Trasmissione bilanciata e amplificatore differenziale

E.M.I. Shield e Grounding:

analisi applicata ai sistemi di cablaggio strutturato

Trasmissione bilanciata e amplificatore differenziale

Pier Luca Montessoro

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Perché è importante

In generale permette di separare logicamente e fisicamente i problemi di continuità dei

conduttori che trasportano il segnale e

continuità degli schermi, dei conduttori di ritorno e dei collegamenti di terra

Nei sistemi di cablaggio, inoltre, consente di utilizzare doppini twistati con schermature ridotte o non schermati affatto

Perché solo adesso?

L’utilizzo diffuso di trasmissione bilanciata e amplificazione differenziale nelle reti di

calcolatori ad alta velocità è abbastanza recente. Le ragioni sono principalmente tecnologiche:

possibilità di realizzare doppini non schermati a geometria estremamente regolare

possibilità di realizzare a costi contenuti amplificatori differenziali con ottime

caratteristiche in grado di lavorare a frequenze elevate

Esempio di amplificatore differenziale

V₁ = 2V_A V₂ = -2V_B

V₄ = 2V_A R/2R - 2V_B R/2R = V_A - V_B

Riferimento di tensione dei segnali

La trasmissione di segnali mediante mezzi

trasmissivi elettrici comporta l’osservazione di segnali generati da sorgenti con una tensione di riferimento spesso diversa da quella del

ricevitore

Riferimento di tensione dei segnali

E₂ = 0 (riferimento di tensione del ricevitore) Supponendo trascurabile il carico

dell’amplificatore (I_R1 = I_R2 = 0), la tensione in A è E₁ + E_sig

E_sig può essere misurata rispetto a C (E₂) sottraendo V_B da V_A, cioè E_sig = V_A - V_B

Agli ingressi A e B è presente un valore

medio di tensione pari a (E_sig + E₁ + E₁)/2 =

1/2 E_sig + E₁. Tale valor medio non deve essere amplificato perché contiene il termine

indesiderato E₁

Segnale di modo comune

E` il valor medio dei segnali ai due ingressi di un amplificatore differenziale

Nell’esempio è dovuto all’utilizzo di un

sistema sbilanciato, ed ad una tensione di disturbo (E₁ - E₂) tra i due riferimenti

Benché nell’esempio compaia anche parte di E_sig nel segnale di modo comune, si tratta di un segnale disturbato da E₁ (che potrebbe anche non essere costante), e quindi va eliminato

Spesso i segnali di disturbo hanno ampiezza superiore ai segnali utili di alcuni ordini di grandezza

Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR)

E` definito come rapporto tra il segnale di

modo comune in ingresso e la quantità di tale segnale che viene inevitabilmente amplificata dall’amplificatore differenziale

Si misura in decibel (dB = 20 log V₁/V₂) E` un fattore di merito dell’amplificatore differenziale

Poiché gli effetti dell’amplificazione di segnali non desiderati vengono misurati all’uscita, si riconduce tale segnale all’ingresso dividendo per il guadagno:

CMRR E G E

CM out

=

Trasmissione bilanciata

V_s -V_s

+V_s

V_o=V_s

Nei sistemi di cablaggio si usa il doppino twistato

bassa emissione di disturbi elettromagnetici

elevata immunità ai disturbi elettromagnetici esterni

0.5 2

+V_s

Trasmissione bilanciata

V_s

-V_s

V_o=V_s

Conduttori vicini

Alternanza dovuta alla twistatura

Trasmissione del segnale tramite correnti uguali ed opposte

Ridotta emissione di disturbi

2 0.5

I

I

+V_s

Trasmissione bilanciata

V_s

-V_s

V_o=V_s

Conduttori vicini

Alternanza dovuta alla twistatura Amplificazione differenziale

Elevata immunità ai disturbi

V_s + V_n -V_s + V_n 2 0.5

Trasmissione bilanciata

Perché valgano le considerazioni precedenti è necessario:

che il cavo presenti un’elevata regolarità nei parametri fisici e geometrici, in

particolare per quanto riguarda la

simmetria dei due conduttori della coppia che l’amplificatore differenziale presenti un elevato rapporto di CMRR alle

frequenze del segnale utile