小信号のメリットについて

質問

よく小信号という言葉を耳にしますが、小信号にするメリットは何かあるのでしょうか？
直感的には、電力を食わないようにすることがメリットだとは思うのですが、
実際消費電力はほぼ直流成分によって決まると思います。
また、小信号にしない場合S/N比は向上しますので、信号の復調なども間単にできるように思います。
無線の場合には、空中で信号が減衰してしまい、どうしても小信号になってしまうのはしょうがないと思うのですが、
逆に有線などの場合に小信号にするメリットなどあったりするのでしょうか？
もし、ご存知の方いらっしゃいましたら、お答えいただけると幸いです。

回答No.5

maccha_neko · ベストアンサー

有線で高速伝送の場合かな？
高速伝送するときは配線そのものも「伝送路」とみなして高周波信号を扱うときと同じようなインピーダンス整合が必要になります．
ところが，基板のパターンのインピーダンスはそれほど高くならないんですね．まぁ，「ストリップライン」や「マイクロストリップライン」で検索されると計算サイトが見つかると思いますが，現実的なパターンを入れると大きくても100Ω程度というところです．
仮に目いっぱい大きく100Ωとして，受信端に100Ωの終端抵抗を入れたとします．ここで，仮にたとえばUSBなどで良く利用される3.3Vなんていう電圧をかけると33ｍAも流れてしまいます．信号１本に33mAでは大変なので，信号レベルを落としてやります．
流れる電流が減ることで不要輻射も減りますし，消費電流も抑えられます．
さらに高速伝送にも対応しやすくなります．というのは，ドライバ側の能力は有限ですから，ΔV／Δtも∞というわけにはいかず，ある上限があります．信号レベルが小さくなれば，0から1に変わるために変化しなくてはならない電圧（ΔV）が小さくなりますから，Δtも小さくて済みます．
ということでいろいろなメリットがあるわけです．
ただし，確かに受信側の信号レベルが低くなるので，'1'／'0'を確実に判定するのは大変ですし，ノイズの影響も心配されます．そこでこの手の高速伝送では差動信号で送るのが一般的です．２本の線を使って，互いに逆向きに動く信号（一方が'1'なら他方は'0'っていう具合）を送り，受信側では両者の差分を取って判定するわけです．
信号レベルが２倍になったような効果にもなりますし，コモンモード（同相）ノイズは理屈上打ち消しあってしまうので，耐ノイズ性も向上するわけですね．

お礼

回答ありがとうございます。
詳しく説明していただき、非常に勉強になりました。
もう少ししっかりと勉強したいと思います。

回答No.7

SilverThaw

No.2です。
>＞L→Hのエッジ検出までの時間が短縮されるので転送速度の高速化が容易。
>なぜ短縮されるのでしょうか？
>A/D変換器を通すときには電圧値は特に関係ないように思われるのですが…
関係あります。
電圧が変動するのに有する時間は"０"ではありません。極小ではあっても必ず時間が経過します。
Lが０V、Hが５Vの回路としてH/Lのレベルは1/2の2.5Vとします。（電圧出力理解しやすいようには一次方程式の直線とします。）
０V→５Vに到達する時間をｔとすると、レベル検出までの時間は「t/2」となります。
同一の電源回路を使用し、Hを2.5V、H/Lレベルを1.25Vとすると検出時間は
「t/4」ですむことになり高速転送が行えることになります。

お礼

丁寧な回答で分かりやすく説明していただいてありがとうございます。
確かに、普通に考えれば電圧が変動する時間は小さいほうがよいですね。
当方の理解不足でした。

回答No.6

electron11

メーカー仕様書の規格は　パワー用でない限り　小信号でのそれです
ftもそれで定義されてますから振幅を大きくしますと下がります
凡そ振幅に反比例すると思えばよろしいです
パワー用は条件が色々指定されている事が多いです

小信号にするメリットは
１、省電力　殆ど直流電力になります
２、ftが最大利用可能　
３、歪みの発生が小さい　振幅が大きいと歪みが発生し易くなります
４、多段増幅が容易　高利得が得やすい

