Was ist "Gleichtaktrauschen"?

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 Ausgangspin 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 Erdungspin desselben „Leitungstreiber“-Chips .

An einem entfernten Ort ist das andere Ende des Drahts oft mit einem Stift auf einem "Leitungsempfänger"-Chip verbunden. Aufgrund von Rauschen kann die Spannung an diesem Eingangspin, gemessen relativ zum Erdungspin desselben Leitungsempfängers, oft 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 über große Entfernungen übertragene Daten oft mit differentieller Signalisierung über ein symmetrisches Paar , oft ein verdrilltes Paar , gesendet . Insbesondere USB-, CANbus- und MIDI-Kabel enthalten ein einzelnes verdrilltes Paar für Daten; "2-Leitungs"-Telefone und FireWire verwenden zwei Twisted-Pairs; CAT5e-Ethernet-Kabel umfassen vier verdrillte Paare; andere Systeme verwenden noch mehr Paare. Oft (aber nicht immer) gibt es ein anderes "Erdungskabel" im selben Kabelbündel.

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

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

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

Leute, die Leitungstreiber entwerfen, versuchen, sie dazu zu bringen, die "p"-Leitung genauso stark und gleichzeitig nach oben zu ziehen, wie die "n"-Leitung nach unten geht, und umgekehrt, damit die durchschnittliche Spannung (am Treiber gemessen) konstant ist - - In diesem Beispiel liegt der Durchschnitt am Treiber bei konstanten 1,5 V. (Leider sind sie nie ganz erfolgreich).

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

Immer wenn Daten mit differentieller Signalisierung 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 differenzielle Paare werden so angesteuert, dass die „+“- und „-“-Drähte nicht genau zur gleichen Zeit oder mit genau derselben Spannung geschaltet werden, oder vielleicht streut ein geringes Rauschen auf der Stromschiene des Leitungstreibers nur auf die "+"-Draht und nicht der "-"-Draht, wodurch Gleichtaktrauschen verursacht wird. (Eine Ferritdrossel am "Treiber"-Ende des Kabels wird üblicherweise verwendet, um Gleichtaktrauschen von dieser Quelle zu reduzieren).
• Andere Drähte im Kabelbündel können mehr Energie in einen Draht des Paares leiten als in den anderen – typischerweise 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 so zu konstruieren, dass sie Gleichtaktrauschen unterdrücken. (Leider sind sie nie ganz erfolgreich). Aber selbst in einem System, das differenzielle Signalisierung mit solchen Leitungsempfängern verwendet, kann Gleichtaktrauschen immer noch problematisch sein:

• Lange Kommunikationsdrähte wirken als Antennen. Wenn der Leitungstreiber zu viel Gleichtaktrauschen über die Kabel sendet, verursacht dies Hochfrequenzinterferenzen mit anderen Geräten und führt dazu, dass das System FCC-Tests oder CE-Tests oder beide für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nicht besteht.

• Ein Teil des Gleichtaktrauschens dringt durch den Leitungsempfänger – das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis ist nicht unendlich. Dies ist ein großes Problem bei analogen Signalen; normalerweise kein Problem mit digitalen Einsen und Nullen.

• Die meisten integrierten Schaltkreise funktionieren nicht richtig, wenn ein Pin zu hoch oder zwei zu niedrig erzwungen wird – eine Spannung von weniger als 0,6 V unter dem GND-Pin und mehr als 0,6 V über dem Power-Pin verursacht normalerweise Probleme. Da Gleichtaktstörungen das „+“- oder das „-“-Signal oder beides leicht außerhalb dieses Bereichs verschieben können, müssen Leitungsempfängerschaltungen die Drähte entweder mit speziellen integrierten Schaltungen verbinden (wie z. B. „Erweiterte Gleichtakt-RS-485-Transceiver "), die solche Ausflüge bewältigen kann; oder verbinden Sie die Drähte mit einer nicht integrierten Schaltungskomponente, die die ICs vor solchen Abweichungen schützt – wie die bei MIDI verwendeten Optokoppler oder die bei Ethernet verwendeten Transformatoren.

"Gleichtaktspannung" ist einfach der Durchschnitt, der auf beiden Signalwegen erscheint. Ich kann es mir einfacher im Zusammenhang mit zwei Eingängen eines Differenzverstärkers vorstellen, wo die Gleichtaktspannung eindeutig als definiert ist$(V_+ + V_-)/2$. Ob diese Zahl das widerspiegelt, was manche als Rauschen oder was andere als Signal betrachten, ist in Bezug auf die Definition irrelevant.

