버에전압 -i 2 z B 를유도시킨다. Ground Bounce 함께고려할사항 : SSN, Neck down
들어가기전에 SE 특징 : 1. 신호당하나의 wire만필요하다. 2. 기준전압의불안 (disturbance) 으로희생되기쉽다. 3. Ground bounce에취약하다. 4. low impedance common reference 연결이요구된다.
2 Wire 회로 1. Global 레퍼런스로부터리시버가자유롭다. 두번째 wire 가레퍼런스역할 2. 같은패키지안의리시버와드라이버간에공유임피던스커플링이없다. 3. 노이즈에대해서 2 개의선이같이영향을받는다..
Differential Signaling 정의 : 2 wire signaling의특별한경우로, 정확하게일치하는매치된트레이스에 2개의 complementary 신호를전송하는것. 가정 : 같지만반대인 AC 전압과전류를두선으로전달한다. 레이아웃은대칭이어서두선은레퍼런스로같은양만큼커플된다. Unbalanced 일부전류레퍼런스유입 common mode noise z A 로전류가흐르지않는다. 레퍼런스노이즈면역
Differential Signaling SE 신호의기준은 Reference(GND) 이다 DP 신호의기준은짝이되는신호선이다 이상적인 CM 신호는 DC 이다 No Information, No Affect on SI Differential 혹은 Common 이란말은 DP 전송선의속성을말하는것이아니고 신호의속성을말하는것이다.
Differential 신호구성성분 a, b instantaneous voltages on two wires common reference를기준으로측정한값 d differential voltage, voltage between two wires d = a b c common-mode voltage, the average of the instantaneous voltages c = (a + b) / 2 o e odd-mode signal o = (a b) / 2 even-mode signal e = (a + b) /2 a = c + d/2 b = c d/2 a = e + o b = e o
Differential 신호구성성분 Mode 라는것은 line pair 의특별한 excitation 상태를말한다. Differential 신호는 odd mode 에서드라이브되고 Common mode 신호는 even mode 에서드라이브된다. Odd mode differential mode Odd mode 와 Even 모드만있을뿐이다 Odd mode Impedance: Odd mode 에서신호가바라보는 Z Differential Impedance: Differential 신호가바라보는 Z
Signal Propagation Mode 3 가지 Single-ended mode : 드라이버와리시버사이에하나의선으로연결 Return 전류는 Ground( 레퍼런스 ) 를통해서이루어진다. Differential mode: 드라이버와리시버사이에한쌍의선으로연결같은크기의극성이반대인신호를각각의신호선으로전달 Odd mode 그라운드를통한 Return 없음. Common mode: 신호가 2개선의같은방향으로진행 Even mode 원치않는노이즈나예상치못한조건에서발생
Differential Signaling 장점 Low-signal-level 어플리케이션에유리 2 배신호레벨효과 High Gain Ground 를 return path 로사용하지않기때문에 연속그라운드 ( 파워 ) 경로가상대적으로덜중요하다. Common-mode shift 에덜민감하다. Connector 연결 L 증가 그라운드시프트 CMRR 로억제 SE 에비해서스위칭타이밍을더정교하게할수있다. 방사 (Radiated Emissions) 를현저히줄일수있다. 1GHz 에서 DP 사용시 SE MS 에비해서 40dB 이상 EMI 개선효과가있다. SE 에비해서드라이버출력 di/dt 가줄어들어 rail collapse 감소및 EMI 저감 적절하게 balanced 되지않거나 fitered 되지않을경우 EMI 문제를유발할수도있다.
현실적고려사항 Differential 신호는완벽하게크가가같고극성이반대인신호가아니다. 한쌍의라인으로흐르는전류의합이 0은아니며, 전류의일부는어딘가 ( 아마도그라운드 ) 로돌아와야한다. 유사하게, 두신호선의길이가똑같지않으면, 한쌍의라인으로흐르는전류의합이 0은아니며, 전류의일부는어딘가 ( 아마도그라운드 ) 로돌아와야한다. 그라운드로돌아오는전류가커지면 power system integrity 혹은 EMI 문제를유발할수있다.
디자인룰 1. 두선의길이는같아야한다. 잘못된주장의예 ) 파트의타이밍스펙상길이에차이가나도된다고주장하는경우. 타이밍문제가아니라, 제어되지않는그라운드전류가흘러 common-mode EMI 를유발할수있기때문이다. Differential Signaling 은두선의전류합이 0, 즉 Ground 로의 return 0 를가정한다. Skew < RT/20 노이즈의기여도를 SE 기준 2.5% 크기이하로하기위해 정확하게크기가같고위상이반대가아닌 Differential 신호는 Differential(odd) 과 Common(even) 성분으로분리될수있다. 제어되지않은 common 전류는문제를유발할수있다.
