Tiếng ồn phổ biến chế độ phổ biến là gì?

Ai đó có thể giải thích tiếng ồn "chế độ chung" là gì và làm thế nào nó có thể có vấn đề?

Tôi hiểu "nhiễu" trên tín hiệu nói chung. Nếu tôi có đường ray + 5V "ồn ào" trên bảng mạch, tôi sẽ không nhận được giá trị không đổi +5, nó sẽ bị dội xung quanh bên trên và bên dưới giá trị danh nghĩa đó ... ... nhưng vẫn tương đối để mạch COM .

Sự hiểu biết rất mơ hồ của tôi về tiếng ồn "chế độ chung" là nó là nơi cả hai bên thay đổi như nhau . (Đây là nơi sự hiểu biết của tôi bị phá vỡ) Đó là, cặp đôi đang nảy xung quanh với ... ... để làm gì? Mặt đất?

Tiếng ồn chế độ chung là gì?

Thực tế tất cả các mạch tích hợp (và các mạch nói chung) đều có một chân có tên là "mặt đất" hoặc "GND" hoặc biểu dữ liệu nói những thứ như "kết nối VSS với mặt đất".

Khi truyền dữ liệu "một khoảng cách xa", dây dẫn hoạt động như ăng-ten và có thể dễ dàng thu được một vài vôn nhiễu và cũng phát ra tiếng ồn. Vì vậy, ví dụ, chân đầu ra trên chip trong một hộp có thể truyền "0" khoảng 0,5 V và truyền bit "1" khoảng 2,5 volt, được đo tương ứng với chân tiếp đất của chip "trình điều khiển đường dây" tương tự .

Ở một vị trí xa, đầu kia của dây thường được kết nối với một chân trên chip "máy thu đường truyền". Do nhiễu, điện áp trên chân đầu vào đó, được đo tương đối với chân tiếp đất của cùng một máy thu dòng đó, thường có thể ở bất kỳ đâu trong phạm vi -1,5 V đến +2,5 V khi máy phát đang cố gửi "0" và bất cứ nơi nào trong phạm vi 0,5 V đến 4,5 V khi máy phát đang cố gửi "1".

Vậy làm thế nào để người nhận có thể biết liệu máy phát đang cố gửi 1 hay 0, khi nó có điện áp như 0.9 hoặc 2.2?

Do đó, dữ liệu được truyền qua khoảng cách xa thường được gửi bằng cách sử dụng tín hiệu vi sai qua một cặp cân bằng , thường là một cặp xoắn . Cụ thể, cáp USB, CANbus và MIDI bao gồm một cặp xoắn duy nhất cho dữ liệu; Điện thoại "2 đường dây" và FireWire sử dụng hai cặp xoắn; Cáp Ethernet CAT5e bao gồm bốn cặp xoắn; các hệ thống khác sử dụng nhiều cặp hơn. Thông thường (nhưng không phải luôn luôn), có một số "dây nối đất" khác trong cùng một bó cáp.

Chúng tôi dán nhãn một trong những dây này "cộng" hoặc "dương" hoặc "+" hoặc "p" và dây khác "trừ" hoặc "-" hoặc "âm" hoặc "n". Vì vậy, khi tôi muốn truyền tín hiệu "CLK" và "MOSI" từ nơi này sang nơi khác, cáp của tôi có 4 dây có nhãn pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.

Các chế độ điện áp thông thường của CLK là mức trung bình của hai dây CLK, (pCLK + nCLK) / 2, được đo tại máy thu - tương đối so với pin GND của người nhận đó.

Điện áp chế độ chung của MOSI là trung bình của hai dây MOSI, (pMOSI + nMOSI) / 2, được đo tại máy thu - so với chân GND của máy thu đó.

Những người thiết kế trình điều khiển dòng cố gắng làm cho họ kéo dòng "p" lên nhiều như vậy và cùng lúc với dòng "n" đi xuống và ngược lại, do đó điện áp trung bình (được đo tại trình điều khiển) là không đổi - - trong ví dụ này, trung bình tại trình điều khiển là hằng số 1,5 V. (Than ôi, họ không bao giờ hoàn toàn thành công).

