¿Qué es el ruido de "modo común"?

¿Qué es el ruido de modo común?

Prácticamente todos los circuitos integrados (y los circuitos en general) tienen un pin llamado "tierra" o "GND", o la hoja de datos dice cosas como "conectar VSS a tierra".

Al transmitir datos "a larga distancia", los cables actúan como antenas y pueden captar fácilmente unos pocos voltios de ruido y también radiar ruido. Entonces, por ejemplo, un pin de salida en un chip en una caja puede transmitir un "0" como aproximadamente 0,5 V y transmitir un bit "1" como aproximadamente 2,5 voltios, medido en relación con el pin de tierra de ese mismo chip "controlador de línea". .

En una ubicación distante, el otro extremo del cable a menudo se conecta a un pin en un chip de "receptor de línea". Debido al ruido, el voltaje en ese pin de entrada, medido en relación con el pin de tierra de ese mismo receptor de línea, a menudo puede estar en el rango de -1.5 V a +2.5 V cuando el transmisor está tratando de enviar un "0", y en cualquier lugar en el rango de 0,5 V a 4,5 V cuando el transmisor intenta enviar un "1".

Entonces, ¿cómo puede saber el receptor si el transmisor está tratando de enviar un 1 o un 0, cuando recibe un voltaje como 0.9 o 2.2?

Debido a esto, los datos transmitidos a largas distancias a menudo se envían mediante señalización diferencial a través de un par balanceado , a menudo un par trenzado . En particular, los cables USB, CANbus y MIDI incluyen un solo par trenzado para datos; Los teléfonos de "2 líneas" y FireWire utilizan dos pares trenzados; Los cables Ethernet CAT5e incluyen cuatro pares trenzados; otros sistemas usan incluso más pares. A menudo (pero no siempre), hay algún otro "cable de tierra" en el mismo grupo de cables.

Etiquetamos uno de estos cables como "más" o "positivo" o "+" o "p", y el otro cable como "menos" o "-" o "negativo" o "n". Entonces, cuando quiero transmitir una señal "CLK" y "MOSI" de un lugar a otro, mi cable tiene 4 cables etiquetados como pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.

El voltaje de modo común de CLK es el promedio de los dos cables CLK, (pCLK + nCLK)/2, medido en el receptor, en relación con el pin GND de ese receptor.

El voltaje de modo común de MOSI es el promedio de los dos cables MOSI, (pMOSI + nMOSI)/2, medido en el receptor, en relación con el pin GND de ese receptor.

Las personas que diseñan controladores de línea intentan hacer que la línea "p" suba tanto y al mismo tiempo que la línea "n" baje, y viceversa, de modo que el voltaje promedio (medido en el controlador) sea constante: - en este ejemplo, el promedio en el controlador es una constante de 1,5 V. (Ay, nunca son completamente exitosos).

Si no hubiera ruido, entonces el voltaje de modo común también tendría el mismo valor constante, pero lamentablemente no lo es.

Siempre que los datos se transmiten con señalización diferencial, la diferencia entre el voltaje de modo común libre de ruido y el voltaje de modo común real se debe en su totalidad al ruido. Esa diferencia se llama ruido de modo común.

Hay 3 causas principales del ruido de modo común:

• Muchos pares diferenciales se manejan de manera que no cambian los cables "+" y "-" exactamente al mismo tiempo, o por exactamente el mismo voltaje, o quizás pequeñas cantidades de ruido en el riel de alimentación del controlador de línea se filtran solo en el El cable "+" y no el cable "-", lo que provoca cierto ruido de modo común. (Un estrangulador de ferrita en el extremo "controlador" del cable se usa comúnmente para reducir el ruido de modo común de esta fuente).
• Otros cables en el haz de cables pueden filtrar más energía en un cable del par que en el otro, generalmente a través del acoplamiento capacitivo. (Torcer cada par un número diferente de giros por longitud se usa comúnmente para reducir el ruido de modo común de esta fuente).
• Interferencia externa, a menudo a través del acoplamiento inductivo.

¿Cómo puede ser problemático el ruido de modo común?

La gente trata de diseñar receptores de línea para rechazar el ruido de modo común. (Ay, nunca son completamente exitosos). Pero incluso en un sistema que utiliza señalización diferencial con dichos receptores de línea, el ruido de modo común puede seguir siendo problemático:

• Los cables de comunicación largos actúan como antenas. Si el controlador de línea envía demasiado ruido de modo común por los cables, provoca interferencias de radiofrecuencia con otros dispositivos y hace que el sistema no supere las pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC) de la FCC o de la CE, o ambas.

