¿Qué es el ruido en modo común?
Prácticamente todos los circuitos integrados (y circuitos en general) tienen una patilla llamada "tierra" o "GND", o la hoja de datos dice cosas como "conectar VSS a tierra".
Al transmitir datos "a larga distancia", los cables actúan como antenas y pueden captar fácilmente algunos voltios de ruido, además de irradiar ruido. Así, por ejemplo, una patilla de salida de un chip de una caja puede transmitir un "0" como unos 0,5 V y transmitir un bit "1" como unos 2,5 voltios, medidos en relación con la patilla de tierra de ese mismo chip "conductor de línea".
En un lugar distante, el otro extremo del cable suele conectarse a una clavija de un chip "receptor de línea". Debido al ruido, la tensión en esa clavija de entrada, medida en relación con la clavija de tierra de ese mismo receptor de línea, a menudo puede estar en cualquier lugar en el rango de -1,5 V a +2,5 V cuando el transmisor está tratando de enviar un "0", y en cualquier lugar en el rango de 0,5 V a 4,5 V cuando el transmisor está tratando de enviar un "1".
Entonces, ¿cómo puede saber el receptor si el transmisor está intentando enviar un 1 o un 0, cuando recibe un voltaje como 0,9 o 2,2?
Por ello, los datos transmitidos a larga distancia suelen enviarse utilizando señalización diferencial sobre un par equilibrado , a menudo un par trenzado . En concreto, los cables USB, CANbus y MIDI incluyen un único par trenzado para los datos; los teléfonos de "2 líneas" y FireWire utilizan dos pares trenzados; los cables Ethernet CAT5e incluyen cuatro pares trenzados; otros sistemas utilizan incluso más pares. A menudo (pero no siempre), hay algún otro "cable de tierra" en el mismo haz de cables.
Etiquetamos uno de estos cables como "más" o "positivo" o "+" o "p", y el otro cable como "menos" o "-" o "negativo" o "n". Así, cuando quiero transmitir una señal "CLK" y una señal "MOSI" de un lugar a otro, mi cable tiene 4 hilos etiquetados pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.
En tensión de modo común de CLK es el promedio de los dos hilos CLK, (pCLK + nCLK)/2, medido en el receptor -- relativo al pin GND de ese receptor.
El voltaje de modo común de MOSI es el promedio de los dos cables MOSI, (pMOSI + nMOSI)/2, medido en el receptor -- relativo al pin GND de ese receptor.
Los diseñadores de controladores de línea intentan que la línea "p" suba al mismo tiempo que baja la línea "n", y viceversa, de modo que la tensión media (medida en el controlador) sea constante (en este ejemplo, la media en el controlador es de 1,5 V constantes).
Si no hubiera ruido, la tensión de modo común también tendría el mismo valor constante, pero no es así.
Siempre que se transmiten datos con señalización diferencial, la diferencia entre la tensión en modo común libre de ruido y la tensión en modo común real está totalmente causada por el ruido. Esa diferencia se denomina ruido de modo común.
Hay 3 causas principales de ruido en modo común:
- Muchos pares diferenciales no conmutan los hilos "+" y "-" al mismo tiempo. exactamente al mismo tiempo, o por exactamente el mismo voltaje, o tal vez pequeñas cantidades de ruido en el carril de alimentación del conductor de línea se filtran sólo en el cable "+" y no en el cable "-", causando algo de ruido en modo común. (A reactancia de ferrita en el extremo "conductor" del cable para reducir el ruido en modo común procedente de esta fuente).
- Otros hilos del haz de cables pueden filtrar más energía a un hilo del par que al otro, normalmente por acoplamiento capacitivo. (Retorcer cada par un diferente para reducir el ruido en modo común procedente de esta fuente).
- Interferencias externas, a menudo por acoplamiento inductivo.
¿cómo puede ser problemático el ruido en modo común?
Se intenta diseñar receptores de línea que rechacen el ruido en modo común. (Por desgracia, nunca lo consiguen del todo). Pero incluso en un sistema que utilice señalización diferencial con este tipo de receptores de línea, el ruido en modo común puede seguir siendo problemático:
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Los cables de comunicación largos actúan como antenas. Si el conductor de línea envía demasiado ruido en modo común por los cables, provoca interferencias de radiofrecuencia con otros dispositivos y hace que el sistema no supere las pruebas FCC o CE, o ambas, de compatibilidad electromagnética (CEM).
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Parte del ruido en modo común se filtra a través del receptor de línea -- el relación de rechazo en modo común no es infinita. Esto es un gran problema con las señales analógicas; normalmente no lo es con los unos y ceros digitales.
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La mayoría de los circuitos integrados no funcionan bien cuando cualquier Una tensión inferior a 0,6 V por debajo de la patilla GND y superior a 0,6 V por encima de la patilla de alimentación suele causar problemas. Dado que el ruido de modo común puede empujar fácilmente la señal "+" o "-", o ambas, fuera de ese rango, los circuitos receptores de línea deben conectar los cables a circuitos integrados especiales (como los "Transceptores RS-485 de modo común extendido") que puedan manejar tales excursiones; o conectar los cables a algún componente de circuito no integrado que proteja los circuitos integrados de tales excursiones -- como los optoaisladores utilizados en MIDI o los transformadores utilizados en Ethernet.
