Qu'est-ce que le bruit en «mode commun»?

Quelqu'un peut-il expliquer ce qu'est le bruit en "mode commun" et en quoi cela peut être problématique?

Je comprends le "bruit" sur un signal en général. Si j'ai un rail + 5V "bruyant" sur une carte de circuit imprimé, je n'obtiendrai pas une valeur constante de +5, il rebondira autour de cette valeur nominale ... ... mais toujours relative au circuit COM .

Ma compréhension très vague du bruit "en mode commun" est que c'est là que les deux côtés varient de manière égale . (C'est là que ma compréhension s'effondre) Autrement dit, la paire rebondit par rapport à ... ... à quoi? Terre au sol?

Qu'est-ce que le bruit en mode commun?

Pratiquement tous les circuits intégrés (et les circuits en général) ont une broche nommée "masse" ou "GND", ou la fiche technique dit des choses comme "connecter VSS à la terre".

Lors de la transmission de données "sur une longue distance", les fils agissent comme des antennes et peuvent facilement capter quelques volts de bruit, mais aussi émettre du bruit. Ainsi, par exemple, une broche de sortie sur une puce dans un boîtier peut transmettre un "0" à environ 0,5 V et transmettre un bit "1" à environ 2,5 volts, mesuré par rapport à la broche de masse de cette même puce "pilote de ligne". .

À un endroit éloigné, l'autre extrémité du fil est souvent connectée à une broche sur une puce "récepteur de ligne". En raison du bruit, la tension sur cette broche d'entrée, mesurée par rapport à la broche de masse de ce même récepteur de ligne, peut souvent être n'importe où dans la plage de -1,5 V à +2,5 V lorsque l'émetteur essaie d'envoyer un "0", et n'importe où dans la plage de 0,5 V à 4,5 V lorsque l'émetteur tente d'envoyer un "1".

Alors, comment le récepteur peut-il savoir si l'émetteur essaie d'envoyer un 1 ou un 0, alors qu'il obtient une tension comme 0,9 ou 2,2?

Pour cette raison, les données transmises sur de longues distances sont souvent envoyées en utilisant une signalisation différentielle sur une paire équilibrée , souvent une paire torsadée . En particulier, les câbles USB, CANbus et MIDI incluent une seule paire torsadée pour les données; Les téléphones "2 lignes" et FireWire utilisent deux paires torsadées; Les câbles Ethernet CAT5e comprennent quatre paires torsadées; d'autres systèmes utilisent encore plus de paires. Souvent (mais pas toujours), il y a un autre "fil de terre" dans le même faisceau de câbles.

Nous étiquetons l'un de ces fils "plus" ou "positif" ou "+" ou "p", et l'autre fil "moins" ou "-" ou "négatif" ou "n". Donc quand je veux transmettre un signal "CLK" et un signal "MOSI" d'un endroit à un autre, mon câble a 4 fils étiquetés pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.

La tension de mode commun de CLK est la moyenne des deux fils CLK, (pCLK + nCLK) / 2, mesurée au niveau du récepteur - par rapport à la broche GND de ce récepteur.

La tension de mode commun de MOSI est la moyenne des deux fils MOSI, (pMOSI + nMOSI) / 2, mesurée au niveau du récepteur - par rapport à la broche GND de ce récepteur.

Les personnes qui conçoivent des pilotes de ligne essaient de les faire tirer la ligne "p" autant et en même temps que la ligne "n" diminue, et vice versa, de sorte que la tension moyenne (mesurée au niveau du pilote) est constante - - dans cet exemple, la moyenne au niveau du conducteur est constante à 1,5 V. (Hélas, ils ne réussissent jamais complètement).

S'il n'y avait pas de bruit, la tension en mode commun aurait également la même valeur constante - mais hélas, ce n'est pas le cas.

Chaque fois que des données sont transmises avec une signalisation différentielle, la différence entre la tension de mode commun sans bruit et la tension de mode commun réelle est entièrement causée par le bruit. Cette différence est appelée bruit de mode commun.

Il existe 3 principales causes de bruit en mode commun:

• De nombreuses paires différentielles sont entraînées de manière à ne pas commuter les fils "+" et "-" exactement en même temps, ni par exactement la même tension, ou peut-être que de petites quantités de bruit sur le rail d'alimentation du conducteur de ligne fuient uniquement sur le Le fil "+" et non le fil "-", provoquant du bruit en mode commun. (Un étranglement en ferrite à l'extrémité "conducteur" du câble est couramment utilisé pour réduire le bruit en mode commun de cette source).
• D'autres fils dans le faisceau de câbles peuvent laisser s'échapper plus d'énergie dans un fil de la paire que dans l'autre - généralement via un couplage capacitif. (La torsion de chaque paire d'un nombre différent de torsions par longueur est couramment utilisée pour réduire le bruit en mode commun de cette source).
• Interférence extérieure - souvent par couplage inductif.

en quoi le bruit en mode commun peut-il être problématique?