• Parte del ruido de modo común se filtra a través del receptor de línea: la relación de rechazo de modo común no es infinita. Este es un gran problema con las señales analógicas; por lo general no es un problema con unos y ceros digitales.

• La mayoría de los circuitos integrados no funcionan correctamente cuando se fuerza un pin demasiado alto o dos bajos: un voltaje inferior a 0,6 V por debajo del pin GND y superior a 0,6 V por encima del pin de alimentación suele causar problemas. Dado que el ruido de modo común puede empujar fácilmente la señal "+" o "-", o ambas, fuera de ese rango, los circuitos del receptor de línea deben conectar los cables a circuitos integrados especiales (como "Transceptores RS-485 de modo común extendido"). ") que pueda manejar tales excursiones; o conecte los cables a algún componente de circuito no integrado que proteja los circuitos integrados de tales desviaciones, como los optoaisladores que se usan en MIDI o los transformadores que se usan en Ethernet.

El "voltaje de modo común" es simplemente el promedio que aparece en ambas vías de señal. Es más fácil para mí pensarlo en el contexto de dos entradas de un amplificador diferencial, donde el voltaje de modo común se define sin ambigüedades como$(V_+ + V_-)/2$. Si este número refleja lo que algunos consideran ruido o lo que otros consideran señal es irrelevante con respecto a la definición.

Ahora, en cuanto a por qué es problemático, a veces lo es, a veces no lo es. Por lo general, mi objetivo es que todo el ruido electromagnético aparezca en un buen amplificador como modo común y use pares trenzados para lograrlo. Por "Bueno", me refiero a un amplificador con una alta relación de rechazo de modo común. Para tal amplificador, las señales diferenciales ($V_+ - V_-)$obtenga voltajes amplificados y de modo común atenuados (MUY atenuados si lo está haciendo bien). Si no usa par trenzado, cada ruta de señal puede ver un patrón muy diferente de ruido EM, por lo que el ruido EM ya no es un modo común, sino diferencial.

Un ejemplo particular que destaca la diferencia es el audio profesional, que transmite señales mediante un cable de par trenzado con conectores XLR, frente al audio de consumo, que utiliza el paso de señal de un solo extremo.

Incluso el ruido de modo común es problemático si no tiene una alta tasa de rechazo de modo común. Por ejemplo, si construye un amplificador diferencial "típico" de un amplificador operacional con resistencias de tolerancia deficiente (es decir, la mayoría), la relación de rechazo de modo común será deficiente.

Entonces, volviendo a "¿por qué es problemático"? -- es menos problemático que el ruido diferencial, pero no necesariamente una técnica mágica para eliminar el ruido de las señales, especialmente si el hardware no está diseñado para atenuar de manera óptima las señales de modo común.

Correcto, ambos están rebotando en relación con la tierra o como se llame su referencia 0V. Imagínelo como una batería en un resorte: el voltaje de la batería se mantiene constante pero la batería en sí está volando por todos lados. ¡¡¡Sí, lo sé, es una mala analogía!!!

Por lo general, el ruido de modo común se refiere a ambos cables de un par diferencial que rebotan en relación con la fuente de alimentación del dispositivo que recibe la entrada de ellos. Si el rebote se mide en relación con el riel negativo, el riel positivo o algún punto intermedio, generalmente no importa mucho, porque en los casos en que el ruido de modo común importa, a menudo es un orden de magnitud más significativo que el ruido de la fuente de alimentación.

Si la entrada a un dispositivo tiene, por ejemplo, 0,1 voltios de ruido de modo común en relación con el riel negativo, y el dispositivo tiene 10 mv de ruido en su fuente de alimentación, entonces, independientemente del punto de referencia de la fuente de alimentación que se elija, el ruido de modo común estar en algún lugar entre 0,09 y 0,11 voltios. Si 0,1 voltios de ruido de modo común no serían un problema, 0,11 probablemente tampoco lo sean; si 0,1 voltios sería un problema, 0,09 probablemente también lo sería.

Motivaciones

El "ruido de modo común" es un concepto fundamental en electrónica. Sin embargo, debido a que aparece en muchos contextos relacionados pero diferentes (amplificadores y señalización, fuente de alimentación de 120 V o 230 V o EMI/EMC), solo por nombrar algunos, tiene muchas definiciones aparentemente contradictorias. Esta situación crea tanta confusión entre los principiantes.

