что такое синфазное и дифференциальное напряжение

В чем разница между дифференциальным и синфазным током

Радиопомехи, возникающие при работе электронного оборудования, могут быть вызваны дифференциальным или синфазным токами (см. рисунок).

Всем известно, что постоянный ток течет по замкнутому проводящему контуру. Однако и по разомкнутой цепи ток тоже протекает, но только до того момента, пока не сравняются потенциалы на концах линии. Правда происходит это чрезвычайно короткий момент времени, т.к. электромагнитное взаимодействие распространяется в проводнике со скоростью, близкой к скорости света.

При включении схемы возникают переходные токи равной величины, но направленные противоположно. Когда достигается равновесие, они пропадают. Если используется источник переменного тока, а цепь изолирована и разомкнута, контур замыкается за счет паразитной емкости между прямым и обратным проводом. Ток смещения протекает через нее и возвращается в источник. Если источник переменного тока замкнут на нагрузку, прямой и обратный токи равны, но разнонаправлены. Рассмотренные токи называются дифференциальными и показаны зеленым цветом на рисунке. Для устройств связи это нормальный режим работы.

Если проводящий контур не изолирован и расположен вблизи с другими цепями или шиной земли, то между проводниками и землей возникают дифференциальные напряжения. Это, в частности, приводит к тому, что на земляной шине возникает разность потенциалов, что, в свою очередь, порождает паразитные токи в сигнальных цепях. Это явление возникает из-за паразитных связей или несбалансированности дифференциальных линий.

Токи, текущие в одном направлении по нескольким проводникам, называются синфазными (отмечены красным на рисунке). В телекоммуникационной отрасли такой режим получил название продольной волны (longitudinal mode.).

Когда паразитная емкость замыкает дифференциальный или синфазный контур, ток становится функцией частоты. По мере роста частоты или увеличения длины проводника емкостное сопротивление уменьшается. На низких частотах емкостное сопротивление равно Xc = 1/jωC. Соответственно, полное сопротивление контура будет настолько большим, что ток смещения будет очень мал. Например, при частоте 10 кГц сопротивление емкости 1000 пФ составляет Xc=15 923 Ом, а при частоте 1 ГГц – всего 159 мОм. Чем больше ток, тем сильнее радиочастотное излучение, за исключением случая, когда размер схемы на частоте излучения приближается к резонансной длине равной λo/10.

Хотя синфазный ток, как правило, меньше дифференциального, площадь его контура настолько больше, что он имеет большее значение, чем дифференциальный. Поскольку синфазный ток может возникать одновременно в нескольких цепях и на шине земли, с ним трудно бороться. При проектировании схемы необходимо принимать меры для предупреждения возникновения синфазных токов.

Источник

Термины: Сигналы синфазный и противофазный (дифференциальный)

При описании распространения сигнала или помехи в электропроводной среде часто употребляются термины синфазный (СФ) и противофазный (ПФ). Эти термины употребляются тогда, когда в рассматриваемой системе есть две точки (два полюса) приложения сигнала (помехи): условно X и Y, как показано на рисунке. СФ сигнал действует с одной и той же фазой на точки X и Y приложения сигнала относительно условного нуля или некой третьей опорной или общей точки. ПФ сигнал действует с противоположной фазой (противоположным знаком) на точки X и Y приложения сигнала относительно внешней среды. Поэтому, противофазный сигнал также часто называют дифференциальным, подразумевая его «разностную» сущность.

При рассмотрении напряжений в рассматриваемых точках электропроводной среды помеха приложена синфазно, а полезный сигнал – противофазно, как это бывает в случае дифференциальных или симметричных цепей.

Некоторые функциональные узлы электрических схем (например дифференциальный приёмник сигнала, трансформатор, схемы гальваноразвязки на разных физических принципах) могут подавлять синфазный сигнал, а пропускать противофазный. В противоположность этому: линейные мостовые балансные схемы способны значительно скомпенсировать противофазный сигнал по отношению к синфазному.

Ярким примером раздельной аналоговой обработки синфазной и противофазной составляющих сигнала является стандартная схема гальваноразвязки Ethernet, в которой прослеживаются разные пути распространения СФ и ПФ сигналов.