Nếu không có nhiễu, thì điện áp chế độ chung cũng sẽ có cùng giá trị không đổi - nhưng than ôi, không phải vậy.

Bất cứ khi nào dữ liệu được truyền với tín hiệu vi sai, sự khác biệt giữa điện áp chế độ chung không có tiếng ồn và điện áp chế độ chung thực tế hoàn toàn do nhiễu. Sự khác biệt đó được gọi là tiếng ồn chế độ chung.

Có 3 nguyên nhân chính gây ra tiếng ồn chế độ chung:

• Nhiều cặp vi sai được thúc đẩy theo những cách mà không chuyển đổi dấu "+" và "-" dây ở chính xác cùng một thời điểm, hoặc bằng cách giống hệt nhau điện áp, hoặc các khoản có lẽ nhỏ của tiếng ồn trên rò rỉ đường sắt điện driver dòng của vào chỉ Dây "+" chứ không phải dây "-", gây ra một số nhiễu chế độ chung. (Một cuộn cảm ferrite ở đầu "trình điều khiển" của cáp thường được sử dụng để giảm nhiễu chế độ chung từ nguồn này).
• Các dây khác trong bó cáp có thể rò rỉ nhiều năng lượng vào một dây của cặp này hơn dây kia - thường thông qua khớp nối điện dung. (Xoay mỗi cặp một số vòng xoắn khác nhau trên mỗi chiều dài thường được sử dụng để giảm nhiễu chế độ chung từ nguồn này).
• Sự can thiệp từ bên ngoài - thường thông qua khớp nối quy nạp.

Làm thế nào tiếng ồn chế độ chung có thể có vấn đề?

Mọi người cố gắng thiết kế các máy thu dòng để loại bỏ nhiễu chế độ chung. (Than ôi, họ không bao giờ hoàn toàn thành công). Nhưng ngay cả trong một hệ thống sử dụng tín hiệu vi sai với các máy thu đường truyền như vậy, nhiễu chế độ chung vẫn có thể gặp vấn đề:

• Dây truyền thông dài đóng vai trò là ăng ten. Nếu trình điều khiển đường truyền gửi quá nhiều nhiễu chế độ chung xuống dây dẫn, nó sẽ gây nhiễu tần số vô tuyến với các thiết bị khác và khiến hệ thống không thể kiểm tra FCC hoặc kiểm tra CE hoặc cả hai, để tương thích điện từ (EMC).

• Một số rò rỉ tiếng ồn chế độ chung thông qua bộ thu dòng - tỷ lệ loại bỏ chế độ chung không phải là vô hạn. Đây là một vấn đề lớn với các tín hiệu tương tự; thường không phải là một vấn đề với những người kỹ thuật số và số không.

• Hầu hết các mạch tích hợp không hoạt động đúng khi bất kỳ chân nào bị ép quá cao hoặc hai điện áp thấp thấp hơn 0,6 V dưới chân GND và cao hơn 0,6 V so với chân nguồn thường gây ra sự cố. Do nhiễu ở chế độ chung có thể dễ dàng đẩy tín hiệu "+" hoặc "-" hoặc cả hai, ngoài phạm vi đó, các mạch thu dòng phải kết nối dây với các mạch tích hợp đặc biệt (như "Bộ thu phát RS-485 mở rộng chế độ chung mở rộng ") có thể xử lý các chuyến du ngoạn như vậy; hoặc kết nối dây với một số thành phần mạch không tích hợp để bảo vệ IC khỏi những chuyến đi như vậy - chẳng hạn như bộ cách ly quang được sử dụng trong MIDI hoặc máy biến áp được sử dụng trong Ethernet.

