что такое синфазные токи

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

СОДЕРЖАНИЕ

Определения

Генри Отт заметил нечто подобное в своей книге. Дифференциальный режим является результатом нормальной работы схемы и возникает в результате протекания электрического тока по петлям, образованным электрическими проводниками схемы. Общий режим является результатом паразитных воздействий в цепи и нежелательных падений напряжения в проводниках.

Клейтон Р. Пол привел простую иллюстрацию, объясняющую термины CM и DM в своей книге. Пара параллельных проводников с токами ₁ и _2, протекающими по каждому проводнику, которые можно разложить на ток CM и DM соответственно.

Из этих двух уравнений модальный ток был получен следующим образом:

Ток CM, протекающий в каждом проводнике, одинаков по величине и направлен в одном направлении, в то время как ток DM имеет одинаковую величину, но направлен в другом направлении.

Излучаемое электрическое поле от обоих проводников может быть наложено, чтобы получить полное излучаемое электрическое поле. Для тока в дифференциальном режиме, поскольку проводники не расположены в непосредственной близости, поля не полностью компенсируют друг друга, но в результате получается небольшое суммарное излучаемое электрическое поле. В отличие от тока DM, ток CM направлен в том же направлении и приводит к гораздо более сильному электрическому полю, поскольку поля от обоих проводников будут добавляться. Таким образом, небольшой ток CM имеет гораздо больший потенциал для создания излучаемых излучений по сравнению с током DM. В случае кондуктивных помех, если помехи не возникают между проводниками, они появятся между каждым проводником и третьей контрольной точкой, например, структурой рядом с проводником.

Кондуктивные помехи CM вызывают больше проблем по сравнению с помехами DM из-за возможной третьей контрольной точки, которая может включать в себя любую структуру, которая обычно не предназначена для этой цели. Следовательно:

Измерение

Измерение синфазного тока выполняется для определения кондуктивных или излучаемых помех в электрической системе из-за высокой вероятности нежелательной полевой эмиссии в окружающую среду. Также сказано, что большинство отказов происходит из-за синфазных токов в кабеле и проводных узлах. Обратите внимание, что некоторый синфазный ток возвращается через третью точку пути, которая может быть соседним кабелем, заземляющим слоем или другим неожиданным обратным путем. Синфазные токи в цепи следуют по пути наименьшего сопротивления и не обязательно соответствуют разработанным схемам.

Источник

Работа 4.1

Дифференциальные усилители на биполярных транзисторах

В современной радиоэлектронике широкое применение находят дифференциальные (разностные) усилители. Дифференциальный усилитель (ДУ) представляет симметричную схему с двумя входами и двумя выходами
(рис. 4.1.1). Вход, обозначенный символом «+», называют неинвертирующим. Вход, обозначенный символом «–», называют инвертирующим. Поскольку схема имеет два выхода, в качестве выходного можно использовать напряжения , или их разность . В последнем случае выход дифференциального усилителя называют симметричным.

Рис. 4.1.1

Сигналы на входе дифференциального усилителя представляют в виде суммы дифференциальной и синфазной составляющих:

;

.

Из последних равенств следует, что дифференциальный сигнал равен разности входных напряжений:

, (4.1.1)

а синфазный – их полусумме:

. (4.1.2)

В соответствии с (4.1.1) и (4.1.2) источник сигнала на входе дифференциального усилителя можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 4.1.2.
Различают коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов:

;

.

Важное свойство дифференциального усилителя заключается в том, что он усиливает дифференциальные и ослабляет синфазные составляющие сигнала. Одним из главных параметров дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала, который показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента синфазного сигнала:

.

Дифференциальные усилители находят широкое применение в аналоговых интегральных схемах: операционных усилителях, аналоговых перемножителях, компараторах и т. д. Это объясняется следующими причинами.

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема дифференциального усилителя на биполярных транзисторах показана на рис. 4.1.3. Первое плечо усилителя образовано резисторами , и транзистором VT1, а второе – резисторами , и транзистором VT2. Источник тока реализуют с помощью схемы с общим эмиттером либо на основе токового зеркала.

Если плечи схемы симметричны и входные напряжения одинаковы, ток источника делится поровну между транзисторами VT1 и VT2:

Нетрудно показать, что при равенстве входных напряжений

.

Напряжение симметричного выхода

.

Предположим, что на входах дифференциального усилителя действует синфазный сигнал . При действии такого сигнала токи коллекторов не изменятся, поэтому выходные напряжения останутся прежними. Таким образом, в случае симметрии плеч синфазный сигнал не изменяет режим работы дифференциального усилителя.
Предположим теперь, что на входе действует дифференциальный сигнал, т. е. напряжение увеличилось на величину , а напряжение уменьшилось на такую же величину. При этом ток увеличится, а ток уменьшится на величину . Изменятся и выходные напряжения:

;

.

Таким образом, схема на рис. 4.1.3 усиливает только дифференциальный сигнал. Анализ показывает, что небольшие изменения дифференциального напряжения приводят к значительным изменениям токов и , а следовательно, и выходных напряжений.