Nun, warum es problematisch ist, manchmal ist es das, manchmal nicht. Normalerweise ist es mein Ziel, dass alle EM-Störungen für einen guten Verstärker als Gleichtakt erscheinen, und ich verwende verdrillte Paare, um dies zu erreichen. Mit "gut" meine ich einen Verstärker mit einem hohen Gleichtaktunterdrückungsverhältnis. Für einen solchen Verstärker werden Differenzsignale ($V_+ - V_-)$werden verstärkt und Gleichtaktspannungen werden gedämpft (SEHR gedämpft, wenn Sie es richtig machen). Wenn Sie kein Twisted Pair verwenden, kann jeder Signalpfad ein sehr unterschiedliches Muster von EM-Rauschen sehen, sodass das EM-Rauschen nicht mehr Gleichtakt, sondern Differenzial ist.

Ein besonderes Beispiel, das den Unterschied hervorhebt, ist Pro-Audio, das Signale über Twisted-Pair-Kabel mit XLR-Anschlüssen weiterleitet, im Vergleich zu Consumer-Audio, das Single-End-Signalweiterleitung verwendet.

Sogar Gleichtaktrauschen ist problematisch, wenn Sie kein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis haben. Wenn Sie beispielsweise einen "typischen" Differenzverstärker mit einem Operationsverstärker mit schlecht tolerierten (dh den meisten) Widerständen bauen, ist das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis schlecht.

Also zurück zu "warum ist es problematisch"? - Es ist weniger problematisch als differenzielles Rauschen, aber nicht unbedingt eine magische Technik, um Signale von Rauschen zu befreien, insbesondere wenn die Hardware nicht so gebaut ist, dass sie Gleichtaktsignale optimal dämpft.

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

Typischerweise bezieht sich Gleichtaktrauschen auf beide Drähte eines differentiellen Paares, die relativ zur Stromversorgung des Geräts, das von ihnen Eingang erhält, prellen. Ob das Prellen relativ zur negativen Schiene, zur positiven Schiene oder zu einem Punkt dazwischen gemessen wird, spielt im Allgemeinen keine große Rolle, denn in Fällen, in denen Gleichtaktrauschen eine Rolle spielt, ist es oft eine Größenordnung wichtiger als das Rauschen der Stromversorgung.

Wenn der Eingang eines Geräts z. B. 0,1 Volt Gleichtaktrauschen relativ zur negativen Schiene hat und das Gerät 10 mV Rauschen an seiner Stromversorgung, dann wird das Gleichtaktrauschen unabhängig davon, welchen Bezugspunkt der Stromversorgung man wählt irgendwo zwischen 0,09 und 0,11 Volt liegen. Wenn 0,1 Volt Gleichtaktrauschen kein Problem wären, werden 0,11 wahrscheinlich auch kein Problem sein; Wenn 0,1 Volt ein Problem wären, wären es wahrscheinlich auch 0,09.

Motivationen

"Gleichtaktrauschen" ist ein grundlegendes Konzept in der Elektronik. Da es jedoch in vielen verwandten, aber unterschiedlichen Kontexten vorkommt – Verstärker und Signalisierung, 120-V- oder 230-V-Stromversorgung oder EMI/EMV – um nur einige zu nennen, hat es viele scheinbar widersprüchliche Definitionen. Diese Situation schafft so viel Verwirrung bei Anfängern.

EMV-Ingenieure können Ihnen beispielsweise sagen: „Die Strahlung Ihres Systems kommt aufgrund von Gleichtaktrauschen vom 5-Volt-Gleichstromkabel.“ Und du verstehst nicht, wovon sie reden.

• Sie haben also nachgeschlagen und die Definition gefunden: "Zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers liegt eine Gegentaktspannung an, zwischen den Eingängen und Masse liegt eine Gleichtaktspannung an." Du bist verwirrt. Verstärker? Welcher Verstärker? Also sucht man weiter.

• Dann sind Sie auf eine andere Definition gestoßen: Das Rauschen zwischen Live- und Neutralleiter im Wechselstromnetz ist Gegentaktrauschen und kann durch einen Klasse-X-Kondensator unterdrückt werden, das Rauschen zwischen Live / Neural und Erdleiter ist Gleichtaktrauschen , und es wird durch einen Klasse-Y-Kondensator oder eine Gleichtaktdrossel unterdrückt. Du bist noch verwirrter. Wechselstromnetz? Neural? Aber es ist ein 5-Volt-Netzteil. Erde? Aber es ist batteriebetrieben.

• Schließlich haben Sie noch eine andere Definition gefunden, bevor Sie aufgegeben haben: „Wenn wir zwei Leiter haben, ist der Strom, der auf beiden Leitern in die gleiche Richtung fließt, der Gleichtaktstrom. Der Strom, der auf beiden Leitern in die entgegengesetzte Richtung fließt, ist der Differentialstrom -Modus aktuell." An diesem Punkt hast du endgültig aufgegeben. Ich habe hier +5 VDC und GND. Wie kann ein Strom in die gleiche Richtung fließen? Macht es überhaupt Sinn?

