[ 이더넷 PHY ] Ethernet PHY, Voltage mode,Current Mode

PHY (Physical Layer Device)에서 Voltage mode(VM) 와 Current Mode(CM) 차이?

 

PHY는 네트워크의 물리 계층에서 데이터 링크로 비트를 전송하는 역할

또는 데이터 링크에서 물리계층으로 전송하는 역할을 한다.

 

PHY 전송 간략화

Current Mode(CM) 와  Voltage mode(VM)  블럭도

사진 출처:  https://www.ti.com

 

Voltage Mode 와 Current Mode 장단점

Voltage Mode Ethernet Driver

- DC Bias 전압 설정이 필요 없음.
- 고정된 출력 임피던스에서 동작하여 이더넷 라인의 전압으로 데이터 전송.
- 낮은 전력 소모로, 장거리 전송 시 신호 감쇠 발생.
- 주로 PCB 내 연결이나 짧은 거리, 배터리로 작동하는 장치에 적합.
- 빠르고 간단한 설계에 유리.

 

ex)10BASE-T 

• 통신 방식: Differential Manchester encoding이 사용
• 전압 레벨: 신호는 대략 ±2.5V의 전압 스윙으로 전송.
• 케이블: 주로 Category 3 이상의 UTP (Unshielded Twisted Pair) 케이블이 사용
• 거리: 최대 100 미터까지 지원

 

Current Mode Ethernet Driver

- DC Bias 전압 설정이 필요.
- 가변적인 출력 임피던스에서 작동하여 이더넷 라인의 전류로 데이터 전송.
- 높은 정밀도와 전송 거리, 특히 고속 이더넷(예: Gigabit Ethernet)에 적합.
- 주로 건물 간이나 캠퍼스 연결 등의 환경에 사용.
- 설계와 구현이 복잡하며, 전기적 노이즈가 많은 환경에서 선호됨.

 ex) 1000BASE-T 

• 4 쌍의 twisted pair 케이블 사용(PAM-5 (5-level Pulse Amplitude Modulation)방법 사용)

• PAM-5 : 쌍에 대해 5개의 가능한 전압 레벨 (또는 전류 레벨)을 사용하여 데이터를 전송

• 10BASE-T와 100BASE-TX (Fast Ethernet)와는 달리, 1000BASE-T는 전체 대역폭을 사용하여 데이터를 더 빠르게 전송

 

PHY에서 Voltage Mode 와 Current Mode를 어떻게 설정하는가?

 - 대분분의 상용 PHY칩은 사용자가 변경 불가

 - 특별한 경우 : FPGA 내부의 PHY 또는 고급버전에서 사용자 정의 ASIC 등에서 설정이 가능

 ( 참고: 데이터시트, 하드웨어 참조 매뉴얼, 관련 개발 툴 )

 

PHY에서 Voltage Mode 와 Current Mode를 구분하는 방법

출력 임피던스 측정

- Voltage Mode : 상대적으로 높은 출력

-  Current Mode : 상재적으로 낮은 출력

오실로스코프 사용 출력 신호

- Voltage Mode : 전압 스윙이 회로의 전원 및 접지 사이에서 발생

- Current Mode : 전류 변화에 따라 신호 전단 및 진폭이 유지

전력 소모 및 동작 주파수

- Voltage Mode : 낮은 주파수

- Current Mode : 높은 주파수,  전력을 소모 많음

 

PHY에서 Voltage Mode 와 Current Mode 를 DATASHEET에서 구분하는 법

 Voltage Mode 

•  Interface  : CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

•  Electrical Characteristics 전압 기반의 출력은 전압 스윙의 확인
•  MII와 RMII 인터페이스는 기본적으로 전압 기반의 디지털 신호를 사용.
•  MII 및 RMII 인터페이스의 전기적 특성 (예: V_IH, V_IL, V_OH 및 V_OL과 같은 입력/출력 전압 수준)을 확인

 

Current Mode 

•  Interface  : CML (Current Mode Logic)/ LVDS (Low Voltage Differential Signaling)

• output current / differential current  전류 스윙 값 확인

• Typical Application /Reference Design전류 모드 출력은 일반적으로 외부 저항 사용 터미네이션 에 대한 권장사항 확인

 

** 이론상의 내용이며 현재 대부분의 칩은 Voltage Mode 로 사용함.

실무는 다를 수 있다는 점을 확인 해야됨

참고 : 

Maxim Integrated - MAX3940
ON Semiconductor - MC100EP210
Texas Instruments - DS25BR100
Marvell - Alaska X 88X7120
Broadcom - BCM8486X
Microchip - VSC8489