Signal Integrity - Differential Signaling

Single ended signaling의 목표가 바로 50 ohms matching이라고 얘기한다. 이것이 가장 중요하고 신호 무결성에 있어서 중요한 것이라고 한다.

DDR3에서 4로 넘어갈 때 I/O driver에서 termination 저항을 하나를 떼었다. 이는 바로 power consumption의 관점에서 진행한 것이었다. push-pull 방식에서 pseudo open drain 방식이로 바꾸었다.

impedance matching에서 50옴의 이유는 바로 power의 입장에서 30옴이 가장 좋고, loss의 입장에서 70옴이 가장 좋아서 그 중간이라고 한다.

 

병렬에서 직렬로 통신 방식이 바뀌던 부분에 대해서 이야기를 이어나갔다. 병렬연결이 더 나아보이는 것이 사실이다. 그래서 이전에는 PATA와 같은 핀 수가 많은 병렬포트가 사용이 됐었다. pin이 많은 포트를 사용하면서 생기는 해프닝으로 꽂다가 핀이 휘면 골치 아팠다던....

아무튼 parallel port를 보면 MB이상의 속도가 힘든 Spec을 볼 수 있다. Pin의 형태도 data out이 8핀과 ground가 많은 것을 볼 수 있다.

 

이후에 USB와 같은 serial type을 보면 속도가 빠른 것을 볼 수 있다. 그리고 특이점은 바로 D+와 D-를 통한 differential signal을 이용하는 것이다. 

C type의 경우는 양면을 위해서 Tx와 Rx를 분리하고 Data선도 위아래로 존재하게 되어있다.

 

아무튼 이렇게 serial로 오면서 differential signal에 대한 얘기가 빠질 수가 없는데, 이는 noise의 문제로 직결된다. 신호를 두개의 선으로 보내면서 같은 노이즈 (common noise) 를 제거하기가 쉽고, return path도 보장이 되어있어서 신호 무결성에 직결된다. 

 

물론 I/O pad는 애초에 너무 많은 수의 pin이어서 differential을 쓸 수 없다고 한다. 

Diff.signal 은 두 신호의 차이로 amplify해서 비교를 하는 셈이다. 그래서 교차 신호로 진행이 되고 큰 variation을 갖게 된다.
차등신호는 PCB 설계시에 routing이 꼭 같이 되어야한다. routing 차이로 loss가 나게 되면 차등신호도 효과가 없는 것이다.

 

여기서는 return path가 보장이 되고 current가 끊이지 않게 돼서, impedance 측면에서 좋다. 신호유지가 안정적으로 되는 것이다. ground path가 보통 return path로 쓰이는데, 파장이 짧으면 그 path가 제대로 신호 전달이 되는 것을 current density로 확인을 할 수도 있다.

 

만일 GND가 Analog와 Digital (노이즈 때문에 분간)을 분리시킬 경우에는 return path를 만든다고 한다. 그렇게 50옴을 유지하게 하는 것이다.

 

차등신호의 또 다른 장점으로는 timing skew가 절반이 되는 것이다. 이는 교차 신호로 이뤄지기 때문에 가능한 것이다. 또 차등으로 receiver gain도 크다. 

 

이어서 odd mode와 even mode를 배우게 되었다. 이는 신호선이 옆에 붙어있을 때 같은 방향으로 흐르면 even, 다른 방향으로 흐르면 odd mode라 뜻하게 된다. 특정 E/H field에 따라서 특성이 다르기 때문에 생긴 것이다. 

그러면 이에 따라서 impedance가 다르게 나타난다. 서로 신호선이 붙어서 신호가 어그러지게 되니, 다시 impedance matching을 해야하는 것이다. 

 

그렇게 even과 odd mode로 differential signal에 대해서 impedance를 확인할 수 있다. 그러면 식이 나오는데, 이에 대해서 다시 termination을 해야한다. common mode까지 고려해서 T와 ㅠ(pi) termination이 존재한다. 

 

USB 2.0의 예시를 보면 45R이 termination 저항으로 달린 것을 볼 수 있는데, 이는 앞서 본 impedance의 값의 변화에 따라서 termination한 것이다. 하지만 원래는 T model로써 5R도 필요하지만 cost의 문제등으로 무신한 상태이다. 

USB 3.0의 경우도 마찬가지로 termination을 진행한 것을 볼 수 있다.

이처럼 차등신호를 사용하므로써 50옴이 아닌 특성에 따라서 termination이 바뀐 것을 볼 수 있다.

 

 

cf. 모든 자료의 출처는 '경북대학교 송대건 교수님' 이십니다.