Meiner Meinung nach ist keine der vorhandenen Antworten zufriedenstellend, da sie dieses Problem nicht erklären. Meine Antwort ist ein Versuch, diese Verwirrung im Zusammenhang mit EMI/EMV zu klären.

Eine aktuelle Definition von Gleichtaktrauschen

Wenn wir von analoger oder digitaler Signalisierung mit einem Differenzverstärker sprechen, wird häufig die Spannungsdefinition verwendet - es ist das Rauschen zwischen einem Signal und einer gemeinsamen Bezugsmasse. Wenn wir jedoch allgemeiner darüber sprechen, ist es oft unklar, wo die "Gemeinsamkeit" liegt. Daher ist es sinnvoller, eine aktuelle Definition von Gleichtaktrauschen zu verwenden.

Um es einfach, aber schlampig auszudrücken, in vielen praktischen Anwendungen ist ein Gleichtaktstrom oft der unerwünschte Strom, der die Schaltung stört , während ein Gegentaktstrom oft der nützliche Strom ist, der für den Betrieb der Schaltung erforderlich ist (aber es kann auch Gegentaktrauschen geben). Idealerweise sollte der Gleichtaktstrom in Kabeln Null sein, also gar nicht existieren.

Um zu verstehen, was ich meinte, betrachten Sie das vorherige Beispiel einer 5-Volt-Gleichstromversorgung. Wir haben ein elektronisches Gerät, das von einer 5-Volt-Gleichstromversorgung gespeist wird. Die Stromversorgung erfolgt über ein DC-Kabel mit zwei Adern: + 5 VDC und GND. Wir können dieses System in einem vereinfachten Schema darstellen.

Kirchhoffs aktuelles Gesetz sagt uns,$\sum_{k=1}^n {I}_k = 0$. Mit anderen Worten, an +VDC und GND sollte ein gleicher und entgegengesetzter Strom anliegen. Der Strom, der in die Last fließt, muss gleich dem Strom sein, der aus der Last fließt. Zum Beispiel, wenn Ivdc = 500 mA, Ignd = -500 mA. Der Nettostrom im gesamten Kabel sollte Null sein.

Wenn wir dieses Experiment jedoch mit einem echten Schaltnetzteil und einer echten Leiterplatte mit mehreren digitalen Logikchips darauf durchführen, sehen Sie etwas anderes: Ivdc kann 500,0025 mA betragen, während Ignd -499,9975 mA betragen kann. Zu unserer Überraschung fehlen am Erdungskabel die 5 μA Strom, und es fließt ein Nettostrom von 0,005 mA (5 μA) in die Last. Dieser Strom von 5 μA ist der Gleichtaktstrom.

Mathematisch können wir sagen, dass der Strom in den Kabeln eine Überlagerung von zwei verschiedenen Strömen ist. Es gibt einen Gegentaktstrom, der in entgegengesetzte Richtungen fließt, und einen Strom von 2,5 μA auf beiden VDC- und GND-Leitungen, der in die gleiche Richtung zur Last fließt.

Damit haben wir unsere erste Definition von Strom im Strommodus: Wenn wir zwei Leiter haben, ist der Strom, der auf beiden Leitern in die gleiche Richtung fließt, der Gleichtaktstrom.

Aber KCL sagt uns, dass "was hineingeht, herauskommen muss" und der Strom zur Quelle zurückkehren muss. Wie kann der Strom auf beiden Drähten in die gleiche Richtung fließen? Was ist los? Die Antwort ist leicht zu erkennen, sobald wir erkennen, dass (1) wir Wechselstrom haben, keinen Gleichstrom. Da sowohl das Schaltnetzteil als auch die digitalen Chips auf der Platine durch schnelles Schalten arbeiten, können die Frequenzanteile des Stroms bis zu 100 MHz betragen. (2) Parasitäre Kapazität ist überall in einem realen Schaltkreis vorhanden, und bei 100 MHz beträgt die Impedanz eines 5-pF-Kondensators nur 318 j Ω.

Somit springt der Gleichtaktstrom von 5 μA einfach über die parasitäre Kapazität zu einem nahe gelegenen Leiter und kehrt über einen alternativen Pfad zur Quelle zurück. Der genaue Weg, den die Strömung nimmt, ist oft schlecht definiert und etwas unvorhersehbar. Oft ist es das Metallgehäuse. Bei Systemen ohne Metallgehäuse kann es sich um ein beliebiges leitfähiges Objekt handeln, das sich zufällig in der Nähe befindet: ein Metalltisch, ein Aktenschrank oder buchstäblich der Boden.

