Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag

ghost666 31 Jan 2015 16:43 3570 0
IGE-XAO
  • Czy zwróciliście uwagę, jak sygnały różnicowe coraz bardziej i bardziej zdobywają dominującą pozycję w torach sygnałowych o wysokich parametrach? Różnicowe tory sygnałowe oferują szereg istotnych zalet! Ostatnio autor artykułu, Loren Siebert z Texas Instruments, zastanawiał się niedawno nad faktem, że każdy różnicowy tor sygnałowy, wykazuje jakieś pasożytnicze sygnały współbieżne sprzęgnięte z transmisją.

    W różnicowym torze sygnałowym, szum otoczenia, sprzęga się z sygnałem współbieżnym, generując szum współbieżny. Wiele układów z różnicowym wejściem jest bardzo dobra w odrzucaniu tego szumu. Poniżej zaprezentowano wykres odrzucenia sygnału współbieżnego (CMRR) dla układu programowalnego wzmacniacza różnicowego (PDA) LMH6881 firmy Texas Instruments.

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag


    Parametr CMRR determinuje, na ile 'zanieczyszczony' zostanie sygnał różnicowy przez szum obecny w napięciu współbieżnym. Wartość ta jest niezwykle istotna, jednak to nie cała historia, jaka stoi za tą kwestią.

    Jakkolwiek to bardzo ważne, aby zachować sygnał różnicowy, to trzeba także rozważyć, co dzieje się z szumem w sygnale współbieżnym. Jeśli szum przekazywany jest dalej, do kolejnego układu różnicowego, konieczne jest pamiętanie o tym, gdyż wtedy następny układ musi się tym zająć. Na wykresie poniżej zaprezentowano charakterystykę wzmocnienia sygnału współbieżnego dla wzmacniacza LMH6881.

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag


    Z obu powyższych wykresów można wyznaczyć kilka kluczowych dla charakterystyk punktów.

    Pierwszym wnioskiem z tej analizy jest fakt, że przy niskich częstotliwościach, tak dla sygnału współbieżnego jak i różnicowego, odrzucenie i tłumienie jest bardzo korzystne dla parametrów systemu.

    Co jednak dzieje się dla wyższych częstotliwości? Tak CMRR, jak i tłumienie sygnału współbieżnego zaczynają się zmniejszać. Jeśli system, który projektujemy, wykazuje istotne źródła szumu o wysokiej częstotliwości (takie jak lokalne oscylatory czy szumy mikserów), to co wtedy?

    Jak widać z wykresów CMRR i tłumienia sygnału współbieżnego, obie te zdolności wzmacniacza w różnicowym torze sygnałowym zaczynają się degradować, wraz z zwiększaniem się częstotliwości pracy układu. Oznacza to, iż w systemie konieczne jest izolowanie i eliminację źródeł szumu, niezależnie od tego, że stosujemy sygnały różnicowe (w teorii odporne na zakłócenia zewnętrzne - przyp. tłum.).

    Różnicowe tory sygnałowe wymagają dedykowanych terminatorów na końcach linii, jeśli chcemy uzyskać maksymalne ich parametry. Aby ograniczyć niepożądane odbicia sygnałów, czy ich emisję poza linię, szerokopasmowa terminacja na końcu linii sygnałowej jest bardzo ważna. Wielu projektantów systemów elektronicznych bardzo precyzyjnie dobiera terminatory linii różnicowych - przynajmniej z różnicowego punktu widzenia. Jednakże, oznacza to że bardzo często pomijają oni działanie terminatora w zakresie napięcia współbieżnego i jego terminacji. Jakie są implikacje niezaterminowanej poprawnie linii różnicowej dla napięcia współbieżnego? Dwie podstawowe kwestie:

    * Po pierwsze, jeśli napięcie współbieżne nie jest poprawnie zaterminowane, to istnieje wysokie ryzyko, iż sygnał będzie zbierać niepożądane zakłócenia z zewnętrznych źródeł szumu, do napięcia współbieżnego.

    *Po drugie, pływające lub niezaterminowane poprawnie napięcie współbieżne, przy układach aktywnych (takich jak wzmacniacze, miksery czy przetworniki analogowo-cyfrowe) mogą mieć wpływ na obciążenie ich wejść i wyjść i to w taki sposób, że obniżać to będzie parametry tych układów. Na przykład, wiele wzmacniaczy różnicowych posiada aktywne układy kontrolujące napięcie współbieżne. Niektóre sytuacje z występującym niepożądanym napięciem współbieżnym w systemie, mogą przełożyć się na zmniejszenie marginesu fazy takich układów wzmacniaczy.

    Często wykorzystuje się filtry, aby tłumić szum lub zniekształcenia, których usuwanie z sygnału jest poza zasięgiem aktywnych układów w torze analogowym. Filtry różnicowe jednakże, mogą być zupełnie niezdolne do tłumienia zakłóceń znajdujących się w napięciu współbieżnym sygnału analogowego, o ile nie są specjalnie pod tym kątem projektowane.

