차동 신호는 두 선의 무엇을 빼서 잡음을 줄일까
함께 올라간 두 사람의 키 차이는 그대로다
같은 엘리베이터에 탄 두 사람은 층이 올라갈수록 지면에서 멀어진다. 그러나 두 사람의 키 차이는 바뀌지 않는다. 차동 신호도 비슷한 생각을 쓴다. 선 하나의 전압을 접지와 비교하는 대신, 두 입력 전압의 차이로 정보를 읽는다. 두 선이 함께 흔들리는 성분과 서로 달라지는 성분을 구분하는 것이다.
그렇다고 두 선이 각각 독립된 비트를 보내서 전송량이 두 배가 되는 방식은 아니다. 보통 하나의 정보를 두 선 사이의 차이에 담는다. 같은 간섭이 두 선에 비슷하게 들어오도록 배치하고, 수신기가 그 공통 성분을 잘 거부하게 만들면 작은 전압 차이도 읽기 쉬워진다. 배선과 수신 회로가 함께 만드는 이점이다.
차동 전압과 공통 전압을 따로 읽는다
수신기 입력에서 측정한 두 선의 전압을 V_P와 V_N이라고 하자. 각 전압은 수신기 쪽 기준 접지에 대해 잰 값이다. 두 값은 다음 두 성분으로 정리할 수 있다.
V_diff = V_P − V_N
V_cm = (V_P + V_N) / 2
V_diff는 차동 전압이고 V_cm은 공통 모드 전압이다. 설명용으로 한 선이 1.35 V, 다른 선이 1.05 V라면 차이는 0.30 V, 공통 모드는 1.20 V다. 두 선에 똑같이 0.10 V의 간섭이 더해지면 각각 1.45 V와 1.15 V가 된다. 공통 모드는 바뀌지만 차이는 여전히 0.30 V다. 이상적인 수신기는 이 공통 변화를 정보로 읽지 않는다.
두 전압의 높고 낮음이 서로 바뀌면 차동 값은 −0.30 V가 된다. 이 예에서 차동 전압의 두 끝값 사이는 0.60 V지만, 각 선의 전압 변화 폭은 0.30 V다. ‘신호 크기’라는 숫자를 읽을 때 단일 선인지 차동인지, 한쪽 진폭인지 peak-to-peak인지 확인해야 한다. TI의 LVDS 설명은 작은 전압 차이와 전류 방향으로 비트를 전달하는 실제 구조를 보여 준다.
같은 잡음이 다르게 도착하면 뺄셈으로 사라지지 않는다
앞의 계산에는 중요한 조건이 있다. 간섭이 두 입력에 같은 크기와 같은 시각으로 도착해야 한다. 한 선에 100 mV, 다른 선에 80 mV가 더해지면 차동 성분에 20 mV가 남는다. 이 성분은 수신기가 읽으려던 정보와 같은 형태라서 단순히 ‘공통 잡음 제거’를 켜서 없앨 수 없다.
따라서 두 경로의 지연과 손실, 주변 도체와의 결합을 비슷하게 유지해야 한다. 선 길이만 같아도 한쪽에만 다른 비아나 커넥터 구조가 있으면 전기적으로 같지 않을 수 있다. 선폭과 간격, 기준면을 대칭적으로 유지하는 이유다. 수신 회로 자체의 두 입력도 완벽하게 같지는 않다. 공통 성분이 출력에 얼마나 남는지를 나타내는 공통 모드 제거비, CMRR은 유한하며 주파수에 따라서도 달라진다. ADI의 공통 모드 오차 설명은 저항 불일치뿐 아니라 시간 지연과 위상 차이도 원인으로 구분한다.
여기서 모든 외부 잡음이 자동으로 공통 성분이 되는 것은 아니다. 간섭원이 한 선 바로 옆에 있으면 두 선을 다르게 흔들 수 있다. 차동 연결은 잡음을 같은 방식으로 받기 유리하게 만드는 설계이지, 주변 배치를 무시해도 된다는 허가가 아니다.
차이만 읽어도 입력 범위와 돌아오는 길은 필요하다
두 선의 차이가 작아도 각각의 전압이 수신기의 허용 범위를 벗어나면 정상 동작을 보장할 수 없다. 큰 공통 전압 때문에 내부 회로가 포화될 수 있기 때문이다. 송신기와 수신기의 접지 전위 차이도 공통 모드를 이동시킨다. 차동 진폭 조건과 공통 모드 입력 범위를 별도로 맞춰야 하며, 허용 숫자는 인터페이스와 부품마다 다르다.
이상적인 두 도체의 차동 전류는 서로 반대 방향으로 흐르며 폐회로를 이룬다. 하지만 PCB 차동쌍도 기준면과 전자기장을 형성하고, 공통 모드 전류나 불균형이 생기면 그에 맞는 귀환 경로가 필요하다. 접지면을 끊거나 층 전환을 불균형하게 만들면 경로와 결합이 달라진다. TI의 차동 배선 지침은 차동쌍에도 연속적인 기준면과 균형 있는 경로가 필요함을 보여 준다.
두 선과 핀을 쓰는 공간, 경로의 대칭을 맞추는 비용을 들이는 대신 잡음에 대한 여유를 얻는다. 그 여유는 두 입력에 무엇이 함께 도착하고 무엇이 차이로 남는지, 그리고 수신기가 어느 범위에서 작동하는지에 달려 있다.