Co to jest hałas w trybie wspólnym?
Praktycznie wszystkie układy scalone (i ogólnie obwody) mają piny o nazwie „ziemia” lub „GND”, lub w arkuszu danych podano takie rzeczy, jak „podłącz VSS do ziemi”.
Podczas przesyłania danych „na dużą odległość”, przewody działają jak anteny i mogą z łatwością wychwytywać kilka woltów szumu, a także emitować szumy. Na przykład styk wyjściowy na chipie w jednym urządzeniu może przesyłać „0” jako około 0,5 V i przesyłać bit „1” jako około 2,5 wolta, mierzony w stosunku do styku uziemienia tego samego układu „sterownika linii” .
W odległej lokalizacji drugi koniec drutu jest często podłączony do pinu w układzie „odbiornika linii”. Z powodu szumów napięcie na tym styku wejściowym, mierzone w stosunku do styku uziemienia tego samego odbiornika linii, może często znajdować się w dowolnym zakresie w zakresie od -1,5 V do +2,5 V, gdy nadajnik próbuje wysłać „0”, i gdziekolwiek w zakresie od 0,5 V do 4,5 V, gdy nadajnik próbuje wysłać „1”.
Skąd więc odbiornik może wiedzieć, czy nadajnik próbuje wysłać 1 czy 0, kiedy otrzymuje napięcie takie jak 0,9 lub 2,2?
Z tego powodu dane przesyłane na duże odległości są często wysyłane przy użyciu sygnalizacji różnicowej w parze zrównoważonej , często skrętce . W szczególności kable USB, CANbus i MIDI zawierają pojedynczą skrętkę dla danych; Telefony „2-liniowe” i FireWire wykorzystują dwie skręcone pary; Kable Ethernet CAT5e obejmują cztery skręcone pary; inne systemy wykorzystują jeszcze więcej par. Często (ale nie zawsze) w tym samym pakiecie kabli znajduje się inny „przewód uziemiający”.
Jeden z tych drutów oznaczamy „plus” lub „dodatni” lub „+” lub „p”, a drugi przewód „minus” lub „-” lub „ujemny” lub „n”. Kiedy więc chcę przesłać sygnał „CLK” i „MOSI” z jednego miejsca do drugiego, mój kabel ma 4 przewody oznaczone pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.
Napięcie wspólne CLK jest średnią z dwóch przewodów (CLK, nCLK PCLK +) / 2, mierzone w odbiorniku - w stosunku do sworznia GND tego odbiornika.
Napięcie w trybie wspólnym MOSI to średnia z dwóch przewodów MOSI (pMOSI + nMOSI) / 2, mierzona na odbiorniku - względem styku GND tego odbiornika.
Ludzie, którzy projektują sterowniki linii, próbują zmusić ich do ciągnięcia linii „p” tak samo, jak jednocześnie zejście linii „n” i odwrotnie, więc średnie napięcie (mierzone u kierowcy) jest stałe - - w tym przykładzie średnia u kierowcy wynosi stała 1,5 V. (Niestety, nigdy nie odnoszą one pełnego sukcesu).
Gdyby nie było szumu, napięcie w trybie wspólnym również byłoby takie samo, jak wartość stała - ale niestety tak nie jest.
Ilekroć dane są przesyłane z sygnalizacją różnicową, różnica między bezszumowym napięciem w trybie wspólnym a rzeczywistym napięciem w trybie wspólnym jest całkowicie spowodowana przez szum. Różnica ta nazywana jest szumem w trybie wspólnym.
Istnieją 3 główne przyczyny hałasu w trybie wspólnym:
- Wiele par różnicowych jest napędzanych w sposób, który nie przełącza przewodów „+” i „-” dokładnie w tym samym czasie, ani przez dokładnie to samo napięcie, lub być może niewielkie ilości hałasu na szynie zasilającej kierowcy linii, przecieka tylko na Przewód „+”, a nie przewód „-”, powodujący hałas w trybie wspólnym. ( Dławik ferrytowy na końcu kabla „napędzającego” jest powszechnie używany do redukcji szumów z tego źródła w trybie wspólnym).
- Inne przewody w wiązce kabli mogą wyciekać więcej energii do jednego drutu z pary niż do drugiego - zazwyczaj przez połączenie pojemnościowe. (Skręcanie każdej pary inną liczbę skrętów na długość jest zwykle stosowane w celu zmniejszenia szumu w trybie wspólnym z tego źródła).
- Zakłócenia zewnętrzne - często poprzez sprzężenie indukcyjne.
jak hałas w trybie wspólnym może być problematyczny?
Ludzie próbują zaprojektować odbiorniki liniowe, aby odrzucały szumy w trybie wspólnym. (Niestety, nigdy nie odnoszą one pełnego sukcesu). Ale nawet w systemie, który wykorzystuje sygnalizację różnicową z takimi odbiornikami linii, szum w trybie wspólnym może nadal stanowić problem:
Długie przewody komunikacyjne działają jak anteny. Jeśli sterownik linii przesyła zbyt dużo szumów w trybie wspólnym w dół przewodów, powoduje to zakłócenia częstotliwości radiowych z innymi urządzeniami i powoduje, że system nie przejdzie testów FCC lub CE, lub obu, pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).
Niektóre szumy w trybie wspólnym przeciekają przez odbiornik linii - współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym nie jest nieskończony. Jest to duży problem z sygnałami analogowymi; zwykle nie stanowi problemu z cyfrowymi zerami i zerami.
Większość układów scalonych nie działa poprawnie, gdy którykolwiek styk jest zbyt mocno wciśnięty lub dwa niskie napięcie jest niższe niż 0,6 V poniżej styku GND i wyższe niż 0,6 V powyżej styku zasilania zwykle powoduje problemy. Ponieważ hałas w trybie wspólnym może z łatwością przesunąć sygnał „+” lub „-” lub oba poza ten zakres, obwody odbiornika linii muszą albo podłączyć przewody do specjalnych układów scalonych (takich jak „Transceiver RS-485 Extended Common-Mode” „), które mogą obsługiwać takie wycieczki; lub podłącz przewody do jakiegoś niezintegrowanego elementu obwodu, który chroni układy scalone przed takimi skokami - takich jak optoizolatory używane w MIDI lub transformatory używane w Ethernet.