24 Design Wave Magazine 2009 January
ここでは差動伝送の長所，短所について整理し，数百Mbps
～数Gbpsの信号を伝送するための基礎知識を解説する．
（編集部）
パソコンの処理能力が高まるにつれて，利用するイン
ターフェースも高速化が要求されてきました．現在，パソ
コンの内部ではボード間をPCI Expressが，ハード・ディ
スクとメイン・ボードの間はSATAがインターフェースし
ています．さらには，パソコンとビデオ・カメラはIEEE
1394，ディスプレイはHDMIやDVI-D，そのほかの周辺
機器はUSB 2.0がインターフェースしています．これらは，
すべて物理層で差動伝送を利用しています．
1．差動シリアル伝送の規格
差動伝送には，いくつかの規格があります（図1）．
①主にプリント基板内で使われる規格
②プリント基板間や基板と特定の機材を接続する規格
③機器同士を接続する規格
などのように分類できます．例えば，
①としては，
¡LVDS（Low Voltage Differential Signaling）
¡MIPI（Mobile Industry Processor Interface）
②としては,
¡PCI Express
¡SATA（Serial Advanced Technology Attachment）
¡MVI（Mobile Video Interface）
¡MDDI（Mobile Display Digital Interface）
③としては，
¡HDMI（High-Deffinition Multimedia Interface）
¡USB（Univarsal Serial Bus）
¡IEEE 1394（FireWire, iLink）
などが挙げられます．そのほかにもRS-485などがありま
第1章
差動伝送線路の基礎知識�差動伝送線路の基礎知識�数百MHz～数GHzの信号伝送に必須のアナログ知識を凝縮�
西城知幸�
図1 差動伝送は身近なところで利用されている
アプリケーション・�プロセッサ�
ベースバンドASIC
（a）MIPIなど�
（b）PCI Express
（c）USBやHDMI
USB
HDMI/DVI-D
サウス・�ブリッジ�
PCI Expressなど�
CPU
シリアライザ，デシリアライザ，特性インピーダンス，集中定数回路，分布定数回路，ストリップ線路，マイクロストリップ線路，整合，反射，分岐，差動インピーダンスKeyword
Design Wave Magazine 2009 January 25
す．最近は低電圧，低電力の特徴を生かして，MIPI，MVI
などモバイル関連のインターフェースがいろいろ出てきて
います．
それぞれ仕様は異なりますが，共通していることは電圧
振幅が0.3Vp-p程度であるなど，差動伝送の利点を生かして
振幅が小さく，高速なシリアル伝送です．
規格にもよりますが，消費電力は1本の伝送線路当たり
1.8mW程度です．
最近の傾向としては，LSIの微細化などによる動作電圧
の低下に合わせて，振幅の中心電圧（バイアス）はグラウン
ドに近づく傾向にあります．
例えばLVDSとPCI Expressを比較すると，LVDSは振
幅が0.3Vと小さいのですが，振幅の中心電圧は1.5Vでし
た．PCI Expressは，振幅こそ0.3～0.4Vと，LVDSと変
わりませんが，その中心電圧は0.8V程度と低くなっていま
す．
2．いまなぜ差動シリアル伝送か？
● 差動伝送の長所と短所
差動伝送とは，1組のペアになった線路に信号を通すこ
とです．このときに位相が同じ信号を扱うのがEVEN（同
相）モード，位相が180°異なる信号を扱うのがODD（差動）
モードです．通常，差動伝送はODDモードです（図2）．
忘れたくないのは電気信号の伝わる方向と電流の向きは
同じではないことです．電気信号は最初，プラス側もマイ
ナス側も信号源から遠ざかる方に伝わっていきます．
差動伝送の特徴は，
①電圧の振幅を小さくできる
②ノイズに強い
③外部に影響を与えにくい
④高速化が可能なためパラレル配線を集約できる
⑤駆動回路が複雑
⑥長さをそろえる必要があり基板上の処理が面倒
などが挙げられます．
①電圧の振幅を小さくできる
①について考えてみます．差動伝送線路の片側で見た場
合，電圧振幅は小さくても2本の差動信号として伝送する
ため，受信端のアンプで合成すると2倍の振幅と等価にな
ります（図3）．この特徴は昨今のLSIの微細化に伴う動作
電圧の低下によって，扱う信号電圧が下がる傾向に対して
も有利になります．
②ノイズに強い
差動伝送がコモン・モード・ノイズに対して強い理由は，
受信端のアンプで合成したときに，図4のようにコモン・
モード成分だけが打ち消されるためです．
シングルエンド伝送の場合，図5のように信号成分Aと
ノイズ成分Cが独立で，IC内部のスレッショルド電圧Vth
も独立となるため，ノイズに対して弱くなります． さら
に，いままでのシングルエンド伝送の場合，LSIの最大の
振幅で動作するため，内部および外部バスを駆動するため
に電流を多く流していました．
例えばLVDSでは，負荷の100Ωに対して0.35Vの振幅
を与えるような設計であるため，3.5mAの電流を負荷に流
せればよく，1.225mWの電力ですみます．このため消費電
力も小さくなります．
特集�
2
1
3
App1
App2
4
5
6
ペアの伝送線路�
A0
（b）EVENモード（偶モード，同相モード）�
V
AとBに同位相の�信号を加える�
T
B
V
T
ペアの伝送線路�
A
V
AとBに逆位相の�信号を加える�
差動伝送はこちらのこと�
T
B
V
T
（a）ODDモード（奇モード，差動モード）�
＋�A B－� ＋�A B＋�
1本の信号線路の振幅の2倍に見える�
x1
－� ＝�
2倍�
図2差動伝送はペアの伝送線路AとBに逆位相の信号を加える
図3 受信端のアンプで合成すると2倍の振幅が得られる
