[전자] 데이터 신호( Data signal ) 와 AC 커플링 ( AC Coupling )

데이터신호 와 AC 커플링의 연관성을 알아보자.

대표적으로 PCIe  (Peripheral Component Interconnect Express)에서 AC커플링을 사용한다.

 

데이터 신호

 - 데이터 신호는 변화하는 전압 또는 전류의 형태로 정보를 나타내고, 이 변화가 실제로 전송하려는 데이터를 표현

( 디지털 신호로 0과 1 로 표현됨).

 

PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)

 - 디지털 신호를 사용하는 컴퓨터 내부의 고속 직렬 통신 버스 표준으로  높은 데이터 전송 속도를 달성하기 위해, 여러 개의 레인을 통해 데이터를 동시에 전송함. 

 

AC coupling을 사용하는 이유

- DC 성분을 제거  ( 핵심 )

AC coupling

사진 및 자료 출처 : https://components101.com/article/ac-coupling-vs-dc-coupling-in-reducing-noise-for-signal-measurement

• 장비 간의 전기적 호환성 (전자 장비 간의 DC 레벨 차이)
  • 같은 Amplitude (진폭)이라도 장비 신호의 offset에 다를 수 있음.
  • DC 성분을 제거함으로 서로 신호를 맞춰줌. ( 신호의 왜곡을 막고 신호 무결성 유지함) 

장비 간의 전기적 호환성

• 전력 소비 감소
  • DC 성분이 신호에 포함되어 있으면, 시스템은 이를 유지하기 위해 추가적인 전력을 소모됨.
  • 특히, 고속 통신에서는 이러한 전력 소비가 상당할 수 있으며, DC 성분을 제거함으로써 전력 효율을 높임.
• 대역폭 제한
  
  • DC 성분이 포함되면, 유용한 대역폭이 줄어들어, 신호 전송의 효율성이 떨어질 수 있음, 이는 특히 고속 데이터 전송에서 문제가 됨
• 선로의 저항과 열 손실
  • 신호가 전송선을 따라 이동할 때, 선로의 저항으로 인해 전력 손실이 발생함.
  • DC 성분이 큰 경우, 이러한 손실은 더욱 증가하며, 결과적으로 신호의 진폭이 감소하게 됨.

AC coupling의 캐패시터 용량은? ( 선정 시 고려사항 )

 -  AC coupling 은 저주파  ( 캐패시터 용량 높음 ↑) 고주파 (캐패시터 용량 낮음 ↓) 

• RC필터링 (컷오프 주파수와 신호 대역폭)
  • AC 커플링 커패시터는 낮은 주파수에서도 신호를 효과적.
  • 커패시터와 부하 저항(R)이 형성하는 RC 필터의 컷오프 주파수(f_c)에 의해 결정되며, (f_c =1 / 2πRC) 공식으로 계산됨. 따라서, 특정 컷오프 주파수 이하에서 신호가 잘 전달되도록 커패시터의 용량을 선택.
  •  엑셀 : f_c =  1/(2*PI()*A1*B1) = Ex) f_c = 1 / (2 * π * 1000Ω * 0.0000001 F)
• 임피던스 매칭
  • 고속 데이터 전송에서는 신호 경로상의 모든 구성 요소 간 임피던스 매칭이 중요.
  • 임피던스 불일치는 신호 반사를 일으킬 수 있으며, 이는 데이터 오류와 손실을 증가시킬 수 있음.
  • 낮은 용량의 커패시터는 임피던스 매칭을 개선하는 데 도움이 될 수 있으며, 신호 경로에서 반사를 최소화할 수 있음.

• Data sheet 확인

AC coupling

 

Q. RS 422, RS 232는 AC coupling 대신 terminating resistance( 종단 저항)을 사용하는가? PCIE와 차이

 

- PCIe 시스템에서는 다양한 제조사의 다양한 장치들이 연결하므로 장치들은 서로 다른 전원 레벨을 가질 수 있는데, AC 커플링은 이러한 다양한 전원 레벨 사이에서 호환성을 높임.

- DC 커플링을 사용할 경우, 서로 다른 DC 기준점을 가진 장치들 간의 연결에서 문제가 발생할 수 있음.

 

- AC 커플링은 DC 성분을 제거하므로, 장기간에 걸친 '0' 또는 '1' 상태의 지속적인 전송 같은 특정 조건에서 신호의 레벨을 유지하지 못함.

- RS-422와 RS-232는 DC 성분을 포함한 신호의 레벨을 정확히 유지하는 것이 중요하며, 따라서, RS-422 표준에서는 신호의 DC 성분을 유지하고 임피던스 매칭을 통해 높은 신호 무결성을 보장하기 위해 종단 저항을 사용.