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싱글엔드 신호와 차동 신호의 차이점 정리

싱글엔드는 신호선 1개의 전압을 그라운드 기준으로 읽는 방식으로, 배선이 적고 간단합니다. 차동 신호는 2개의 선에 서로 반대 방향의 신호를 흘리고, 두 선의 전압 차로 0과 1을 읽습니다. 두 선에 똑같이 실린 노이즈나 그라운드 전위 차이는 차를 취하면 상쇄되고, 반대 방향 전류가 만드는 전자기장도 서로 상쇄되므로 작은 진폭으로 빠르고 멀리 보낼 수 있습니다. 대신 신호 하나에 선이 2개 필요하고, 두 선의 길이와 간격을 맞추는 설계가 요구됩니다.

비교 항목싱글엔드차동 신호
신호 하나당 선의 수1개(귀환 전류는 그라운드를 공유)2개(양과 음의 쌍)
읽는 기준그라운드와의 전압두 선의 전압 차
동상 노이즈그대로 신호에 실림차를 취하면 상쇄됨(수신 회로의 CMRR에 따름)
그라운드 전위 차이송신 측과 수신 측의 그라운드 차이가 그대로 오차가 됨수신 회로가 허용하는 동상 전압 범위 안이라면 영향을 받기 어려움
방사 노이즈(EMI)전류 루프가 커서 발생하기 쉬움반대 방향 전류의 전자기장이 서로 상쇄되어 발생하기 어려움
신호 진폭큼. 전원 전압에 가까움(예: 0~3.3 V)작음. 수백 mV 정도(LVDS는 약 350 mV)
속도 기준수십~수백 Mbit/s 정도. 종단 등을 연구한 메모리 버스에서는 선 하나당 수 Gbit/s쌍 하나당 수백 Mbit/s~수십 Gbit/s
배선 설계간단함. 빠른 신호에서는 특성 임피던스와 종단에 주의두 선의 길이와 간격을 맞추고, 차동 임피던스(대부분 85~100 Ω)를 유지
비용·단자 수저렴하고 단자가 적음단자와 배선이 2배. 송수신 회로도 복잡함
대표적인 예GPIO, I2C, SPI, UART, DDR의 데이터(DQ)LVDS, USB, PCI Express, SATA, HDMI, 이더넷, CAN, RS-485

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

싱글엔드
속도가 그다지 높지 않고 거리가 짧을 때, 단자 수나 비용을 줄이고 싶을 때. 기판 위의 GPIO, I2C, SPI 등.
차동 신호
Gbit/s급 고속 신호, 케이블로 떨어진 기기를 연결할 때, 노이즈가 많은 환경, 방사 노이즈를 줄이고 싶을 때. PCIe, USB, 이더넷, 자동차의 CAN 등.
구분해 쓰는 예
DDR 메모리에서는 개수가 많은 데이터(DQ)는 싱글엔드로 하고, 타이밍 기준이 되는 클록과 스트로브(DQS)는 차동으로 해서 단자 수와 신뢰성을 함께 확보합니다.

자주 묻는 질문

차동 신호가 동상 노이즈에 강한 이유는 무엇인가요?

두 선을 가까이 나란히 두면 외부 노이즈는 거의 같은 양만큼 양쪽에 실립니다. 수신 측은 두 선의 전압 차만 읽으므로, 똑같이 실린 노이즈(동상 노이즈)는 뺄셈으로 사라집니다. 그라운드 전위가 어긋나도 마찬가지로 양쪽 선에 걸리므로 영향을 받기 어렵습니다.

선이 2개 필요한데도 차동 신호가 더 빠르게 보낼 수 있는 이유는 무엇인가요?

노이즈에 강하므로 진폭을 수백 mV까지 줄일 수 있고, 충방전하는 전압이 작은 만큼 빠르게 전환할 수 있기 때문입니다. 방사 노이즈도 적고 그라운드 전위 차이도 신경 쓰기 어려워, 직렬 전송에서는 쌍 하나당 수십 Gbit/s까지 빠르게 할 수 있습니다.

차동 쌍 배선에서는 무엇에 주의하나요?

먼저 두 선의 길이를 맞추는 것입니다. 길이가 다르면 두 신호의 도착이 어긋나 차동 파형이 무너지고, 일부가 동상 노이즈로 바뀌어 방사도 늘어납니다. 또한 두 선의 간격을 일정하게 해서 차동 임피던스를 규격 값(대부분 85~100 Ω)으로 유지하고, 수신 측에서 종단합니다.

차동 신호에서는 그라운드가 필요 없나요?

전혀 필요 없는 것은 아닙니다. 두 선의 전압 평균(동상 전압)이 수신 회로가 허용하는 범위 안에 들어 있어야 합니다. 그래서 그라운드를 공통으로 하거나, 커패시터나 트랜스로 직류를 차단하고 수신 측에서 동상 전압을 다시 만듭니다. 이더넷에서는 트랜스로 기기 사이를 절연합니다.

이해도 확인

고속 직렬 전송에서 2개의 선에 반대 방향의 신호를 흘리는 차동 신호가 사용되는 주된 이유는?