디자인룰 1. 두선의길이는같아야한다. t uncertainty = v IH v IL dv/dt T uncertainty 가작을수록타이밍 budget 을확보할수있다. VOH 그리고 VIH 를리시버이특정옵셋전압으로대체할수있다. DF 신호중하나는 t1 에도착하고다른하나는 t2 에도착하면평균도착시간은 (t1+t2)/2 이다. 최악의경우를가정하면 (skew = rise time)? 따라서, RT 의 1/20 이하로유지하는것이좋다. Path가같아야할필요는없다. 꼬불거리기에서좌회전과우회전의수가같게한다.
디자인룰 2. 두선을가깝게 Route 한다 EMI 는 loop 면적과관련이있다. Rise Time 이느리면 EMI 가문제되지않을수도있다. 그러나, 작은 loop 면적이 EMI 를작게만드는것도사실이다. 두선이강력하게 Couple 될수록외부노이즈가같게적용되어노이즈 Rejection 특성이좋아진다. 3. 두선의간격을일정하게유지한다 Differential Impedance 는 두 trace 의간격에따라 coupling 과함께변한다. Differential Signaling 을사용하는이유는 EMI 문제와 noise immunity 때문이다. 위 2, 3 번룰이지켜지지않으면효과가반감될수있다. Differential Signaling 과 Xtalk 비교?
디자인룰 4. 로컬 Xtalk 을작게한다 Clock+ 쪽이 Clock- 쪽보다 aggressor 에가까워 xtalk 이크게 couple 된다 불균형한 xtalk 은리시버에서 cancel 될수없다 민감한영역에서는 Keep out zone 을설정한다
디자인룰 4. 로컬 Xtalk 을작게한다 Xtalk 을줄이는효과적인요인은 DF 신호끼리의타이트한커플링이라기보다는상호간의간격이다.
디자인고려사항 1. Structure 가 Impedance 에미치는영향 ZDIFF 을맞추기위해서 W 를줄이면? Rac 증가 감쇄증가 0.61 mm 0.1524 mm ½ oz Edge Coupled SL
디자인고려사항 2. Obstacle 가깝게배치된 differential pair 는 route 하기어려울수있다.
디자인고려사항 가정 : Zdiff 구간은균일하며매우길고, Z 2 구간의길이 TD << TR C 2 t D z DIFF, L 2 t D z DIFF 2 L 2 L N + L EXCESS z DIFF C 2 + L EXCESS L EXCESS 에기인한반사계수 : Γ t d 2t r z 2 z DIFF z DIFF z 2 Zdiff = 100Ω, Z2 = 120 이면 Γ t d 2t r 120 100 100 120 0.2 t d t r TD << TR 이면반사는거의없지만, 문제가되면, W 를넓힐수있다.
Impedance 1. 커플링에의한임피던스변화 커플링이없을경우 Differential Impedance: Differential Signal 이전파되며보게되는 Impedance
Impedance 1. 커플링에의한임피던스변화 두선의거리가가까워지면커플링의결과로터미네이션임피던스의계산에영향을준다. Trace1 과 2 가가까워지면 ( 커플링되면 ): Trace2 의전류일부가비례상수 k 를가지고 Trace1 로흐르게된다. V1 = Z11 x i1 + Z11 x k * i2 V2 = Z22 x i2 + Z22 x k * i1 Z11 x k 를 Z12 라하고 Z22 x k 를 Z21 이라하면, V1 = Z11 x i1 + Z12 x i2 V2 = Z21 x i1 + Z22 x i2 Matrix Form
Impedance 1. 커플링에의한임피던스변화 w= 5mil, 50 Ω, SL
Impedance 2. SE 터미네이션저항값 V1 = Z11 x i1 + Z11 x k * i2 V2 = Z22 x i2 + Z22 x k * i1 Z11 = Z22 = Z0 와 i2 = -i1 을대입하면 V1 = Z0 x i1 x (1 k) V2 = -Z0 x i1 x (1 k) Z0 = 특성임피던스 Trace1 의유효임피던스 : Zodd = V1/i1 = Z0 x (1- k) or Zodd = Z11 Z12 Odd mode impedance or SE impedance Zo = Z11, k = Z12/Z11 트래이스종단에서반사를막기위한터미네이션저항값으로 위 Zodd 값을트래이스와 Ground 사이에사용해야한다.