Les gens essaient de concevoir des récepteurs de ligne pour rejeter le bruit en mode commun. (Hélas, ils ne réussissent jamais complètement). Mais même dans un système qui utilise une signalisation différentielle avec de tels récepteurs de ligne, le bruit en mode commun peut toujours être problématique:

• Les longs fils de communication font office d'antennes. Si le pilote de ligne envoie trop de bruit en mode commun dans les fils, cela provoque des interférences de radiofréquence avec d'autres appareils et entraîne l'échec du système aux tests FCC ou CE ou aux deux, pour la compatibilité électromagnétique (CEM).

• Une partie du bruit en mode commun fuit à travers le récepteur de ligne - le taux de réjection en mode commun n'est pas infini. C'est un gros problème avec les signaux analogiques; généralement pas un problème avec les zéros numériques.

• La plupart des circuits intégrés ne fonctionnent pas à droite quand une broche est forcé trop élevé ou deux bas - tension inférieure à 0,6 V en dessous de la broche GND et supérieure à 0,6 V au- dessus de la broche d'alimentation provoque généralement des problèmes. Étant donné que le bruit en mode commun peut facilement pousser le signal "+" ou "-", ou les deux, en dehors de cette plage, les circuits de récepteur de ligne doivent soit connecter les fils à des circuits intégrés spéciaux (tels que les "émetteurs-récepteurs RS-485 en mode commun étendu). ") qui peut gérer de telles excursions; ou connectez les fils à un composant de circuit non intégré qui protège les circuits intégrés de telles excursions - tels que les opto-isolateurs utilisés en MIDI ou les transformateurs utilisés en Ethernet.

$(V_+ + V_-)/2$

$V_+ - V_-)$

Un exemple particulier soulignant la différence est l'audio pro, qui transmet les signaux à l'aide d'un câble à paire torsadée avec des connecteurs XLR, par rapport à l'audio grand public, qui utilise le passage de signal à extrémité unique.

Même le bruit en mode commun est problématique si vous n'avez pas un taux de rejet élevé en mode commun. Par exemple, si vous construisez un amplificateur différentiel à un ampli opérationnel "typique" avec des résistances mal tolérées (c'est-à-dire la plupart), le taux de réjection en mode commun sera médiocre.

Donc, revenons à "pourquoi est-ce problématique"? - c'est moins problématique que le bruit différentiel, mais pas nécessairement une technique magique pour éliminer les signaux de bruit, surtout si le matériel n'est pas conçu pour atténuer de manière optimale les signaux de mode commun.

Correct, ils rebondissent tous les deux par rapport à la terre ou à ce que vous appelez votre référence 0V. Imaginez-le comme une batterie sur un ressort - la tension de la batterie reste constante mais la batterie elle-même vole partout. Ouais je sais, c'est une mauvaise analogie !!!

En règle générale, le bruit de mode commun fait référence aux deux fils d'une paire différentielle rebondissant par rapport à l'alimentation électrique de l'appareil qui en reçoit l'entrée. Que le rebond soit mesuré par rapport au rail négatif, au rail positif ou à un point entre les deux n'a généralement pas beaucoup d'importance, car dans les cas où le bruit en mode commun est important, c'est souvent un ordre de grandeur plus important que le bruit de l'alimentation.

Si l'entrée d'un appareil a par exemple 0,1 volt de bruit en mode commun par rapport au rail négatif et l'appareil 10 mv de bruit sur son alimentation, alors quel que soit le point de référence d'alimentation que l'on choisit, le bruit en mode commun sera être quelque part entre 0,09 et 0,11 volts. Si 0,1 volt de bruit en mode commun ne serait pas un problème, 0,11 ne le sera probablement pas non plus; si 0,1 volt serait un problème, 0,09 le serait probablement aussi.

Le bruit de mode commun se produit entre trois phases ou neutre et terre tandis que le bruit de mode normal se produit entre les conducteurs sous tension triphasés. Pour plus de détails, reportez-vous au livre sur la qualité de l'énergie de Dugan et mark et al.

Dr Nasrullah Khan