Che cos'è il rumore in modalità comune?
Praticamente tutti i circuiti integrati (e circuiti in generale) hanno un pin chiamato "terra" o "GND", o il foglio dati dice cose come "collegare VSS a terra".
Quando si trasmettono dati "a lunga distanza", i fili fungono da antenne e possono facilmente raccogliere qualche volt di rumore e anche irradiare rumore. Quindi, ad esempio, un pin di uscita su un chip in una scatola può trasmettere uno "0" a circa 0,5 V e trasmettere un bit "1" a circa 2,5 volt, misurato rispetto al pin di terra dello stesso chip "line driver" .
In una posizione distante, l'altra estremità del filo è spesso collegata a un pin su un chip "ricevitore di linea". A causa del rumore, la tensione su quel pin di ingresso, misurata rispetto al pin di terra di quello stesso ricevitore di linea, potrebbe spesso trovarsi ovunque nell'intervallo da -1,5 V a +2,5 V quando il trasmettitore sta tentando di inviare uno "0", e ovunque nell'intervallo da 0,5 V a 4,5 V quando il trasmettitore sta tentando di inviare un "1".
Quindi, come può il ricevitore sapere se il trasmettitore sta provando a inviare un 1 o uno 0, quando riceve una tensione come 0,9 o 2,2?
Per questo motivo, i dati trasmessi su lunghe distanze vengono spesso inviati utilizzando segnali differenziali su una coppia bilanciata , spesso una coppia intrecciata . In particolare, i cavi USB, CANbus e MIDI includono una singola coppia intrecciata per i dati; I telefoni "2-line" e FireWire utilizzano due doppini; I cavi Ethernet CAT5e includono quattro coppie intrecciate; altri sistemi usano ancora più coppie. Spesso (ma non sempre), c'è un altro "filo di terra" nello stesso fascio di cavi.
Etichettiamo uno di questi fili "più" o "positivo" o "+" o "p" e l'altro filo "meno" o "-" o "negativo" o "n". Quindi, quando voglio trasmettere un segnale "CLK" e un segnale "MOSI" da un posto all'altro, il mio cavo ha 4 fili etichettati pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.
La tensione di modo comune di CLK è la media dei due fili CLK, (pCLK + nCLK) / 2, misurata sul ricevitore - rispetto al pin GND di quel ricevitore.
La tensione di modo comune di MOSI è la media dei due fili MOSI, (pMOSI + nMOSI) / 2, misurata sul ricevitore - rispetto al pin GND di quel ricevitore.
Le persone che progettano i driver di linea cercano di farli tirare la linea "p" altrettanto e contemporaneamente la linea "n" scende e viceversa, quindi la tensione media (misurata sul driver) è costante - - in questo esempio, la media al conducente è una costante di 1,5 V. (Purtroppo, non hanno mai avuto successo).
Se non ci fosse rumore, allora anche la tensione di modo comune avrebbe lo stesso valore costante - ma purtroppo non lo è.
Ogni volta che i dati vengono trasmessi con segnalazione differenziale, la differenza tra la tensione di modo comune priva di rumore e la tensione di modo comune effettiva è interamente causata dal rumore. Tale differenza si chiama rumore di modo comune.
Esistono 3 cause principali di rumore di modo comune:
- Molte coppie differenziali sono guidate in modi che non commutano i fili "+" e "-" esattamente nello stesso momento, o esattamente con la stessa tensione, o forse piccole quantità di rumore sulla linea di alimentazione del driver di linea perdono solo sul Il filo "+" e non il filo "-", causando un certo rumore di modo comune. (Uno starter di ferrite sull'estremità "driver" del cavo è comunemente usato per ridurre il rumore di modo comune da questa sorgente).
- Altri fili nel fascio di cavi possono perdere più energia in un filo della coppia rispetto all'altro, in genere attraverso l'accoppiamento capacitivo. (La rotazione di ogni coppia di un diverso numero di colpi di scena per lunghezza viene comunemente utilizzata per ridurre il rumore di modo comune da questa sorgente).
- Interferenza esterna - spesso attraverso accoppiamento induttivo.
come può essere problematico il rumore in modalità comune?
Le persone cercano di progettare ricevitori di linea per rifiutare il rumore di modo comune. (Ahimè, non hanno mai completamente successo). Ma anche in un sistema che utilizza la segnalazione differenziale con tali ricevitori di linea, il rumore in modalità comune può ancora essere problematico:
I cavi di comunicazione lunghi fungono da antenne. Se il driver di linea invia troppi disturbi di modo comune lungo i fili, causa interferenze in radiofrequenza con altri dispositivi e causa il fallimento del test FCC o del test CE o di entrambi, per compatibilità elettromagnetica (EMC).
Alcuni rumori di modo comune perdono attraverso il ricevitore di linea - il rapporto di rifiuto di modo comune non è infinito. Questo è un grosso problema con i segnali analogici; di solito non è un problema con quelli digitali e zeri.
La maggior parte dei circuiti integrati non funziona correttamente quando un pin viene forzato troppo in alto o due bassa tensione inferiore a 0,6 V al di sotto del pin GND e superiore a 0,6 V al di sopra del pin di alimentazione di solito causa problemi. Poiché il rumore in modalità comune può facilmente spingere il segnale "+" o "-", o entrambi, al di fuori di tale intervallo, i circuiti del ricevitore di linea devono collegare i fili a circuiti integrati speciali (come "Ricetrasmettitori RS-485 Common-Mode estesi) ") in grado di gestire tali escursioni; oppure collegare i fili a qualche componente di circuito non integrato che protegge i circuiti integrati da tali escursioni, come gli optoisolatori utilizzati nel MIDI o i trasformatori utilizzati in Ethernet.