Was ist Gleichtaktrauschen?

Kann jemand erklären, was Gleichtaktrauschen ist und wie es problematisch sein kann?

Ich verstehe "Rauschen" auf einem Signal im Allgemeinen. Wenn ich eine "verrauschte" + 5V-Schiene auf einer Leiterplatte habe, erhalte ich keinen konstanten Wert von +5, sondern er springt über und unter diesem Nennwert ... ... aber immer noch relativ COM zu schalten .

Mein sehr vages Verständnis von "Gleichtakt" -Rauschen ist, dass sich beide Seiten gleichermaßen unterscheiden . (Hier bricht mein Verständnis zusammen.) Das heißt, das Paar springt herum in Bezug auf ... ... auf was? Erdboden?

Was ist Gleichtaktrauschen?

Praktisch alle integrierten Schaltkreise (und Schaltkreise im Allgemeinen) haben einen Pin mit der Bezeichnung "Masse" oder "GND", oder das Datenblatt sagt Dinge wie "VSS mit Masse verbinden".

Bei der Übertragung von Daten über "große Entfernungen" fungieren die Drähte als Antennen und können leicht ein paar Volt Rauschen aufnehmen und auch Rauschen abstrahlen. So kann beispielsweise ein Ausgangsstift auf einem Chip in einer Box eine "0" mit etwa 0,5 V und ein "1" -Bit mit etwa 2,5 Volt übertragen, gemessen relativ zum Erdungsstift desselben "Leitungstreiber" -Chips .

An einem entfernten Ort ist das andere Ende des Drahtes oft mit einem Stift auf einem "Leitungsempfänger" -Chip verbunden. Aufgrund von Rauschen kann die Spannung an diesem Eingangsstift, gemessen relativ zum Erdungsstift desselben Leitungsempfängers, häufig irgendwo im Bereich von -1,5 V bis +2,5 V liegen, wenn der Sender versucht, eine "0" zu senden, und irgendwo im Bereich von 0,5 V bis 4,5 V, wenn der Sender versucht, eine "1" zu senden.

Wie kann der Empfänger also möglicherweise wissen, ob der Sender versucht, eine 1 oder eine 0 zu senden, wenn er eine Spannung wie 0,9 oder 2,2 erhält?

Aus diesem Grund werden Daten, die über große Entfernungen übertragen werden, häufig mithilfe von Differenzsignalen über ein symmetrisches Paar , häufig ein Twisted Pair, gesendet . Insbesondere enthalten USB-, CANbus- und MIDI-Kabel ein einzelnes Twisted Pair für Daten. "2-Line" -Telefone und FireWire verwenden zwei verdrillte Paare. CAT5e-Ethernet-Kabel umfassen vier Twisted Pair-Kabel; andere Systeme verwenden noch mehr Paare. Oft (aber nicht immer) befindet sich im gleichen Kabelbündel ein anderer "Erdungsdraht".

Wir bezeichnen einen dieser Leiter mit "Plus" oder "Positiv" oder "+" oder "p" und den anderen mit "Minus" oder "-" oder "Negativ" oder "n". Wenn ich also ein "CLK" - und ein "MOSI" -Signal von einem Ort zu einem anderen übertragen möchte, hat mein Kabel 4 Drähte mit der Bezeichnung pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.

Die Gleichtaktspannung von CLK ist der Durchschnitt der beiden am Empfänger gemessenen CLK-Drähte (pCLK + nCLK) / 2 - relativ zum GND-Pin dieses Empfängers.

Die Gleichtaktspannung von MOSI ist der Durchschnitt der beiden am Empfänger gemessenen MOSI-Drähte (pMOSI + nMOSI) / 2 - relativ zum GND-Pin dieses Empfängers.

Leute, die Leitungstreiber entwerfen, versuchen, sie dazu zu bringen, die "p" -Linie genau so weit nach oben zu ziehen, wie die "n" -Linie nach unten geht, und umgekehrt, so dass die durchschnittliche Spannung (gemessen am Treiber) konstant ist - - In diesem Beispiel beträgt der Durchschnitt beim Fahrer konstant 1,5 V. (Leider sind sie nie ganz erfolgreich).

Wenn es kein Rauschen gäbe, wäre auch die Gleichtaktspannung derselbe konstante Wert - aber leider nicht.

Wann immer Daten mit Differenzsignalübertragung übertragen werden, wird die Differenz zwischen der rauschfreien Gleichtaktspannung und der tatsächlichen Gleichtaktspannung vollständig durch Rauschen verursacht. Dieser Unterschied wird als Gleichtaktrauschen bezeichnet.

Es gibt 3 Hauptursachen für Gleichtaktrauschen:

• Viele Differentialpaare werden so angesteuert, dass die Drähte "+" und "-" nicht genau zur gleichen Zeit oder mit genau der gleichen Spannung geschaltet werden oder dass möglicherweise nur geringe Mengen von Rauschen auf der Stromschiene des Leitungstreibers auf die Stromschiene des Leitungstreibers gelangen "+" Kabel und nicht "-" Kabel, was zu Gleichtaktstörungen führt. (Eine Ferritdrossel am "Treiber" -Ende des Kabels wird üblicherweise verwendet, um Gleichtaktstörungen von dieser Quelle zu reduzieren.)
• Andere Drähte im Kabelbündel können mehr Energie in einen Draht des Paares lecken als in den anderen - normalerweise durch kapazitive Kopplung. (Das Verdrillen jedes Paares mit einer unterschiedlichen Anzahl von Verdrillungen pro Länge wird üblicherweise verwendet, um das Gleichtaktrauschen von dieser Quelle zu reduzieren.)
• Störungen von außen - oft durch induktive Kopplung.

