¿Las corrientes que viajan por el exterior del coaxial son realmente de "modo común"?

Question

Consideremos una línea de transmisión en escalera. Dadas las corrientes en los dos conductores, podemos describir esas corrientes como la corriente en cada conductor individualmente, o :

1. corrientes que fluyen en un sentido en un conductor, igualadas por corrientes exactamente iguales y opuestas en el otro (modo diferencial)

2. corrientes que fluyen en un sentido en un conductor, igualadas por corrientes exactamente iguales y similares en el otro (modo común)

Es decir, las corrientes en modo común son común a ambos conductores. Esto es bueno, porque puedo rechazar las corrientes de modo común y medir sólo la señal de modo diferencial con un transformador o un amplificador diferencial:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Pero consideremos una línea de transmisión coaxial ideal. Las corrientes son:

1. las corrientes que circulan por el conductor interior se corresponden exactamente con corrientes iguales y opuestas en el lado interior de la pantalla (modo diferencial)

2. corrientes que fluyen sólo en el exterior del escudo

He oído decir que las corrientes de "modo común" fluyen por el exterior de la pantalla. Pero, ¿son realmente común ? No están fluyendo en ambos conductores. Por lo tanto, no puedo rechazar estas corrientes con un amplificador diferencial o un transformador:

simular este circuito

Por lo tanto, ¿es realmente apropiado llamar a estas corrientes "modo común"?

Answer 1

El ruido en el blindaje de un cable puede ser o no de modo común.

La idea de que es modo común proviene de los cables de tres conductores, en los que hay una pantalla que envuelve un par de conductores que llevan una señal diferencial. Se considera que la señal es la diferencia entre los conductores. Cualquier potencial entre los dos conductores interiores y la pantalla es modo común. Esto es análogo al movimiento paralelo de las entradas + y - de un amplificador diferencial, con respecto a tierra.

En un cable de dos conductores en el que la señal es la diferencia entre el conductor interno y la pantalla, el significado de modo común cambia: el modo común es el movimiento de la pantalla y del conductor interno. Esto es análogo a las entradas + y - de un amplificador diferencial en el que una de ellas está unida a tierra. Para que se produzca el ruido de modo común, tiene que haber un problema con la tierra que haga que se mueva.

Es probable que exista una confusión al respecto en algunas publicaciones, debido a que los autores aplican erróneamente lo que han investigado sobre las líneas diferenciales a las líneas de un solo extremo.

Aunque los op-amps se utilizan a menudo hoy en día para recoger la señal de una línea de un solo extremo, los amplificadores que se utilizan de esta manera ya no son diferenciales. El dispositivo del op-amp es diferencial, pero el circuito es single-ended. Se puede hacer el mismo tipo de amplificación con (por ejemplo) una etapa de transistor de fuente común/colector: no se necesita un amplificador diferencial.

En sentido estricto, el término "modo común" se aplica a las líneas diferenciales y a los amplificadores diferenciales, que tienen un "modo diferencial" contrastado.

Cuando utilizamos el término "modo común" en el contexto de un sistema de procesamiento de señales de un solo extremo, se refiere a que la tierra de la señal se considera como una tierra no ideal que puede moverse con respecto a la referencia ideal de 0V, por lo que, en cierto sentido, el amplificador tiene un modo diferencial (sea o no un op-amp diferencial, o una etapa de entrada de un solo extremo).

Por supuesto, un sistema de un solo extremo es "diferencial" en el sentido de que cualquier tensión citada como absoluta es en realidad una diferencia de potencial, y podemos aplicar eso a un amplificador diferencial. Pero no es eso lo que entendemos por "diferencial".

El aspecto clave de la señalización diferencial no es el uso de señales opuestas. La señalización diferencial no requiere señales opuestas e iguales. Funciona igual de bien si uno de los conductores no tiene ninguna señal. El aspecto clave de la señalización diferencial es el uso de dos redes de señales, ninguna de las cuales es tierra, y que tienen impedancias iguales con respecto a tierra. A esto se refiere el término "equilibrado". Cualquier ruido de modo común inducido en las dos líneas ve la misma impedancia en cada una de ellas y, por lo tanto, genera las mismas tensiones en las entradas, que se restan y se cancelan (de forma algo imperfecta, dando como resultado un número determinado de decibelios de atenuación).