Por ejemplo, los ingenieros de EMC pueden decirle: "La radiación de su sistema proviene del cable de CC de 5 voltios debido al ruido de modo común". Y no entiendes de lo que están hablando.

• Entonces lo buscó y encontró la definición: "Existe un voltaje de modo diferencial entre la entrada inversora y no inversora de un amplificador diferencial, existe un voltaje de modo común entre las entradas y tierra". Estás confundido. ¿Amplificador? ¿Qué amplificador? Así que sigue buscando.

• Luego estampó otra definición: el ruido entre el conductor activo y el neutro en la red de CA es un ruido de modo diferencial, y puede ser suprimido por un condensador de clase X, el ruido entre el conductor activo/neuronal y el de tierra es un ruido de modo común. , y está suprimido por un condensador de clase Y o un estrangulador de modo común. Estás aún más confundido. red de CA? ¿Neural? Pero es una fuente de alimentación de 5 voltios. ¿Tierra? Pero es de batería.

• Finalmente, encontraste otra definición antes de darte por vencido: "Si tenemos dos conductores, la corriente que fluye en ambos conductores en la misma dirección es la corriente de modo común. La corriente que fluye en ambos conductores en la dirección opuesta es la corriente diferencial -modo actual". En este punto, finalmente te rendiste. Tengo +5 VDC y GND aquí. ¿Cómo puede fluir una corriente en la misma dirección? ¿Tiene sentido?

En mi opinión, ninguna de las respuestas existentes es satisfactoria porque no explican este problema. Mi respuesta es un intento de aclarar esta confusión en el contexto de EMI/EMC.

Una definición actual de ruido de modo común

Cuando hablamos de señalización analógica o digital con un amplificador diferencial, a menudo se usa la definición de voltaje : es el ruido a través de una señal y una referencia de tierra común. Sin embargo, cuando hablamos de ello en un sentido más general, a menudo no está claro dónde está el "terreno común". Por lo tanto, es más útil utilizar una definición actual de ruido de modo común.

Para decirlo en un lenguaje sencillo pero descuidado, en muchas aplicaciones prácticas, una corriente de modo común suele ser la corriente no deseada que interfiere con los circuitos , mientras que una corriente de modo diferencial suele ser la corriente útil necesaria para el funcionamiento de los circuitos (pero también puede haber ruido de modo diferencial). Idealmente, la corriente de modo común en los cables debería ser cero, en otras palabras, ni siquiera debería existir.

Para entender lo que quise decir, considere el ejemplo anterior de fuente de alimentación de CC de 5 voltios. Tenemos un dispositivo electrónico alimentado por un suministro de CC de 5 voltios. La energía es entregada por un cable DC con dos hilos: + 5 VDC y GND. Podemos representar este sistema en un esquema simplificado.

La ley de corriente de Kirchhoff nos dice,$\sum_{k=1}^n {I}_k = 0$. En otras palabras, debe haber una corriente igual y opuesta en +VDC y GND. La corriente que fluye hacia la carga debe ser igual a la corriente que sale de la carga. Por ejemplo, si Ivdc = 500 mA, Ignd = -500 mA. La corriente neta en el cable como un todo debe ser cero.

Sin embargo, si realizamos este experimento con una fuente de alimentación conmutada real y una placa de circuito real con varios chips lógicos digitales, verá algo diferente: Ivdc puede ser 500,0025 mA, mientras que Ignd puede ser -499,9975 mA. Para nuestra sorpresa, en el cable de tierra, faltan los 5 μA de corriente y hay una corriente neta de 0,005 mA (5 μA) que fluye hacia la carga. Esta corriente de 5 μA es la corriente de modo común.

Matemáticamente, podemos decir que la corriente en los cables es una superposición de dos corrientes diferentes. Hay una corriente de modo diferencial que fluye en direcciones opuestas y una corriente de 2,5 μA en los cables VCC y GND que fluye en la misma dirección hacia la carga.

Por lo tanto, tenemos nuestra primera definición de corriente en modo corriente: si tenemos dos conductores, la corriente que fluye en ambos conductores en la misma dirección es la corriente en modo común.

Pero KCL nos dice que "lo que entra, debe salir", y la corriente debe volver a la fuente. ¿Cómo puede viajar la corriente en ambos cables en la misma dirección ? ¿Que esta pasando? Es fácil ver la respuesta una vez que nos damos cuenta de que (1) tenemos corriente alterna, no corriente continua. Debido a que tanto la fuente de alimentación de modo conmutado como los chips digitales en la placa de circuito funcionan cambiando rápidamente, los componentes de frecuencia de la corriente pueden llegar a los 100 MHz. (2) La capacitancia parásita está en todas partes en un circuito real y, a 100 MHz, la impedancia de un capacitor de 5 pF es solo 318j Ω.