_{Quelle: Elektromagnetische Kompatibilitätstechnik von Henry Ott, faire Verwendung.}

Aufgrund der unkontrollierten Natur des Gleichtaktstroms bewegt er sich normalerweise in einer großen Schleife, und diese Schleife strahlt elektromagnetische Störungen aus. Und tatsächlich fließt der Gleichtaktstrom nicht nur gemäß der grundlegenden Schaltungstheorie in einem Leiter, sondern ist das Ergebnis eines elektromagnetischen Felds. Ein Draht über einer Ebene erzeugt eine Monopolantenne, die abgestrahlte elektromagnetische Wellen erzeugt.

Ein spezielles Szenario ist, wenn das System eine 120-V- oder 230-V-Netzversorgung ist. In diesem Fall haben wir tatsächlich eine wohldefinierte Referenz. Das Wechselstromnetz hat drei Leiter: Live, Neutral, Erde, und das Gehäuse ist mit Erde geerdet, ein Strom, der sonst über Neutral zurückkehren sollte, kehrt stattdessen oft über Erde zurück. Damit erklärt sich eine andere Definition von Gleichtaktrauschen: Das Rauschen zwischen Live- und Neutralleiter im Wechselstromnetz ist Gegentaktrauschen, das Rauschen zwischen Live/Neural und Erdleiter ist Gleichtaktrauschen.

Messen von Gleichtaktrauschen

Gleichtakt-Störströme können nicht mit einem Multimeter gemessen werden, da sie durch HF-Strom bei Hunderten von Megahertz mit einer Größenordnung von einigen Mikroampere erzeugt werden. Stattdessen wird er bei EMI/EMV-Vorab-Konformitätstests von einem Spektrumanalysator mit einer HF-Stromsonde gemessen. Und das Ergebnis ist eine Rauschspannung, kein Strom. Wenn die Sonde mit einer Transferimpedanzkurve gekennzeichnet ist, kann die Spannung in Strom umgewandelt werden.

Die HF-Stromsonde erfasst den Strom über das Magnetfeld. Wenn wir die Stromsonde über einen einzelnen Draht legen, wird der Strom auf diesem Draht gemessen. Wenn wir die Stromsonde über das gesamte Kabel legen, z. B. einschließlich Strom und Masse, ist der Nettomagnetfluss innerhalb der Sonde Null, und wir können den Leck- oder Gleichtaktrauschstrom messen.

Hier ist ein Beispiel für eine kommerzielle HF-Stromsonde.

_{Quelle: Bewertung: Tekbox TBCP1 HF-Stromsonde , EDN, Fair Use.}

Wenn man keinen Spektrumanalysator hat, ist eine kostengünstige Lösung die Verwendung eines SDR-Dongles. Ein RTL-SDR im Wert von 10 US-Dollar reicht aus, um die Frequenzspitzen dieser EMI-Quellen anzuzeigen. Eine weitere Option ist die Verstärkung der Stromsonde mit einem RF Low-Noise Amplifier (LNA), die anschließende Analyse des Ergebnisses auf einem digitalen Oszilloskop über FFT ist ebenfalls eine Option. Beide Methoden sind unzuverlässig und für quantitative Messungen ungeeignet, aber gut genug, um eine pädagogische Demonstration zu sein.

Der Weg des Gleichtaktstroms ist oft schlecht definiert und kann ein beliebiges leitendes Objekt sein, das sich zufällig hier in der Nähe befindet: ein Metalltisch, ein Aktenschrank oder buchstäblich der Boden. Um eine zuverlässige und wiederholbare Messung bei leitfähigen EMI-Compliance-Tests durchzuführen, werden solide Metallplatten geerdet und in horizontaler und vertikaler Richtung in der Nähe des zu testenden Geräts platziert, sodass ein vorhersagbarer Pfad für Gleichtaktstrom entsteht .

_{Quelle: Elektromagnetische Kompatibilitätstechnik von Henry Ott, faire Verwendung.}

Für einen einfachen Pre-Compliance-Test an der Werkbank schlug Ott vor, dass man einen selbstgebauten Laborwagen in der folgenden Anordnung verwenden kann, um sich der Testumgebung anzunähern.

_{Quelle: Elektromagnetische Kompatibilitätstechnik von Henry Ott, faire Verwendung.}

Das Gleichtaktrauschen tritt zwischen drei Phasen oder Neutralleiter und Erde auf, während Gegentaktrauschen zwischen dreiphasigen stromführenden Leitern auftritt. Weitere Einzelheiten finden Sie im Power Quality Book von Dugan und Market et al.

Dr. Nasrullah Khan