Un sistema de un solo extremo no puede ser equilibrada, porque su línea de señal requiere una impedancia de entrada y la línea de retorno necesita tener, idealmente, una impedancia cero a tierra.

Answer 2

Cuando definimos las corrientes de modo común y de modo diferencial, obtenemos algunas relaciones como

\$ i_{\mathrm{comm}} = \dfrac{1}{2}(i_+ + i_-)\$

\$ i_{\mathrm{diff}} = i_+ - i_-\$ .

Ahora has definido una forma diferente de dividir las corrientes en un coaxial, reconociendo sólo estos dos tipos de corriente:

1. las corrientes que circulan por el conductor interior se corresponden exactamente con corrientes iguales y opuestas en el lado interior de la pantalla (modo diferencial)

2. corrientes que fluyen sólo en el exterior del escudo

Esto implica que no hay ninguna corriente en el conductor interior que no sea igualada por una corriente igual y opuesta en el conductor exterior.

Llamemos a la corriente en el conductor central \$i_c\$ y la corriente en el conductor exterior \$i_s\$ . Y definiremos que una corriente positiva en cualquiera de los conductores se aleja de la fuente.

Ahora debemos tener \$i_s = -i_c + i_2\$ donde \$i_2\$ es su segunda categoría de corriente.

Así que, \$i_2 = i_s + i_c\$ . Y vemos que, aparte de un factor de escala de 2x, \$i_2\$ es igual a la corriente de modo común tal y como se define habitualmente.

Answer 3

Permítanme seguir la notación de El Fotón y utilizar \$i_c\$ y \$i_s\$ para denotar las corrientes en el núcleo y la pantalla del coaxial, \$i_{\rm diff}\$ y \$i_{\rm comm}\$ para denotar las corrientes de modo diferencial y común, y \$i_1\$ y \$i_2\$ para denotar los dos tipos de corrientes (núcleo-en-escudo-retorno y sólo escudo) en su pregunta.

Ahora bien, cualquiera de estos pares de mediciones de corriente es suficiente para expresar de forma única cualquier conjunto posible de corrientes que circulen por el cable. El problema es que, mientras que el mapa lineal $$(i_c,i_s) \mapsto (i_{\rm diff},i_{\rm comm}) = \tfrac12(i_c-i_s,\,i_c+i_s)$$ es ortogonal, el mapa $$(i_1,i_2) \mapsto (i_c,i_s) = (i_1,\,i_2-i_1)$$ no lo es, y por tanto tampoco lo es el mapa combinado $$(i_1,i_2) \mapsto (i_{\rm diff},i_{\rm comm}) = (i_1-\tfrac12i_2,\,\tfrac12i_2).$$

Así, mientras que el modo común \$i_{\rm comm}\$ es efectivamente proporcional a \$i_2\$ e independiente de \$i_1\$ el modo diferencial \$i_{\rm diff}\$ es una mezcla del \$i_1\$ y \$i_2\$ modos. O, para verlo al revés, el \$i_1\$ señal es puramente diferencial, pero la \$i_2\$ es una combinación de los modos diferencial y común.

En particular, esto significa que el modo diferencial \$i_{\rm diff}\$ no es ortogonal a la \$i_2\$ modo, por lo que la medición de la corriente diferencial mediante un transformador o un amplificador diferencial no rechaza completamente \$i_2\$ .

Hasta aquí las matemáticas. Ahora, si quieres rechazar la \$i_2\$ corriente, vas a necesitar medir algo que realmente sea ortogonal a ella. En tu caso, la opción obvia (¿ingenua?) sería sólo la corriente del núcleo \$i_c\$ que en su sistema, tal y como lo describe, equivale simplemente a \$i_1\$ .