¿Qué es el ruido de "modo común"?

¿Alguien puede explicar qué es el ruido de "modo común" y cómo puede ser problemático?

Entiendo "ruido" en una señal en general. Si tengo un riel "ruidoso" de + 5V en una placa de circuito, no obtendré un valor constante de +5, rebotará por encima y por debajo de ese valor nominal ... ... pero aún relativo al circuito COM .

Mi muy vaga comprensión del ruido de "modo común" es que es donde ambos lados varían por igual . (Aquí es donde se rompe mi comprensión) Es decir, la pareja está rebotando con respecto a ... ... ¿a qué? ¿Tierra?

¿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 irradiar 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 al pin de tierra del mismo chip "controlador de línea" .

En un lugar distante, el otro extremo del cable a menudo está conectado a un pin en un chip "receptor de línea". Debido al ruido, el voltaje en ese pin de entrada, medido en relación con el pin de tierra del mismo receptor de línea, a menudo puede estar en cualquier lugar en el rango de -1.5 V a +2.5 V cuando el transmisor está tratando de enviar un "0", y en cualquier lugar dentro del rango de 0.5 V a 4.5 V cuando el transmisor está tratando de 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 equilibrado , 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 usan 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 paquete de cables.

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

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

Las personas que diseñan controladores de línea intentan hacer que tiren de la línea "p" tanto como al mismo tiempo que baja la línea "n" y viceversa, de modo que el voltaje promedio (medido en el controlador) es constante: - en este ejemplo, el promedio en el controlador es una constante de 1.5 V. (Por desgracia, nunca son completamente exitosos).

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

Cada vez que los datos se transmiten con señalización diferencial, la diferencia entre el voltaje de modo común sin ruido y el voltaje de modo común real es completamente causada por el ruido. Esa diferencia se llama ruido de modo común.

Hay 3 causas principales de ruido de modo común:

• Muchos pares diferenciales se manejan de manera que no cambian los cables "+" y "-" exactamente al mismo tiempo, o exactamente con el mismo voltaje, o tal vez pequeñas cantidades de ruido en el riel de potencia del controlador de línea se filtran solo en el el cable "+" y no el cable "-", lo que causa ruido de modo común. (Un estrangulador de ferrita en el extremo "conductor" del cable se usa comúnmente para reducir el ruido de modo común de esta fuente).
• Otros cables en el haz de cables pueden perder más energía en un cable del par que 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 en modo común?

La gente intenta diseñar receptores de línea para rechazar el ruido de modo común. (Por desgracia, nunca son completamente exitosos). Pero incluso en un sistema que utiliza señalización diferencial con tales receptores de línea, el ruido de modo común puede ser problemático:

• Los cables de comunicación largos actúan como antenas. Si el controlador de línea envía demasiado ruido de modo común por los cables, causa interferencia de radiofrecuencia con otros dispositivos y hace que el sistema falle las pruebas de FCC o CE o ambas, por compatibilidad electromagnética (EMC).

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

• La mayoría de los circuitos integrados no funcionan correctamente cuando cualquier pin es forzado demasiado alto o dos de bajo voltaje por debajo de 0.6 V por debajo del pin GND y por encima de 0.6 V por encima del pin de alimentación generalmente causan problemas. Dado que el ruido de modo común puede empujar fácilmente la señal "+" o "-", o ambas, fuera de ese rango, los circuitos receptores de línea deben conectar los cables a circuitos integrados especiales (como los transceptores RS-485 de modo común extendido ") que puede manejar tales excursiones; o conecte los cables a algún componente de circuito no integrado que proteja los circuitos integrados de tales excursiones, como los optoaisladores utilizados en MIDI o los transformadores utilizados en Ethernet.

$(V_+ + V_-)/2$

$V_+ - V_-)$

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

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

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

Correcto, ambos rebotan 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 misma está volando por todas partes. Sí, lo sé, ¡es una mala analogía!

Típicamente, el ruido de modo común se refiere a los dos cables de un par diferencial que rebota 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 es importante, 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 10mv de ruido en su fuente de alimentación, entonces no importa qué punto de referencia de la fuente de alimentación elija, el ruido de modo común será estar en algún lugar entre 0.09 y 0.11 voltios. Si 0.1 voltios de ruido en modo común no serían un problema, 0.11 probablemente tampoco lo sea; si 0.1 voltios sería un problema, 0.09 probablemente también lo sería.

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

Dr. Nasrullah Khan