O que é ruído em modo comum?

Alguém pode explicar o que é o ruído "modo comum" e como pode ser problemático?

Eu entendo "barulho" em um sinal em geral. Se eu tiver um trilho de + 5V "barulhento" em uma placa de circuito, não vou obter um valor constante de +5, ele estará saltando acima e abaixo desse valor nominal ... ... mas ainda relativo para o circuito COM .

Meu entendimento muito vago do ruído do "modo comum" é que é onde os dois lados estão variando igualmente . (É aqui que meu entendimento se desmorona) Ou seja, o par está pulando em torno de ... ... para quê? Aterramento?

O que é ruído no modo comum?

Praticamente todos os circuitos integrados (e circuitos em geral) possuem um pino denominado "terra" ou "GND", ou a folha de dados diz coisas como "conectar o VSS ao terra".

Ao transmitir dados "a longa distância", os fios agem como antenas e podem captar facilmente alguns volts de ruído e também irradiar ruído. Assim, por exemplo, um pino de saída em um chip em uma caixa pode transmitir um "0" a cerca de 0,5 V e um bit "1" a cerca de 2,5 volts, medido em relação ao pino à terra do mesmo chip "driver de linha" .

Em um local distante, a outra extremidade do fio geralmente é conectada a um pino em um chip "receptor de linha". Devido ao ruído, a tensão nesse pino de entrada, medida em relação ao pino de terra do mesmo receptor de linha, pode estar em qualquer lugar na faixa de -1,5 V a +2,5 V quando o transmissor está tentando enviar um "0" e em qualquer lugar na faixa de 0,5 V a 4,5 V quando o transmissor estiver tentando enviar um "1".

Então, como o receptor pode saber se o transmissor está tentando enviar 1 ou 0, quando obtém uma voltagem como 0,9 ou 2,2?

Por esse motivo, os dados transmitidos por longas distâncias geralmente são enviados usando sinalização diferencial sobre um par balanceado , geralmente um par trançado . Em particular, os cabos USB, CANbus e MIDI incluem um único par trançado para dados; Os telefones "2 linhas" e o FireWire usam dois pares trançados; Os cabos Ethernet CAT5e incluem quatro pares trançados; outros sistemas usam ainda mais pares. Freqüentemente (mas nem sempre), há outros "fios terra" no mesmo conjunto de cabos.

Nós rotulamos um desses fios como "mais" ou "positivo" ou "+" ou "p" e o outro fio como "menos" ou "-" ou "negativo" ou "n". Então, quando eu quero transmitir um sinal "CLK" e "MOSI" de um lugar para outro, meu cabo tem 4 fios identificados como pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.

A tensão de modo comum do CLK é a média dos dois fios do CLK, (pCLK + nCLK) / 2, medidos no receptor - em relação ao pino GND desse receptor.

A tensão de modo comum do MOSI é a média dos dois fios MOSI (pMOSI + nMOSI) / 2, medidos no receptor - em relação ao pino GND desse receptor.

As pessoas que projetam drivers de linha tentam fazê-los puxar a linha "p" tanto quanto ao mesmo tempo em que a linha "n" diminui e vice-versa, para que a tensão média (medida no driver) seja constante - - neste exemplo, a média no motorista é uma constante de 1,5 V. (Infelizmente, eles nunca são completamente bem-sucedidos).

Se não houvesse ruído, a tensão no modo comum também teria o mesmo valor constante - mas, infelizmente, não é.

Sempre que os dados são transmitidos com sinalização diferencial, a diferença entre a tensão em modo comum sem ruído e a tensão real em modo comum é causada inteiramente por ruído. Essa diferença é chamada de ruído no modo comum.

Existem três causas principais de ruído no modo comum:

• Muitos pares diferenciais são acionados de maneiras que não trocam os fios "+" e "-" exatamente ao mesmo tempo, ou exatamente na mesma voltagem, ou talvez pequenas quantidades de ruído no trilho de força do condutor de linha vazem apenas para o fio "+" e não o fio "-", causando algum ruído no modo comum. (Um estrangulamento de ferrite na extremidade "driver" do cabo é comumente usado para reduzir o ruído em modo comum dessa fonte).
• Outros fios no feixe de cabos podem vazar mais energia em um fio do par que no outro - normalmente através de acoplamento capacitivo. (Torcer cada par um número diferente de torções por comprimento é comumente usado para reduzir o ruído do modo comum dessa fonte).
• Interferência externa - geralmente através de acoplamento indutivo.

como o ruído em modo comum pode ser problemático?