"Điện áp chế độ chung" chỉ đơn giản là mức trung bình xuất hiện trên cả hai đường truyền tín hiệu. Tôi dễ dàng nghĩ đến nó hơn trong bối cảnh hai đầu vào của bộ khuếch đại vi sai, trong đó điện áp chế độ chung được xác định rõ ràng là . Cho dù con số này phản ánh những gì một số người coi là nhiễu hoặc những gì người khác coi tín hiệu là không liên quan đến định nghĩa.$(V_+ + V_-)/2$

Bây giờ, về lý do tại sao nó có vấn đề, đôi khi nó, đôi khi không. Thông thường, mục tiêu của tôi là để tất cả nhiễu EM xuất hiện ở một bộ khuếch đại tốt như chế độ chung và sử dụng các cặp xoắn để đạt được điều này. Theo "Tốt", ý tôi là một bộ khuếch đại có tỷ lệ loại bỏ chế độ phổ biến cao. Đối với bộ khuếch đại như vậy, tín hiệu vi sai ( được khuếch đại và điện áp chế độ chung bị suy giảm (RẤT suy giảm nếu bạn làm đúng). Nếu bạn không sử dụng cặp xoắn, mỗi đường tín hiệu có thể thấy một mẫu nhiễu EM rất khác nhau, do đó nhiễu EM không còn là chế độ phổ biến, mà là vi sai.$V_+ - V_-)$

Một ví dụ cụ thể làm nổi bật sự khác biệt là âm thanh chuyên nghiệp, truyền tín hiệu xung quanh bằng cách sử dụng cáp xoắn đôi với đầu nối XLR, so với âm thanh của người tiêu dùng, sử dụng tín hiệu truyền một đầu.

Ngay cả tiếng ồn Chế độ chung cũng có vấn đề nếu bạn không có tỷ lệ loại bỏ chế độ chung cao. Ví dụ: nếu bạn xây dựng một bộ khuếch đại vi sai op-amp "điển hình" với các điện trở có dung sai kém (nghĩa là hầu hết), tỷ lệ loại bỏ chế độ chung sẽ kém.

Vì vậy, trở lại "tại sao nó có vấn đề"? - nó ít có vấn đề hơn so với nhiễu vi sai, nhưng không nhất thiết là một kỹ thuật ma thuật để loại bỏ tín hiệu nhiễu, đặc biệt là nếu phần cứng không được chế tạo để làm giảm tối ưu các tín hiệu chế độ chung.

Chính xác, cả hai đều nảy xung quanh trái đất hoặc bất cứ điều gì bạn gọi là 0V tham chiếu của bạn. Hãy tưởng tượng nó giống như một cục pin vào lò xo - điện áp pin không đổi nhưng bản thân pin đang bay khắp nơi. Vâng tôi biết, đó là một tương tự xấu !!!

Thông thường, nhiễu chế độ phổ biến đề cập đến cả hai dây của một cặp vi sai nảy liên quan đến nguồn điện của thiết bị đang lấy đầu vào từ chúng. Cho dù độ nảy được đo tương đối với đường ray âm, đường ray dương hoặc một số điểm giữa thường không quan trọng lắm, bởi vì trong trường hợp tiếng ồn chế độ chung có vấn đề, nó thường có độ lớn hơn đáng kể so với tiếng ồn cung cấp điện.

Nếu đầu vào của thiết bị có tiếng ồn chế độ chung 0,1 volt so với đường ray âm và 10mv tiếng ồn của thiết bị trên nguồn điện của nó, thì bất kể điểm tham chiếu nguồn cung cấp nào được chọn, tiếng ồn ở chế độ chung sẽ ở đâu đó giữa 0,09 và 0,11 volt. Nếu 0,1 volt tiếng ồn chế độ chung sẽ không thành vấn đề, thì 0.11 có lẽ cũng sẽ không; nếu 0,1 volt sẽ là một vấn đề, 0,09 có lẽ cũng sẽ như vậy.

Tiếng ồn chế độ chung xảy ra giữa ba pha hoặc trung tính và mặt đất trong khi nhiễu chế độ bình thường xảy ra giữa ba dây dẫn sống pha. Để biết thêm chi tiết tham khảo cuốn sách chất lượng điện năng của Dugan và mark et al.

Tiến sĩ Nasrullah Khan