Impedance 3. Differential 터미네이션저항값 i1 = -i2 이고전류가그라운드로흐르지않는다면, 굳이 Ground로터미네이션할필요가없고 오히려두선간에터미네이션을하는것이좋다. Ground noise 로부터의격리 이때, 저항값은 odd mode 때값의 2배이다. Zdiff = 2Z0 x (1 k) or Zdiff = 2(Z11 Z12) 개별임피던스가 50Ω 인트래이스의 differential Impedance 가 종종 80Ω 이되는이유는위와같다. 두트래이스가가까워진다 커플링이증가한다 Z12 가커진다 differential impedance 가작아진다. Z0 는변하지않는다.
Impedance 4. Common Mode Impedance I1 = i2 이므로, V1 = Z0 x i1 x (1 + k) V2 = Z0 x i1 x (1 + k) 개별트래이스임피던스는 Z0 x (1 + k) 가되고, 각각의트래이스에위값저항을그라운드로연결하면된다. Common mode 의경우그라운드로흘러가는전류는 2 x i1 이므로, 위저항값을가진저항 2 개를병렬연결한것과같다. Zcommon = (1/2) x Z0 x (1 + k) or Zcommon = (1/2) x (Z11 + Z12) 어떤 trace pair 에서, Common mode impedance 는 differential mode impedance 의대략 1/4 이다.
Common Mode 고려사항 1. Common Mode Balance Common mode balance common mode signal amplitude = differential mode signal amplitude Not DC but AC 완벽한 differential system 은 common mode 성분이없고완벽하게 balance 된다. Common mode balance -80 db(10,000) 이면 매우훌륭하고, 디지털로직에서는 -20~-30 db 정도이다.
Common Mode 고려사항 2. Common Mode Input Range 모든디지털리시버는 common-mode input range에대한규정이있다. 이규정을어겨도동작은될수있지만 jitter 에어떤영향을줄주알수없기때문에 조금이라도규정을 violate 하는것은안된다. CMRR(Common Mode Rejection Ratio): Input Switching Threshold가정의된노이즈 input에얼마나변하는지를알려주는것 Input 단자의 CM 노이즈나 power 단자의노이즈에대해서규정된다. 예 ) Vcc 에대한 -50 db CMRR 은 Vcc 에 100mV 노이즈가 0.3 mv 등가 differential 노이즈소스와같은효과를갖는다.
Common Mode 고려사항 3. Differential 2 Common Mode 예 ) Ethernet 10BASE-T Balance 를이룰경우, C1 을통해서흐르는전류는서로상쇄되어 Chassis 그라운드로전류가흐르지않는다. 실제에서, 어느한쪽이다른쪽보다커패시턴스가약간크다 (C 2 ). 드라이버 amplitude는각각의와이어에대략 2Vpp이고 switching time은 25ns 이므로 CM 전류는 dv i(t) peak = C 2 = 2p 2 = 160 ua dt 25n 국제방사규정초과
Common Signal 과 EMI 4. Common Signal 과 EMI 예 ) PCB 에 Twisted pair 케이블이연결되어 Common 전류가흐르는회로 Common 전류의양은인가된 Common 전압과 Common Impedance 에의존한다. I common = V common Z common 1pF 의 coupling capacitance 는 1GHz 에서 160 ohm 의 impedance 를갖는다. Twisted pair 케이블의 differential 신호는방사를거의하지않지만, Common mode 전류는 EMI 에큰기여를한다.
FCC 규격 FCC(Federal Communications Commission) 에서 EMI 규정 Class A : 산업혹은생산환경 Class B : 가정혹은사무환경 방사에너지 E = 4π10 7 f I common Len R
FCC 규격 Unshielded twisted cable 방사에너지예 ) Vcommon = 100mV Zcommon = 200ohm Cable Length = 1m 100 MHz 에서방사에너지를구하면, E = 4*3.14e-7 * 100e6 * (0.1/200) * 1/3 = 2000 uv/m FCC Class B 기준 100 배이상초과 작은양의 common mode 전류 ( 위예에서는 0.5mA) 도제품을 EMI 인증테스트에서실패하게할수있다. 방지책 : 1. driver skew 최소화및 differential pair 비대칭최소화 2. shield 된케이블사용 return path 최소화 Icommon 최소화 3. common mode choke 사용 Icommon 최소화 Ferrite 안에서 net magnetic 0
Application 1. LAN Interface Ethernet 10/100BASE-T Interface 이부분도대칭 Impedance 가동일하게 전형적인 LAN 인터페이스에서는 100Ω twisted pair cabling을사용 L1-C1( 혹은 L2-C2) 로디지털신호이상의주파수를차단한다. 이때, 밸런스가중요하다. PCB는 GND기준으로대칭이되게한다. 비대칭 impedance mismatching CM noise
Application 2. Long Differential Link 최소한하나의좋은 Differential Termination 이필요하고 CM 공진을막기위해서합리적인 CM Termination 도필요하다.
