シングルエンド信号と差動信号
シングルエンド信号と差動信号は、電気信号を伝送するための2つの基本的なアプローチです。シングルエンドの方が簡単です。差動方式では同相ノイズを除去できるため、高速、長距離、ノイズに敏感なアプリケーションには不可欠です。
シングルエンドシグナリング
シングルエンド信号は、共有グランドを基準とする1本の信号線を使用します。信号電圧は共通のグランドレールを基準にして測定されます。例:UART、SPI、スタンダード GPIO、TTL ロジック
Advantages
- シンプル — 信号ごとに1本の配線、共有グランドリターン
- トレースが少なく、PCBの配線が複雑になる
- 標準ロジックファミリ (CMOS、TTL) に対応
- 短時間の低ノイズインターコネクトのコスト削減
Disadvantages
- ボード間の接地電位差に敏感
- コモンモードノイズ (電源リップル、EMI) の影響を受けやすい
- 接地インピーダンスの影響による速度と距離の制限
- グランドループは敏感な測定で誤差の原因となります
When to use
基板上の短い接続、単一ボードまたは電源ドメイン内の低速信号、および単純なGPIOにはシングルエンドを使用してください。トレースは短くして、適切なグランドプレーンを用意してください。
差動シグナリング
差動信号は、反対極性の信号を伝送する2本の相補線を使用します。レシーバは差 (V+ − V−) を検出し、両方のワイヤに存在する同相ノイズを均等に除去します。例:RS-485、CAN、LVDS、USB、イーサネット、HDMI。
Advantages
- 優れた同相ノイズ除去性能（CMRR：標準60～80dB）
- 両端間の接地電位差の影響を受けない
- 高速シグナリングを実現:LVDS (3Gbps 以上)、イーサネット (10Gbps)
- 長いケーブルでも使用可能:RS-485～1200 m、イーサネットケーブル最大 100 m
Disadvantages
- 信号ごとに2本の配線が必要 — 配線数が2倍に
- 高速信号には一致したトレース長 (スキュー制御) が必要
- 差動ドライバ/レシーバはコストとIC数を増やす
- 高速設計には制御されたインピーダンスPCBルーティングが必要
When to use
ボード間および基板外信号、高速データ (USB、HDMI、イーサネット)、長いケーブル配線、ノイズの多い産業環境、および最大50 Mbpsを超える信号には差動を使用してください。
Key Differences
- ▸シングルエンド：1線+共有グランド、差動：逆極性信号の2線
- ▸差動CMRRは60～80dB、シングルエンドには固有の同相ノイズ除去機能はありません
- ▸ディファレンシャルは、より長いケーブル配線と高速をサポートします
- ▸差動にはマッチングしたトレースとケーブルのペアが必要だが、シングルエンドでは不要
- ▸すべての高速規格 (USB、PCIe、HDMI、イーサネット) は差動信号を使用します
Summary
制御されたグランド環境での基板上の短い低速信号には、シングルエンドで十分です。ノイズ、グランド差、またはEMCが懸念される基板間信号、高速信号、または長距離信号には差動が必要です。基板から出力されるものが疑わしい場合は、差動を使用してください。
Frequently Asked Questions
差動信号がノイズを除去するのはなぜですか？
差動ペアによって拾われたノイズは、両方のワイヤに等しく影響します（コモンモード）。レシーバは V+ − V− を減算するので、コモンモードノイズは相殺されます。両方のワイヤに1Vのノイズ・バーストが発生すると、差動ノイズはゼロになりますが、100mVの正規の差動信号は完全に回復します。
LVDS とは何ですか?
LVDS（低電圧差動信号）は、1.2Vのコモンモードで動作し、350mVの差動振幅で動作する高速差動規格です。1レーンあたり1～3Gbps以上のGbpsを実現し、FPGA、カメラインターフェイス (MIPI、FPDリンク)、ディスプレイリンク (HDMI内部) で使用されています。
差動信号にはインピーダンスマッチングが必要ですか?
最大100 Mbpsを超える速度の場合は、はい。差動トレースは、差動インピーダンス（ほとんどの規格では通常90～120Ω）を制御したマッチングペアとして配線する必要があります。ペア内の長さマッチングは、レシーバーでの 5 ～ 10 ps スキューよりも優れているはずです。低速では、インピーダンス・マッチングはそれほど重要ではありません。
コモンモードノイズとディファレンシャルモードノイズとは？
コモン・モード・ノイズは両方の導体に均等に現れます (差動レシーバでは除去されます)。差動モードノイズは 2 つの導体間の差として現れます (信号と区別がつかない)。EMIフィルタは両方を対象としています。コモンモードチョークはコモンモードノイズを除去し、差動コンデンサはディファレンシャルモードノイズを除去します。