Por lo tanto, la corriente de modo común de 5 μA simplemente salta a un conductor cercano a través de la capacitancia parásita y regresa a la fuente a través de una ruta alternativa. El camino exacto tomado por la corriente a menudo está mal definido y es algo impredecible. A menudo es la carcasa de metal. Para los sistemas sin una carcasa de metal, puede ser cualquier objeto conductor que se encuentre aquí cerca: una mesa de metal, un archivador o, literalmente, el suelo.

_{Fuente: Ingeniería de compatibilidad electromagnética de Henry Ott, uso legítimo.}

Debido a la naturaleza no controlada de la corriente de modo común, generalmente viaja en un bucle grande y este bucle irradia interferencia electromagnética. Y, de hecho, la corriente de modo común no fluye simplemente en un conductor de acuerdo con la teoría básica de circuitos, es el resultado del campo electromagnético. Un cable sobre un plano crea una antena monopolo que produce ondas electromagnéticas radiadas.

Un escenario especial es cuando el sistema es una fuente de alimentación de red de 120 V o 230 V. En este caso, efectivamente tenemos una referencia bien definida. La red de CA tiene tres conductores: vivo, neutro, tierra, y el gabinete está conectado a tierra, una corriente que, de lo contrario, debería regresar a través del neutro, a menudo regresa a través de la tierra. Por lo tanto, esto explica otra definición de ruido de modo común: el ruido entre el conductor activo y el neutro en la red de CA es un ruido de modo diferencial, el ruido entre el conductor activo/neuronal y el de tierra es un ruido de modo común.

Medición de ruido de modo común

La corriente de ruido de modo común no se puede medir con un multímetro, porque se crean por corriente de RF a cientos de megahercios, con una magnitud de unos pocos microamperios. En cambio, en las pruebas de cumplimiento previo de EMI/EMC, se mide mediante un analizador de espectro con una sonda de corriente de RF. Y el resultado es un voltaje de ruido, no una corriente. Cuando la sonda se caracteriza con una curva de impedancia de transferencia, el voltaje se puede convertir en corriente.

La sonda de corriente RF detecta la corriente a través del campo magnético. Si colocamos la sonda de corriente a través de un cable individual, se mide la corriente en ese cable. Si colocamos la sonda de corriente en todo el cable, por ejemplo, incluyendo tanto la alimentación como la tierra, el flujo magnético neto es cero dentro de la sonda y podemos medir la corriente de fuga o ruido de modo común.

Aquí hay un ejemplo de una sonda de corriente RF comercial.

_{Fuente: Revisión: sonda de corriente RF Tekbox TBCP1 , EDN, uso justo.}

Si uno no tiene un analizador de espectro, una solución de bajo costo es usar un dongle SDR. Un RTL-SDR de $10 es suficiente para mostrar los picos de frecuencia de estas fuentes EMI. Otra opción es amplificar la sonda de corriente con un amplificador de bajo ruido (LNA) de RF, luego analizar el resultado en un osciloscopio digital a través de FFT también es una opción. Ambos métodos son poco confiables e inadecuados para mediciones cuantitativas, pero lo suficientemente buenos como para ser una demostración educativa.

El camino tomado por la corriente de modo común a menudo está mal definido y puede ser cualquier objeto conductor que se encuentre aquí cerca: una mesa de metal, un archivador o, literalmente, el suelo. Por lo tanto, para realizar una medición confiable y repetible en las pruebas de cumplimiento de EMI conductivas, las placas de metal sólidas se conectan a tierra y se colocan en las direcciones horizontal y vertical cerca del dispositivo bajo prueba, de modo que se crea una ruta predecible para la corriente de modo común. .

_{Fuente: Ingeniería de compatibilidad electromagnética de Henry Ott, uso legítimo.}

Para una prueba simple de cumplimiento previo en el banco de trabajo, Ott sugirió que se puede usar un carro de laboratorio de bricolaje en la siguiente disposición para aproximarse al entorno de prueba.

_{Fuente: Ingeniería de compatibilidad electromagnética de Henry Ott, uso legítimo.}

El ruido de modo común ocurre entre tres fases o neutro y tierra, mientras que el ruido de modo normal ocurre entre conductores activos trifásicos. Para obtener más detalles, consulte el libro de calidad de energía de Dugan y Mark et al.

Dr. Nasrullah Khan