ギガビット高速信号伝送を理解するための基礎知識(前編) ―― 差動信号伝送の歴史，規格の違いから終端処理まで
●同相のノイズを除去できるLVDS
コンピュータ・システムの処理能力が向上するに従い，1990年ころには，データ伝送についても高速化が必要となりました．例えば，図6のような機器の内部，あるいは外部で広帯域の画像データ伝送やパラレル・バスの高速化が求められるようになりました．これらはRS-422/485などの差動伝送仕様の能力をはるかに上回るものでした．
図6 広帯域信号伝送のアプリケーション例
パソコンの外部バス，液晶ディスプレイ，基地局，MFP（マルチファンクション・プリンタ），医療用機器などに使われている．
当時，高速動作可能なECL（Emitter Coupled Logic）が一部の回路に使用されていましたが，負電源駆動，汎用ロジック・レベルと非互換，電力消費が非常に大きい，などの制限があり，一般的なアプリケーションで使われることはありませんでした．
1993年には，RS-422/485の差動伝送のメリットを生かして高速化し，設計が容易なLVDS（Low Voltage Differential Signaling；小振幅差動信号）の物理層デバイスが出荷されました．現在では「EIA/TIA/ANSI-644B」として規格化され，多くの半導体メーカが差動信号の代表的な仕様として採用しています．
内部構造は，図7の ようにRS-422ドライバの等価回路とほぼ同等です．回路的には今までのRS-422の拡張といえるでしょう．違いは定電流源の追加です．3.5mAの定電流源で振幅を抑えることにより，高速化を達成しています．
図7 LVDS出力のCMOS等価回路
差動伝送路の特性インピーダンスが100Ωの場合，100Ωの終端抵抗を使用すると350mVの振幅になります．振幅を下げるとノイズ耐性が下がりますが，図8の下のように差動信号では＋/－双方の差動ラインに同じノイズが乗ります．レシーバは「(＋信号)－(－信号)」となるので，同相のノイズは除去されます．これにより，LVDSはシングルエンド信号以上のノイズ耐性を持っています．
図8 コモンモード・ノイズの除去
LVDSの最大伝送速度は規格上655Mbpsで，帯域を広げた3Gbps程度までのデバイスが出荷されています．3.5mAの定電流源駆動のため，低消費電力で振幅が小さく，不要輻射ノイズも小さいという特徴があります．また，受信端では＋/－100mVの感度のため，伝送速度が高くても，伝送距離を伸ばすことができます（図9）．
図9 LVDS仕様の概要
●正電源のPECL，LVPECLが登場
1971年ごろ，負電源を使用した消費電流の大きなバイポーラ・トランジスタの高速I/Oデバイス「ECL10Kロジック・ファミリ」を米国Motorola社が製品化しました．その後，温度や電圧変動に強いバンドギャップ参照電圧回路を内蔵した「100Kロジック・ファミリ」を米国Fairchild Semiconductor社が製品化し，さらに負電源を正電源に変更した「PECL（Positive ECL）」や，その低電圧版のLVPECL（Low Voltage PECL）が登場しました．
PECL，LVPECLとも正電源となりましたが，消費電力の大きさはECLと同じです．PECLの等価出力回路は図10のように差動の二つの出力（＋/－）を持っており，回路上の片方のみのシングルエンド出力としても使用できます．
図10 PECL等価回路
●数Gbpsの伝送によく使われるCML
CMLは，図11の等価回路のように単純な構成です．消費電力は大きいのですが，エッジ・レートが速いため，最近の数Gbpsの高速インターフェースで多く使われています．標準800mVの出力振幅で1対1（ピア・ツー・ピア）構成となります．帯域は25Gbps以上も実現可能ですが，LVDSのように規格化されておらず，製品や企業ごとに入出力の仕様が異なります．その違いを吸収するため，AC結合で使用されることが一般的です．
図11 CML等価回路
●32台までのマルチドロップが可能なM-LVDS
M-LVDSは「マルチポイントLVDS」の略称です．LVDSと同じようにANSI/EIA/TIA-899として規格化されています．250Mbpsまでの帯域で，RS-485のように32台までのマルチドロップが可能です．100Ω終端時の出力振幅が標準550mVと大きく，反射を防ぐためにエッジ・レートもLVDSより遅くなっています．
等価回路からも分かるように，差動信号規格の出力には，差動出力電圧（TXVod），GNDからのオフセット電圧（TXVOH/L），コモン・モード電圧（TXVos）に違いがあり，同じ規格同士で接続することが一般的です（図12）．ただし，AC結合によってDC成分を除去したり，受信側の受信電圧範囲を広くとるなどした場合は，異なる規格でも受信可能です．
図12 各差動仕様の出力電圧の比較