無線機の受信機は多段増幅が普通です　とは言っても発振の為に周波数の高低で限界はあります
歪みの発生は受信機にとって大敵です　詳しくは検索を
多段増幅ではSNは初段のノイズ発生レベルで決まりますから信号レベルは高いのが良い
受信機の感度は初段のノイズ発生レベルが感度の限界を与えます　他にバンド幅があります
有線無線に関わらず小信号伝送はノイズの影響を受けやすくなり到達距離が短くなります
伝送しない用途ならこの限りではありません　例えば受信機等
若し勘違いでしたら御免なさい。

お礼

回答ありがとうございます。
小信号のメリットを詳しく書いていただきありがとうございます。
＞伝送しない用途ならこの限りではありません　例えば受信機等
若し勘違いでしたら御免なさい。

無線の場合は仕様上受信信号は小さくしなければいけない事情があると思いますが、
有線の場合には、わざわざ小信号にはしたりしないという理解でよろしいでしょうか？
ただし、有線の場合には伝送路のインピーダンスがそこそこ大きい（100Ωほど）とし、
交流信号の周波数はそれほど高くないとします（インピーダンス整合は必要ない）。

回答No.4

ICE_FALCON

> 実際消費電力はほぼ直流成分によって決まると思います。
直流だろうが交流だろうがＲに電流が流れると、
電力は消費します。
50Ω系等インピーダンスが一定で電圧が大きくなれば、
後段の回路は、大きな電力を受けるので、
後段のＲに電流が流れれば消費電力は増加すると思います。

それよりも高周波の場合に、大きな電圧を出そうとすると、
高いドライブ能力が必要だと思いますので、こちらの方が問題です。
それに、高周波の大信号は他の回路にとってノイズ源となる場合があります。

お礼

回答ありがとうございます。
＞50Ω系等インピーダンスが一定で電圧が大きくなれば、
後段の回路は、大きな電力を受けるので、
後段のＲに電流が流れれば消費電力は増加すると思います。

例えば、基準電圧が3Vで信号成分がVp-p＝1Vのような信号があったとき
（周波数はそれほど高くないとします）、
抵抗で消費される電力はほぼ直流成分によるものではないでしょうか？
仮にこの信号成分をVp-p＝0.1Vに変えたとしても、それほど消費電力は
変わらないように感じました。
それよりもS/N比の低下の方が心配になりそうだと感じます。

回答No.3

oneone101

質問者さんの言うところの小信号がどのような意味で言っているのか
良くわかりません。

"小信号"領域　とか　"小信号"等価回路　とかに出てくる"小信号"は
電源電圧に比べて、とても小さい振幅で動作している
というような意味になり、
これは質問者さんの言うところの
＞実際消費電力はほぼ直流成分によって決まると思います
に相当するので、こっちの意味かな？　とも思う。
この意味であっているとすると、有線でわざと小信号になどはしない。
LVDS（低電圧差動伝送）とか確かに電圧は低いが
電源電圧も低いので、この意味での小信号ではない。

"小信号"トランジスタ　とかに出てくる"小信号"は
単に扱う電力が小さい　という意味になるが、
むやみに大電力を使おうとは質問者さんも思わないだろうから
そんな質問はしないよね？

お礼

回答ありがとうございます。
＞この意味であっているとすると、有線でわざと小信号になどはしない。
この意味であっております。
今まで無線のことを勉強しており、常に小信号を扱っていたので、
有線の場合どうなるのかと思っておりました。
普通に考えれば、わざわざ小信号にする必要はないと思ったのですが、
何か小信号で送信するメリットがあるのかと思い、質問させていただきました。
ありがとうございます。

回答No.2

SilverThaw

信号の電圧が低くなることによって、L→Hのエッジ検出までの時間が短縮されるので転送速度の高速化が容易。

お礼

回答ありがとうございます。
＞L→Hのエッジ検出までの時間が短縮されるので転送速度の高速化が容易。
なぜ短縮されるのでしょうか？
A/D変換器を通すときには電圧値は特に関係ないように思われるのですが…
もしよろしければ詳しく教えていただいてもよろしいでしょうか？

回答No.1

takepon256

電力（電圧）が小さいと言うことは回路部品が小さくて済むということです。
よって製品を小型化できます。

お礼

お早い回答ありがとうございます。
なるほど、小型化につながるのですね。
ありがとうございます。