Application 3. Immunity to Large Ground Shifts Earth Potential 지구표면의 potential 은일정하지않다. 파워분배전류, 전자기장상호작용, 번개, 토양층저항등다양한메커니즘때문 건물간에수 V 의 potential 차이를보일수있다.
Application 3. Immunity to Large Ground Shifts Shield 되지않은 twist-pair DF signaling 은 링크양끝단에서직접적인 Ground 연결을하지않는다. 드라이버와리시버간의 potential 차이가 리시버의 CM input range 안에있으면문제되지않는다. Green Grounding OK 고주파 SE signaling 에서는 링크양끝단에직접적인 Ground 연결이필요하다. 이그라운드연결은고주파리턴신호를나르기때문에 임피던스제어되는구조로신호선과가까이있어야한다. Green Grounding NG Coaxial 로구현되어야함 Ground Fault Interrupter(GFI) 다른말로 Circuit Breaker AC Power Safty 원칙을위반할수있음다른 AC 전원을사용하는두프레임간에메탈적인연결을하면안됨 Green Wire 사이로큰전류가흐를수있음 꼭연겨해야한다면같은 Earth Potential 을갖는그라운드에 Green-wire 되어야함
Coupling 강도 Immunity to Large Ground Shifts Week Coupling 의장점 : 1. Victim line 에서의 common mode noise 가작다. 강하게커플링되었을경우에발생되는노이즈보다 20% 이상초과하지않으므로차리리 CM choke 사용을권한다. 2. Differential Impedance 가각각의 SE Impedance 에만의존따라서, Routing Constrains 가완화돼디자인이수월하다. Tight Coupling 의장점 : 1. 불완전한 return path 에서 differential impedance 불연속이줄어든다. 2. Density 를높일수있다 ( 보드비용절감 ) 대부분의경우 Tight Coupling 의장점이 Week Coupling 의장점보다크기때문에 Tight Coupling 을많이사용한다.
요약 1. 어떤 differential pair 는그냥어떤 2 개의전송선이다. 2. Differential Signaling 은적은 rail collapse, 적은 EMI, 좋은 noise 면역성, 감쇄에덜민감함등 Single-End Signaling 보다 많은 SI 강점이있다. 3. Differential pair 의어떠한신호도 differential-signal 성분과 common-signal 성분으로묘사될수있다. 각성분은전파되면서 differential impedance 를보게된다. 4. Differential Impedance 는 differential 신호가보게되는 impedance 다. 5. 모드라고하는것은 differential pair 가동작하는특별한상태이다. 모드를유발시킨전압패턴은왜곡없이전파되어나간다.
요약 6. DP 는 odd-mode impedance, even-mode impedance, 그리고 각모드에서 time delay 로완벽하게묘사될수있다. 7. Odd mode impedance 는 pair 가 odd mode 로구동될때, 한라인의 impedance 이다. 8. Differential mode 라는말은잊어라. 단지, odd mode, differential signal, differential impedance 만 있을뿐이다. 9. 한 pair 에서라인간 coupling 은 differential impedance 를감소시킨다. 10. Differential 혹은 common impedance 를믿을만하게계산하는 유일한방법은정확안 2D field solver 를사용하는것이다.
요약 11. Tight 한 Coupling 은 DP 에서 differential xtalk pickup 을최소화 하고 return plane gap 을가로지를때 differential 신호가바라보는 impedance 불연속을최소화한다. 12. EMI 의가장흔한 source 중하나는외부 twisted pair cable 로나가는 Common signal 이다. 이것을줄이는방법은두라인간비대칭을줄이고 외부케이블에 common mode choke 를추가하는것이다. 13. Differential pair 의행동에관한모든기초적정보는 differential 과 common impedance 에담겨있다. 이것은더기초적으로 matrix 형태로 표현되는 even 그리고 odd mode 로기술될수있다.