As pessoas tentam projetar receptores de linha para rejeitar o ruído do modo comum. (Infelizmente, eles nunca são completamente bem-sucedidos). Mas mesmo em um sistema que usa sinalização diferencial com esses receptores de linha, o ruído no modo comum ainda pode ser problemático:

• Fios de comunicação longos agem como antenas. Se o driver de linha envia muito ruído do modo comum pelos fios, causa interferência de radiofrequência com outros dispositivos e faz com que o sistema falhe nos testes da FCC ou CE ou ambos, para compatibilidade eletromagnética (EMC).

• Parte do ruído do modo comum vaza pelo receptor de linha - a taxa de rejeição do modo comum não é infinita. Este é um grande problema com sinais analógicos; geralmente não é um problema com os digitais e zeros.

• A maioria dos circuitos integrados não funciona corretamente quando qualquer pino é forçado muito alto ou duas baixas voltagens abaixo de 0,6 V abaixo do pino GND e acima de 0,6 V acima do pino de alimentação geralmente causam problemas. Como o ruído do modo comum pode facilmente empurrar o sinal "+" ou "-", ou ambos, fora desse intervalo, os circuitos receptores de linha devem conectar os fios a circuitos integrados especiais (como "Transceptores RS-485 de modo comum estendido" ") que podem lidar com tais excursões; ou conecte os fios a algum componente de circuito não integrado que proteja os ICs de tais excursões - como os opto-isoladores usados ​​em MIDI ou os transformadores usados ​​em Ethernet.

$(V_+ + V_-)/2$

$V_+ - V_-)$

Um exemplo específico que destaca a diferença é o áudio profissional, que transmite sinais usando o cabo de par trançado com conectores XLR, versus o áudio do consumidor, que usa a passagem de sinal de extremidade única.

Mesmo o ruído no modo comum é problemático se você não tiver uma alta taxa de rejeição no modo comum. Por exemplo, se você construir um amplificador diferencial "típico" de um amplificador operacional com resistores mal tolerados (ou seja, a maioria), a taxa de rejeição do modo comum será baixa.

Então, voltando ao "por que é problemático"? - é menos problemático que o ruído diferencial, mas não necessariamente uma técnica mágica para eliminar sinais de ruído, especialmente se o hardware não for construído para atenuar de maneira ideal os sinais do modo comum.

Correto, ambos estão pulando em relação à Terra ou como você chama sua referência de 0V. Imagine-o como uma bateria em uma mola - a tensão da bateria permanece constante, mas a própria bateria está voando por todo o lado. Sim, eu sei, é uma analogia ruim !!!

Normalmente, o ruído do modo comum refere-se aos dois fios de um par diferencial saltando em relação à fonte de alimentação do dispositivo que está recebendo entrada deles. Se o ressalto é medido em relação ao trilho negativo, positivo ou algum ponto intermediário geralmente não importa muito, porque nos casos em que o ruído no modo comum é importante, geralmente é uma ordem de magnitude mais significativa que o ruído da fonte de alimentação.

Se a entrada de um dispositivo tiver, por exemplo, 0,1 volts de ruído no modo comum em relação ao trilho negativo e o dispositivo 10mv de ruído na fonte de alimentação, não importa qual o ponto de referência da fonte de alimentação escolhido, o ruído no modo comum será estar entre 0,09 e 0,11 volts. Se 0,1 volts de ruído no modo comum não for um problema, 0,11 provavelmente também não; se 0,1 volts seria um problema, 0,09 provavelmente também seria.

O ruído do modo comum ocorre entre três fases ou neutro e terra, enquanto o ruído do modo normal ocorre entre condutores ativos trifásicos. Para mais detalhes, consulte o livro de qualidade de energia de Dugan e mark et al.

Dr Nasrullah Khan