회로 Single-ended vs Differential

대학교 커리큘럼만 배우고 넘어오다 보면 single-ended 와 differential 에 대해 알고는 있지만 이를 명확히 알고 왜 differential을 사용하는 지에 대해 아는 사람은 많지 않습니다. 그래서 single-ended 와 differential 회로에 대해 조금 자세히 다뤄보고자 합니다.

 

 

Single-ended 회로는 말 그대로 output이 single port로 나오는 회로를 의미하며, 좀 더 자세히 말하면 fixed potential 에 대해 output이 측정되는 회로라고 볼 수 있습니다. 일반적으로 회로를 회석할 때는 single-ended로 많이 회석하곤 합니다. Differential 회로도 사실 single-ended 로 modeling해서 분석할 수 있기 때문이죠.

일반적인 single-ended 회로는 위와 같은 형태를 하고 있습니다.

반대로 differential 회로에서는 위와 같이 common mode level 에 대해 두 output node가 반대의 위상을 갖고 있습니다. Ideal 하게는 이 두 노드는 똑같은 impedance를 갖고있어야 합니다. 이러한 differential system에서의 신호 해석은 single-ended 에 비해 조금 더 복잡합니다. 만약 input으로 V0coswt 라는 신호가 들어온다고 가정하면 peak-to-peak voltage는 2V0입니다. 하지만 differential system 에서는 differential peak-to-peak swing을 따져야 하므로 4V0의 swing을 갖고 있음을 알 수 있습니다. 이러한 이유 때문에 1V의 supply voltage 에서도 differential peak-to-peak 이 1V 보다 더 큰 swing을 가질 수 있습니다.

이러한 differential 회로는 single-ended 회로와 비교했을 때 여러 noise에 더 강인하다는 강점이 있습니다. 아래에서 좀 더 자세히 다뤄보겠습니다.

아날로그 신호 근처에 디지털 클락 라인이 달리고 있다고 가정해보겠습니다. 이 클락 신호가 흐르는 metal line과 analog 신호가 흐르는 metal line 사이에서는 coupling cap 이 존재합니다. 그리고 이 clock signal은 계속해서 0과 1 사이를 toggle 하기 때문에 analog signal 이 흐르는 metal line 에 엄청난 noise 를 발생시킵니다. (실제로는 이를 방지하기 위해 clock line 근처에 ground 가 연결된 metal line을 깔아 shielding해줍니다) 하지만 differential 회로의 경우에는 layout을 symmetric 하게 한다면 differential node 간에 같은 noise 가 끼게 되어 differential output node , 즉 , Voutp - Voutn 을 보면 노이즈가 거의 보이지 않게 됩니다.

이번에는 supply noise에 noise가 타고 들어온다고 가정해봅시다. Metal 로 power line을 빵빵하게 놓아주긴 하지만 실제로는 supply voltage 에 저런식으로 noise가 발생하게 됩니다. noise 자체는 작을 수도 있지만 low frequency 에서 동작하면서 resolution을 엄청 high - resolution 으로 갖고가는 경우에는 저런 noise 조차 줄이고 싶을 수 있습니다. 이 때 single-ended 로 회로를 설계하게 된다면 supply를 타고 내려오는 노이즈가 그대로 보이게 됩니다. output 이 자글자글 흔들리게 된다면 정말 끔찍하죠. 하지만 differential로 회로를 설계하게 된다면 supply 에 보이는 noise가 Voutp - Voutn 으로 어느정도 상쇄되게 됩니다. 이러한 noise 들은 대부분 common 하기 때문에 differential 회로의 경우에는 supply noise가 상당히 감소함을 알 수 있습니다.

 

따라서 대부분의 고성능의 회로에서는 single-ended 보다는 differential 회로를 많이 선호하게 됩니다. 하지만 single-ended 회로가 파워를 조금 덜 소모하는 장점이 있죠. 결국 power 를 trade-off 로 해 noise 에 얼마나 robust 한 회로를 설계하냐가 관점입니다. 따라서 자신이 설계하는 회로가 noise 는 거의 신경을 쓰지 않고 low power 동작에만 신경을 쓰게 된다면 single-ended로 설계를 하는 것도 하나의 방법입니다.