Wie kann Gleichtaktrauschen problematisch sein?

Die Leute versuchen, Leitungsempfänger zu entwerfen, um Gleichtaktstörungen zu unterdrücken. (Leider sind sie nie ganz erfolgreich). Aber selbst in einem System, das mit solchen Leitungsempfängern differentielle Signale verwendet, kann Gleichtaktrauschen immer noch problematisch sein:

• Lange Kommunikationskabel dienen als Antennen. Wenn der Leitungstreiber zu viel Gleichtaktrauschen über die Kabel sendet, werden andere Geräte durch Hochfrequenzstörungen gestört, und das System kann den FCC-Test oder den CE-Test oder beides aufgrund der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) nicht bestehen.

• Ein Teil des Gleichtaktrauschens tritt durch den Leitungsempfänger aus - die Gleichtaktunterdrückungsrate ist nicht unendlich. Dies ist ein großes Problem bei analogen Signalen. In der Regel kein Problem mit digitalen Einsen und Nullen.

• Die meisten integrierten Schaltkreise funktionieren nicht richtig, wenn ein Pin zu hoch oder zwei Niederspannungen unter 0,6 V unter dem GND-Pin und über 0,6 V über dem Leistungspin erzwungen werden. Dies führt normalerweise zu Problemen. Da Gleichtaktrauschen das "+" - oder "-" - Signal oder beides leicht außerhalb dieses Bereichs drücken kann, müssen Leitungsempfängerschaltungen entweder die Drähte mit speziellen integrierten Schaltungen verbinden (wie z. B. "Extended Common-Mode RS-485 Transceiver") ") die solche Ausflüge bewältigen können; Oder verbinden Sie die Drähte mit einer nicht integrierten Schaltkreiskomponente, die die ICs vor solchen Ausschlägen schützt, z. B. den in MIDI verwendeten Optokopplern oder den in Ethernet verwendeten Transformatoren.

$(V_+ + V_-)/2$

$V_+ - V_-)$

Ein besonderes Beispiel, das den Unterschied hervorhebt, ist Pro-Audio, bei dem Signale über Twisted-Pair-Kabel mit XLR-Anschlüssen übertragen werden, im Gegensatz zu Consumer-Audio, bei dem Single-End-Signalübertragung verwendet wird.

Selbst Gleichtaktstörungen sind problematisch, wenn Sie keine hohe Gleichtaktunterdrückungsrate haben. Wenn Sie beispielsweise einen "typischen" Differenzverstärker mit einem Operationsverstärker mit schlecht tolerierten (dh den meisten) Widerständen bauen, ist das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis schlecht.

Zurück zu "Warum ist es problematisch?" - Es ist weniger problematisch als differentielles Rauschen, aber nicht unbedingt eine magische Technik, um Rauschsignale zu beseitigen, insbesondere wenn die Hardware nicht zur optimalen Dämpfung von Gleichtaktsignalen ausgelegt ist.

Richtig, beide hüpfen relativ zur Erde oder wie auch immer Sie Ihre Referenz 0V nennen. Stellen Sie es sich wie eine Batterie auf einer Feder vor - die Batteriespannung bleibt konstant, aber die Batterie selbst fliegt überall hin. Ja ich weiß, es ist eine schlechte Analogie !!!

Normalerweise bezieht sich Gleichtaktrauschen auf beide Drähte eines differentiellen Paares, die relativ zur Stromversorgung des Geräts, das von ihnen eingespeist wird, prellen. Ob der Sprung relativ zur negativen Schiene, zur positiven Schiene oder zu einem Punkt dazwischen gemessen wird, spielt im Allgemeinen keine große Rolle, da er in Fällen, in denen Gleichtaktrauschen eine Rolle spielt, häufig eine Größenordnung höher ist als das Netzteilrauschen.

Wenn der Eingang eines Geräts z. B. 0,1 Volt Gleichtaktrauschen in Bezug auf die negative Schiene und das Gerät 10 mV Rauschen in Bezug auf seine Stromversorgung aufweist, wird das Gleichtaktrauschen unabhängig vom Referenzpunkt der Stromversorgung ausgewählt irgendwo zwischen 0,09 und 0,11 Volt liegen. Wenn 0,1 Volt Gleichtaktrauschen kein Problem darstellen würden, wird dies mit 0,11 wahrscheinlich auch nicht der Fall sein. Wenn 0,1 Volt ein Problem wären, wären es wahrscheinlich auch 0,09 Volt.

Das Gleichtaktrauschen tritt zwischen drei Phasen oder Nullleiter und Masse auf, während das Gleichtaktrauschen zwischen drei Phasen stromführender Leiter auftritt. Weitere Einzelheiten finden Sie im Power Quality Book von Dugan und mark et al.

Dr. Nasrullah Khan