Пример 4.1.1. Рассчитать токи и напряжения в схеме дифференциального усилителя на рис. 4.1.3. для двух случаев:
1) ;
2) , ;
Характеристики транзисторов идентичны. Коэффициент . Напряжение эмиттерного перехода открытого транзистора равно 0.7 В. Сопротивления резисторов в схеме , . Ток источника .
Решение. Случай 1. Поскольку транзисторы согласованы, . Выходные напряжения одинаковы:

.

Напряжение узла А на рис. 4.1.3

.

Случай 2. Так как , разумно предположить, что VT2 находится в состоянии отсечки и ток . В этом случае . Выходные напряжения
;

.

.

Напряжение эмиттерного перехода второго транзистора

.

Как мы и предполагали, VT2 находится в режиме отсечки.
Рассмотренный пример показывает, что режим работы транзисторов и выходные напряжения дифференциального усилителя определяются не абсолютной величиной напряжений и , а их разностью, т. е. дифференциальной составляющей входного напряжения. Это справедливо до тех пор, пока транзисторы работают в активном режиме.

4.1.3. Основные параметры ДУ на биполярных транзисторах

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

Предположим, что на входах усилителя действует дифференциальный сигнал малой амплитуды, и транзисторы работают в активном режиме. В этом случае коэффициенты усиления дифференциального сигнала

.

Для симметричного выхода

.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением сопротивлений в цепях эмиттера и коллектора. Часто для увеличения резисторы и исключают. В этом случае сопротивление цепи эмиттера равно дифференциальному сопротивлению эмиттерного перехода:

.

Обычно это сопротивление составляет несколько десятков ом.

Коэффициент усиления синфазного сигнала

Выходные напряжения, обусловленные действием источника синфазного сигнала

.

Коэффициент усиления синфазного сигнала

.

Чем больше внутреннее сопротивление источника тока, тем меньше коэффициент усиления синфазного сигнала.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала

.

Для симметричного выхода напряжение синфазной составляющей , поэтому .
Коэффициент ослабления синфазного сигнала прямо пропорционален сопротивлению источника тока.

Входные сопротивления дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах

Определим входное сопротивление дифференциального усилителя на рис. 4.1.3 для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала.

Входной ток, обусловленный дифференциальной составляющей сигнала:

.

Входное сопротивление для дифференциальной составляющей

.

Входной ток, обусловленный синфазной составляющей сигнала,

.

Входное сопротивление для синфазной составляющей

.

Полученные соотношения показывают, что входные сопротивления дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах зависят от параметров транзисторов, внутреннего сопротивления источника тока и сопротивлений в цепях эмиттеров. Для увеличения входного сопротивления ДУ необходимо использовать биполярные транзисторы с большими значениями коэффициента . Источники тока с большим внутренним сопротивлением реализуют на основе отражателей тока.

Пример 4.1.2. Рассчитать параметры дифференциального усилителя на рис. 4.1.3, если , , , . Коэффициент усиления тока базы . Внутреннее сопротивление источника тока .

Решение. Коэффициент усиления дифференциального сигнала

.
В случае симметричного выхода

.

1. Коэффициент усиления синфазного сигнала

.

2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала

.

3. Входное сопротивление для дифференциального сигнала

.

4. Входное сопротивление для синфазного сигнала

.

Дифференциальные усилители находят широкое применение в электронике и измерительной технике при усилении слабых сигналов. ДУ являются важными функциональными узлами аналоговых интегральных схем. Это объясняется тем, что в интегральных схемах, где элементы расположены друг от друга на расстоянии нескольких микрон, легко обеспечить требуемую идентичность параметров.

4.1.3. Простейший дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема простейшего дифференциального усилителя на биполярных транзисторах показана на рис. 4.1.4. Источник тока, обеспечивающий смещение рабочих точек транзисторов, заменен резистором и источником . Величину можно найти из уравнения

(4.1.7)

Рис. 4.1.4

Коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов определяются выражениями (4.1.3) и (4.1.4). В формуле (4.1.4) .

4.1.4. Дифференциальный усилитель с отражателем тока

Существенный недостаток дифференциального усилителя на рис. 4.1.4 заключается в том, что резистор определяет одновременно режим транзисторов по постоянному току и коэффициент ослабления синфазного сигнала. Поэтому получить большую величину в таком усилителе невозможно.

Значительно большее ослабление синфазного сигнала можно получить, включив вместо резистора отражатель тока на транзисторах VT3 и VT4 (рис. 4.1.5).

Рис. 4.1.5

Выходной ток регулируется резистором . Его величина определяется уравнением

(4.1.8)

Выходное сопротивление отражателя тока определяется сопротивлением запертого коллекторного перехода транзистора VT4. Оно составляет десятки-сотни кОм.

Рекомендации по выполнению предварительного расчета

Расчет постоянных составляющих токов и напряжений дифференциального усилителя рассмотрен в примере 4.1.1.

Расчет параметров ДУ рассмотрен в примере 4.1.2.

Сопротивления резисторов, определяющих режим транзисторов по постоянному току, определяются с помощью соотношений (4.1.7) и (4.1.8).

Источник