    Teraz, gdy jesteśmy świadomi potencjalnych problemów, związanych z pasożytniczym sygnałem współbieżnym obecnym w analogowych, różnicowych torach sygnałowych. Dobrym pytaniem jest to, czy możemy uniknąć tych problemów? Na pewno odpowiednie, pasywne filtry pomogą w tej kwestii. Zacznijmy od prostego przykładu układu pasywnego. Projektanci układów analogowych często korzystają z filtrów LC w celu eliminacji szumu i zakłóceń z sygnału. Często implementowany filtr różnicowy na ogół pływa względem potencjału masy i nie ma to żadnego wpływu na odpowiedź impulsową różnicową. Jednakże, jak widać na poniższych wykresach - dla odpowiedzi dla sygnału współbieżnego (poniżej) jest to problematyczne. Jeśli wprowadzimy drobną zmianę, zaznaczona niebieskim kółkiem, od razu zmianie ulegnie jego charakterystyka.

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag
    Odpowiedź różnicowa filtra
    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag
    Odpowiedź współbieżna filtra


    Możliwa jest prosta zmiana budowy filtra pokazana na schemacie poniżej:

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag


    Zmiana w budowie filtra przekłada się na zmianę charakterystyki współbieżnej filtra. Po dodaniu elementu oznaczonego niebieskim polem na powyższym schemacie wygląda ona następująco:

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag


    Podobnie jak filtry, niektóre układy aktywne, nie mają jawnego pinu masy jako punktu odniesienia czy terminacji, dla sygnałów współbieżnych. Jednym z przykładów tego typu układów jest wzmacniacz LMH6521 i inne wzmacniacze, w których aplikacji występuje indukcyjność łącząca piny wyjściowe. Wzmacniacz LMH6521 to cyfrowo sterowany bardzo szybki wzmacniacz o cyfrowo sterowanym wzmocnieniu. Charakteryzuje się on w pełni różnicowym torem sygnałowym, oporem 2,5 kΩ dla sygnału współbieżnego, co niestety nie jest dostatecznie dużą wartością, aby w istotny sposób tłumić energię sygnału współbieżnego.

    Możliwe jest dodanie układu pozwalającego na większe rozpraszanie energii sygnału współbieżnego do układu opartego o wzmacniacz LMH6521, poprzez dodanie kilku oporników do układu, jak pokazano to na zmodyfikowanym schemacie. Dzięki pięknie sygnałów różnicowych, dwa 500 Ω oporniki dodane do filtra dodają zaledwie 1000 Ω do linii różnicowej, ale wprowadzają także terminację o impedancji 250 Ω dla sygnału współbieżnego. Obciążenie wyjścia wzmacniacza zmienia się wtedy z 180 Ω do 152 Ω po dodaniu oporników. Tak niewielka zmiana nie ma znaczącego wpływu na działanie wzmacniacza, jednakże terminacja sygnałów współbieżnych jest znacznie poprawiona. Taka sama technika może być zastosowana do układu wyjściowego za wzmacniaczem.

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag


    Nie wszystkie układy różnicowe charakteryzują się wysoką impedancją dla sygnałów współbieżnych. Niektóre wzmacniacze, takie jak LMH3401, posiadają układy kontroli wyjściowego napięcia współbieżnego z układami o niskim poziomie szumu i niskiej impedancji. Układ LMH3401 posiada w swojej strukturze, zasadniczo, wzmacniacz o wzmocnieniu równym jeden (czyli bufor - przyp. tłum.) dla sygnałów współbieżnych. Buforuje on napięcie współbieżne z wejścia układu i dodaje takie samo na wyjściu, przez co napięcie współbieżne sygnału wejściowego i wyjściowego jest, zasadniczo, takie samo.

    Na poniższej ilustracji zaprezentowano jaki wpływ na działanie układu mają wykropkowane kondensatory. Z punktu widzenia napięcia współbieżnego zapewniają one wirtualne zwarcie do masy dla wszystkich współbieżnych sygnałów zmiennych w tym punkcie systemu.

    Kolejna ilustracja poniżej pokazuje, jak zachowuje się impedancja wyjściowa układu LMH3401. Poprzez dobranie odpowiedniego wzmacniacza różnicowego dopasowanego do danej aplikacji, osiągnąć można dodatkowe benefity w zakresie odrzucenia wpływu napięcia współbieżnego i nie musimy wtedy nic więcej mieszać w naszym projekcie.

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag


    Wykres impedancji dla sygnałów współbieżnych wygląda wtedy następująco:

    Napięcie współbieżne w sygnałach różnicowych - kilka uwag


    Jak widać - istnieje kilka sposobów radzenia sobie z problemem przenikania zakłóceń z napięcia współbieżnego do różnicowego toru analogowego. Niektóre z nich wymagają dodania dodatkowych elementów do układu, a niektóre prostsze sposoby pozwalają osiągnąć porównywalne efekty poprzez odpowiedni dobór elementów aktywnych w projekcie.

    Źródła:

    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...-1-avoid-common-missteps-with-the-common-mode
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2014/11/03/mitigating-common-mode-noise-part-2

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11104 posts with rating 9416, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • IGE-XAO