  1. A선이 2개이므로 보낼 수 있는 데이터 양이 반드시 2배가 되기 때문
  2. B한쪽 선이 끊어져도 다른 쪽만으로 같은 속도로 보낼 수 있기 때문
  3. C2개 선에 똑같이 실린 노이즈가 차를 취하면 상쇄되어 작은 진폭으로도 빠르고 확실하게 보낼 수 있기 때문
정답과 해설 보기

정답: C. 2개 선에 똑같이 실린 노이즈가 차를 취하면 상쇄되어 작은 진폭으로도 빠르고 확실하게 보낼 수 있기 때문

차동 신호에서는 2개 선의 전압 차로 0과 1을 나타냅니다. 외부 노이즈는 가까이 나란히 달리는 2개 선에 거의 똑같이 실리므로 차를 취하면 상쇄됩니다. 그 덕분에 진폭을 수백 밀리볼트까지 줄일 수 있어 전압을 바꾸는 시간과 전력이 줄고 빠르게 보낼 수 있습니다. 2개 선의 전류가 반대 방향이므로 외부로 방출하는 전자기 노이즈도 작아집니다.

칩이나 보드 간의 고속 접속이 많은 선을 나란히 배치하는 병렬 전송에서 적은 선에 빠른 신호를 흘리는 직렬 전송으로 옮겨 온 주된 이유는?

  1. A병렬 전송에서는 선마다 도착 시간의 어긋남(스큐)이 문제가 되어 속도를 높이기 어렵기 때문
  2. B직렬 전송은 전기를 사용하지 않으므로 소비 전력이 0이 되기 때문
  3. C병렬 전송이 법으로 금지되었기 때문
정답과 해설 보기

정답: A. 병렬 전송에서는 선마다 도착 시간의 어긋남(스큐)이 문제가 되어 속도를 높이기 어렵기 때문

병렬 전송에서는 많은 선의 비트를 같은 클록으로 맞추어 받아야 합니다. 속도가 올라가면 배선 길이의 미세한 차이로 인한 도착 시간의 어긋남(스큐)이 클록 주기에 비해 무시할 수 없게 되어 더 이상 빠르게 할 수 없습니다. 직렬 전송에서는 선 한 쌍마다 데이터에서 클록을 추출하므로 스큐 문제가 없고 선당 속도를 크게 높일 수 있습니다. 단자와 배선의 수도 줄일 수 있습니다.

PCI Express의 "레인"에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A송신용과 수신용 차동 쌍을 하나씩 가진 접속 단위로, 레인을 묶어 대역폭을 늘릴 수 있다
  2. B1개의 선으로 송신과 수신을 번갈아 전환하며 수행하는 단위
  3. CPCI Express 기기를 꽂는 슬롯의 물리적 길이
정답과 해설 보기

정답: A. 송신용과 수신용 차동 쌍을 하나씩 가진 접속 단위로, 레인을 묶어 대역폭을 늘릴 수 있다

PCI Express의 1레인은 송신용 차동 쌍과 수신용 차동 쌍, 총 4개의 선으로 이루어져 있어 양방향으로 동시에 데이터를 보낼 수 있습니다. x4나 x16처럼 레인을 묶으면 데이터를 각 레인에 분배하여 보내므로 대역폭은 레인 수에 비례해 늘어납니다. 그래픽 카드는 x16, SSD는 x4, 네트워크 카드는 x1~x8 등이 흔히 사용됩니다.

  1. 차동 증폭 회로의 CMRR(동상 신호 제거비)이 크다는 것의 의미로 올바른 것은 무엇입니까?
  2. ADC에 차동 입력을 사용하는 장점으로 옳은 것은 무엇인가?
  3. 양 끝에 120 Ω의 종단 저항을 단 CAN 버스에서, 전원을 끈 상태로 CAN_H와 CAN_L 사이의 저항을 측정했다. 정상인 경우의 값으로 가장 가까운 것은?

I/O 인터페이스와 버스 문제 풀기

주요 용어 설명

차동 신호(Differential Signaling)
두 선에 반대 방향의 신호를 흘리고 전압 차로 0과 1을 나타내는 방식. 두 선에 똑같이 실린 잡음이 상쇄되므로 작은 진폭으로 빠르게 전송할 수 있다.
CMRR(동상 신호 제거비)
차동 증폭 회로에서 차동 신호의 이득과 두 입력에 똑같이 가해지는 동상 신호의 이득의 비. 클수록 배선에 실리는 공통 잡음을 제거할 수 있다.
특성 임피던스(characteristic impedance)
전송로를 진행하는 전기 파동이 느끼는 전압과 전류의 비. 배선의 폭과 층 간격으로 정해지며 도중에 달라지는 곳이 있으면 신호가 반사된다.
PCI Express
CPU와 GPU, SSD, 네트워크 카드 등을 연결하는 고속 직렬 확장 인터페이스. PCIe로도 표기한다. 레인을 묶어 대역폭을 늘리며 세대마다 속도가 약 2배가 된다.
크로스토크(Crosstalk)
인접한 배선 사이의 용량 결합 등으로 한쪽 신호의 변화가 다른 쪽에 잡음으로 나타나는 현상. 배선 간격을 넓히거나 실드 배선을 넣어 억제한다.

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