При анализе дифференциальных электрических цепей обычно рассматривают две эквивалентные электрические схемы: для СФ и ПФ сигналов раздельно, подразумевая линейное разложение сигнала на эти две составляющие (0,5*(Х + Y) и X-Y, соответственно, если X и Y – это фазные напряжения, как показано на рисунке выше). Как следствие этого анализа, в частности, возникает необходимость описания электрических свойств дифференциального входа или дифференциального выхода для СФ и ПФ сигналов отдельно: диапазона, входного или выходного сопротивления, характеристик пропускания или подавления на определённых частотах и т.д. С этой точки зрения, мгновенные значения СФ и ПФ сигналов дифференциальной или симметричной цепей можно рассматривать как две координаты при описании мгновенного состояния физического сигнала в двумерном пространстве.

Использование терминов

Термины используются при описании свойств дифференциального входа, например, в документации следующих измерительных модулей АЦП, имеющих дифференциальные входы:

Разрядность: 14 бит
Частота преобразования 400 кГц суммарно
Каналов: 16 дифференциальных/ 32 с общей землей
Диапазоны: ±0,15 В…±10 В

Модуль АЦП универсальный
16/32 каналов, 14 бит, 400 кГц

LTR11

Разрядность: 24 бита
Частота преобразования до 78 кГц на канал
Каналов: 8 для ICP-датчиков
Питание датчиков: источник тока 2,86 / 10 мА

Модуль АЦП для ICP датчиков
8 каналов, 24 бит, 78 кГц

LTR25

Разрядность: 24 бита
Частота преобразования до 117 кГц на канал
Каналов: 4 дифференциальных + 4 для ICP-датчиков или тензорезисторов
Диапазоны: ±2 В…±10 В

Модуль АЦП универсальный
4 канала, 24 бит, 117 кГц

LTR24

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов;
±0,2 В…10 В; 2 МГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц
Цифровые входы/выходы:
17/16, ТТЛ 5 В
Интерфейс: USB 2.0 (high-speed), Ethernet (100 Мбит)
Гальваническая развязка.

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, USB, Ethernet

E-502

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов;
±0,2 В…10 В; 2 МГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц
Цифровые входы/выходы:
18/16 TTL 5 В
Интерфейс: PCI Express

Плата АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, PCI Express

L-502

АЦП: 14 бит; 16/32 каналов;
±0,15 В…10 В; 200 кГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 200 кГц
Цифровые входы/выходы:
16/16 TTL 5 В
Интерфейс: USB 2.0

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 14 бит, 200 кГц, USB

E14-140M

АЦП: 14 бит; 16/32 каналов;
±0,156 В…10 В; 400 кГц
ЦАП: 12 бит; 2 канала; ±5 В; 8 мкс
Цифровые входы/выходы:
16/16 TTL 5 В
Интерфейс: USB 2.0

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 14 бит, 400 кГц, USB

Источник

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 5

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Дифференциальный усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 13.

Таблица 13. Исходные данные к расчету

Описание схемы

Выходной сигнал схемы определяется разницей между входными сигналами V_i1 и V_i2 (рисунок 16). Источники сигналов, как правило, должны иметь низкий импеданс, так как входной импеданс схемы определяется резисторами R₁ и R₂. Дифференциальные усилители обычно используются для усиления разницы напряжений входных сигналов и исключения синфазной составляющей. Синфазное напряжение дифференциального усилителя равно общему напряжению, приложенному к обоим входам. Эффективность подавления синфазной составляющей характеризуется коэффициентом ослабления синфазного напряжения, или КОСС (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR). КОСС дифференциального усилителя определяется точностью используемых резисторов.

Рис. 16. Схема дифференциального усилителя на ОУ

Рекомендуем обратить внимание:

Порядок расчета

Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется по формуле 1:

Если R₁ = R₂ и R₃ = R₄, то формула для V_O значительно упрощается (формула 2):

Таблица 14. Расчет CMRR и допустимых погрешностей резисторов

Моделирование схемы

На рисунке 17 изображено моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ).

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения V_idiff

Результаты моделирования CMRR показаны на рисунке 18.

Рис. 18. Частотная зависимость CMRR

Рекомендации

Для получения дополнительной информации о параметрах ОУ следует обратиться к TI Precision Labs.

Для получения дополнительной информации о CMRR дифференциальных усилителей следует обратиться к Overlooking the obvious: the input impedance of a difference amplifier.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 15.

Таблица 15. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 16.

Таблица 16. Параметры альтернативного ОУ

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник